曹遠(yuǎn)訓(xùn)
(三鋼閩光股份有限公司煉鋼廠，福建三明 365000)
摘要：對轉(zhuǎn)爐上料系統(tǒng)自動(dòng)化改造設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的組成，OPC標(biāo)準(zhǔn)接口的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)自動(dòng)控制和過程監(jiān)視，參數(shù)計(jì)錄等進(jìn)行綜述。實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)投入運(yùn)行后，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)送料，減輕了員工的作業(yè)量，提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：PLC；OPC技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)控
引言
三明煉鋼廠老系統(tǒng)原有轉(zhuǎn)爐上料系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備陳舊、技術(shù)落后、大都采用手動(dòng)操作、自動(dòng)化程度低下。因而操作人員無法精確把握各種原料的給進(jìn)量及相互之間的比例．無法及時(shí)調(diào)整各個(gè)料倉的料位，也無法及時(shí)判斷各個(gè)料倉的料位情況。這些因素都直接導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下．工人的勞動(dòng)量大。基于上述原因。經(jīng)多方調(diào)研和深入研究．筆者開發(fā)設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)爐煉鋼散狀上料自動(dòng)化系統(tǒng) 該系統(tǒng)對上料系統(tǒng)全部生產(chǎn)過程進(jìn)行全面監(jiān)視、控制和管理，對所有生產(chǎn)過程參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄。通過使用該套控制系統(tǒng)。操作人員可以全面了解生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)參數(shù)．準(zhǔn)確把握各個(gè)料倉的料位，并可及時(shí)安排各個(gè)料倉的上料情況。從而可大幅度地提高生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率．并可消除事故隱患為了便于上料系統(tǒng)的生產(chǎn)操作．提高生產(chǎn)效率以及煉鋼智能化管理水平。煉鋼轉(zhuǎn)爐上料綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用了分級控制結(jié)構(gòu)。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能
1．1 控制系統(tǒng)的組成
如圖1所示．轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)共分為兩級：數(shù)據(jù)管理級(二級機(jī))、集中控制級(一級機(jī))和設(shè)備。基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)控制部分采用西門子S7—300系列PLC。主要負(fù)責(zé)對轉(zhuǎn)爐上料進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、順序控制、監(jiān)視操作、數(shù)據(jù)通訊。
下面具體分析本系統(tǒng) 本系統(tǒng)由于采用網(wǎng)絡(luò)配置。可最大程度地減少現(xiàn)場總線，減少現(xiàn)場的故障點(diǎn)。
設(shè)備層由現(xiàn)場設(shè)備組成，包括了現(xiàn)場設(shè)備。如皮帶機(jī)、卸料小車、卷揚(yáng)機(jī)、上料小車、扇形閥和各種測量儀表集中控制層是西門子公司內(nèi)部CPU和擴(kuò)展模塊之間的的高速(傳輸速率達(dá)到5Mit／sec)的確立性網(wǎng)絡(luò)．用于對時(shí)間有苛刻要求的應(yīng)用場合的信息傳輸。
數(shù)據(jù)管理層是常見的工業(yè)以太網(wǎng)．它由運(yùn)行WINNT操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成．計(jì)算機(jī)之間通過TCP／IP協(xié)議相聯(lián)系。計(jì)算機(jī)和PLC之間用Profibus通訊數(shù)據(jù)管理層主要由性能穩(wěn)定的西門子工控機(jī)和WINCC軟件組成
1．2 OPC技術(shù)的應(yīng)用
OPC是一種基于微軟的OLE、COM 和DCOM技術(shù)構(gòu)成的工業(yè)信息集成標(biāo)準(zhǔn)．OPC采用客戶／服務(wù)~(Client／Server)模式。在沒有OPC技術(shù)以前。每個(gè)應(yīng)用程序都要為它所連接的設(shè)備提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。但是現(xiàn)場設(shè)備的多種多樣．同時(shí)每個(gè)廠家采用的接口標(biāo)準(zhǔn)往往各不相同．這不僅增加了軟件設(shè)計(jì)者的負(fù)擔(dān)． 同時(shí)也讓軟件設(shè)計(jì)者有時(shí)束手無策。OPC的出現(xiàn)無疑解決了這個(gè)問題，OPC定義了一組COM對象及其接口規(guī)范[1]。OPC按照面向?qū)ο蟮脑瓌t，將一個(gè)應(yīng)用程序(OPC服務(wù)器)作為一個(gè)對象封裝起來，只將接口方法暴露在外面。客戶以統(tǒng)一的方式去調(diào)用這個(gè)方法．從而保證軟件對客戶的透明性．使得用戶從低層的開發(fā)中脫離出來。通過OPC規(guī)范。應(yīng)用程序的分布與系統(tǒng)硬件的分布無關(guān)．便于系統(tǒng)硬件配置．使得系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更廣。采用OPC規(guī)范，便于系統(tǒng)的組態(tài)，將系統(tǒng)復(fù)雜性大大簡化，可以大大縮短軟件開發(fā)周期．提高軟件運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，便于系統(tǒng)的升級與維護(hù)。OPC規(guī)范了接口函數(shù)，不管現(xiàn)場設(shè)備以何種形式存在．客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問．從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開放性，易于實(shí)現(xiàn)與其它系統(tǒng)的接口。所以，OPC技術(shù)具有很好的開放性及可互操作性。西門子Winee6．0組態(tài)軟件也提供了OPC服務(wù)．這就為基于OPC技術(shù)的控制方案的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ) 其具體實(shí)現(xiàn)方法為：采用OPC充當(dāng)控制系統(tǒng)中二級機(jī)與管理層之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌冢捎酶呒壵Z言編寫接口程序．然后通過OPC接口與二級機(jī)上的Wincc6．0組態(tài)軟件的OPC服務(wù)器連接．進(jìn)行過程數(shù)據(jù)的存取。當(dāng)OPC作為基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口時(shí)．它代替了傳統(tǒng)的“I／O驅(qū)動(dòng)器”來完成與現(xiàn)場設(shè)備的通信：當(dāng)作為數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器時(shí)，實(shí)際上是一個(gè)I／O驅(qū)動(dòng)器：當(dāng)OPC服務(wù)器向二級機(jī)應(yīng)用程序提供標(biāo)準(zhǔn)接口時(shí)．使上層的應(yīng)用程序能夠取到OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)．從而實(shí)現(xiàn)了向上互聯(lián)。由于在本項(xiàng)目中采用了OPC技術(shù)．使得控制模型算法的實(shí)現(xiàn)可以以更低的價(jià)格、更簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用到轉(zhuǎn)爐煉鋼過程控制中．同時(shí)現(xiàn)場設(shè)備與系統(tǒng)的連接也更加簡單、靈活、方便。通過這種算法不僅為上料系統(tǒng)同以后整個(gè)廠的管理系統(tǒng)預(yù)留了接口．也為操作過程的靈活和控制算法的應(yīng)用提供了完整的空間
2 系統(tǒng)功能的具體實(shí)現(xiàn)
根據(jù)項(xiàng)目組的設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)要求．結(jié)合現(xiàn)場操作．該系統(tǒng)通過如下方法實(shí)現(xiàn)了這些功能。
2．1 工業(yè)型計(jì)算機(jī)作為監(jiān)視管理站
根據(jù)集中管理分散控制的原則．以西門子S7—300系列的可編程控制器作為現(xiàn)場控制站．由工業(yè)型計(jì)算機(jī)作為監(jiān)視管理站。
同時(shí)．工業(yè)型計(jì)算機(jī)作為一個(gè)網(wǎng)點(diǎn)，通過以太網(wǎng)卡．與上一級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成以太網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場信息及工業(yè)局域網(wǎng)信息源源不斷地傳送至以太網(wǎng)．供進(jìn)一步分析處理。
2．2 整個(gè)工程可以進(jìn)行控制站的擴(kuò)展。目前只設(shè)置一個(gè)控制站
PLC控制站均由CPU處理器、I／O卡、通訊板卡、電源組件、機(jī)架及控制程序組成。由于每個(gè)控制站的I／O點(diǎn)數(shù)不等且類型各異，因此，所配的I／O卡數(shù)也不等且類型略有差異 每個(gè)控制站不僅包括了所需點(diǎn)數(shù)，而且還包括有一定的裕量。對控制站能隨時(shí)擴(kuò)展，十分方便。
SIMATIC S7—3o0可編程序控制器是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展其在整個(gè)監(jiān)控過程中。能實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行情況及有關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、綜合管理、通迅預(yù)處理和擴(kuò)展因特網(wǎng)支持實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能如下：
監(jiān)控功能：
控制方式：
顯示工藝流程全貌、工藝流程局部圖；
設(shè)備運(yùn)行動(dòng)態(tài)顯示、設(shè)備的工況顯示；
歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：
生成故障報(bào)警一覽表
2．3 上位機(jī)監(jiān)控和管理功能實(shí)現(xiàn)
上位計(jì)算機(jī)運(yùn)行在WINDOWS2000環(huán)境下．負(fù)責(zé)整個(gè)輔助部分生產(chǎn)過程的監(jiān)控及信息處理組態(tài)軟件采用WINCC，其網(wǎng)絡(luò)共享能力強(qiáng)，可與其他網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)連接。同時(shí)通過OPC我們針對工藝流程做了相應(yīng)的算法設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的主要操作界面如圖2所示：
操作畫面的主要特點(diǎn)如下：
(1)采用操作界面，流程圖顯示，界面友好、直觀。
系統(tǒng)全部采用中文界面。便于操作。界面按系統(tǒng)流程圖的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織．流程圖上能顯示各個(gè)現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。畫面的設(shè)計(jì)從總到分，漸分漸細(xì)．直到單一的具體設(shè)備的操作對話框。整個(gè)系統(tǒng)畫面有一個(gè)總的畫面即總圖．總圖是監(jiān)控起動(dòng)以后首先進(jìn)入各個(gè)子畫面．包括皮帶卸料小車的位置指示和操作．爐頂料倉料位指示等．它提供了安全檢查和分畫面進(jìn)入。同時(shí)畫面又按， 監(jiān)視和操作劃分為多個(gè)分畫面。流程畫面以直觀的圖形來形象化現(xiàn)場．又以顏色變化、文字信息等反映設(shè)備狀態(tài)變化。
畫面是以下面幾種方式為操作者提供監(jiān)視信息：
① 以顏色變化來反映設(shè)備狀態(tài)
通過顏色變化反映了卸料小車狀態(tài)：正常顏色表示停止；紅色表示運(yùn)行。閥門類顏色變化反映了三種狀態(tài)：正常顏色表示關(guān)閉；紅色表示打開；綠色表示故障。對于其他的信號點(diǎn)分為正常點(diǎn)與故障點(diǎn)兩種．正常點(diǎn)有信號時(shí)為紅色。無信號時(shí)為正常的顏色。故障點(diǎn)信號出現(xiàn)時(shí)為綠色閃爍，確認(rèn)后為綠色。故障信號消失時(shí)恢復(fù)回正常的顏色，以形象的圖形出現(xiàn)。
②除了顏色表示狀態(tài)以外，畫面還可采用更形象、逼真的動(dòng)畫表示狀態(tài)：如顯示料倉料位的動(dòng)態(tài)變化。
③以數(shù)字表示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的變化在畫面上．用數(shù)字準(zhǔn)確顯示實(shí)際的數(shù)據(jù)，如料倉料位等等。
④用文字顯示設(shè)備狀態(tài)如卸料小車的運(yùn)行狀態(tài)。
(2) 多級權(quán)限保證了系統(tǒng)的安全性系統(tǒng)
分配多個(gè)用戶．每個(gè)用戶有自己的用戶名、口令和權(quán)限。主要用戶有：
系統(tǒng)管理員：具有系統(tǒng)組態(tài)。管理的權(quán)限；操作人員：具有操作權(quán)限及報(bào)警確認(rèn)權(quán)限：工藝維護(hù)人員：具有參數(shù)設(shè)定、設(shè)備維護(hù)報(bào)表清零權(quán)限。
(3)報(bào)警及報(bào)警確認(rèn)
系統(tǒng)具有先進(jìn)的報(bào)警生成和管理系統(tǒng)．管理整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生、顯示和存儲(chǔ)報(bào)警信息，并可以讓有權(quán)限的用戶確認(rèn)報(bào)警。
為需要定義報(bào)警的變量定義報(bào)警功能。模擬量可以定義下述報(bào)警：
高高報(bào)警：
高報(bào)警：
低報(bào)警：
低低報(bào)警。
報(bào)警可以設(shè)置報(bào)警死區(qū)。發(fā)生報(bào)警時(shí)。將在報(bào)警線上對變量值進(jìn)行死區(qū)判斷處理
數(shù)字量報(bào)警的生成有以下幾種：
開報(bào)警：
關(guān)報(bào)警：
狀態(tài)變化報(bào)警。
根據(jù)需要．可對各種報(bào)警變量設(shè)置下列三種
報(bào)警優(yōu)先等級：
底：
中：
高：
報(bào)警匯總顯示。
在報(bào)警監(jiān)視畫面上顯示多張報(bào)警匯總表．每張表對應(yīng)一個(gè)報(bào)警區(qū)、多個(gè)報(bào)警區(qū)或一個(gè)系統(tǒng)。
報(bào)警匯總表的報(bào)警信息包括報(bào)警確認(rèn)欄、報(bào)警變量名、報(bào)警變量描述、報(bào)警值、報(bào)警狀態(tài)、報(bào)警進(jìn)入時(shí)間、報(bào)警上次進(jìn)入時(shí)間等多種重要信息。運(yùn)行時(shí)。報(bào)警顯示隊(duì)列按報(bào)警進(jìn)入時(shí)間排序，以不同的顏色顯示不同的報(bào)警狀態(tài)。
報(bào)警應(yīng)答：報(bào)警確認(rèn)都是在控制室進(jìn)行。根據(jù)需要。顯示其它節(jié)點(diǎn)上的相關(guān)報(bào)警信息，并可進(jìn)行報(bào)警應(yīng)答。報(bào)警的確認(rèn)分為三種方法：
確認(rèn)所有報(bào)警：報(bào)警確認(rèn)按鈕與報(bào)警匯總圖在一起(如圖2所示)，單擊該按鈕則應(yīng)答匯總表中的所有報(bào)警。
確認(rèn)單個(gè)報(bào)警：在報(bào)警匯總表中。通過雙擊報(bào)警匯總表上的確認(rèn)欄對相應(yīng)的報(bào)警進(jìn)行應(yīng)答。
確認(rèn)某個(gè)區(qū)域報(bào)警：在系統(tǒng)畫面的任務(wù)欄中制作多個(gè)按鈕。分區(qū)確認(rèn)報(bào)警。
2．4 PLC系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)
整個(gè)系統(tǒng)是通過采集4個(gè)轉(zhuǎn)爐的21個(gè)料倉的物位(圖3舉例說明的是系統(tǒng)3#爐的料位模擬量輸入接線圖)和各個(gè)設(shè)備的輸入輸出信號來進(jìn)行的。
操作工根據(jù)每個(gè)料倉的料位情況．輸送原料來配料．送料的整個(gè)過程和下料的過程是通過PLC來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。通過PLC輸出控制下料閥，提升機(jī)．卸料小車和皮帶機(jī)等現(xiàn)場設(shè)備。系統(tǒng)分為手、自動(dòng)切換。手動(dòng)時(shí)各個(gè)設(shè)備可以分別控制操作。
自動(dòng)方式執(zhí)行下料閥下料及提升機(jī)自動(dòng)提升下降。同時(shí)根據(jù)選擇的料倉。通過接近開關(guān)的檢測使得小車準(zhǔn)確停位。由于檢測判斷的和小車停位存在滯后。這樣我們在程序中加了位移算法。使得卸料小車通過點(diǎn)動(dòng)返回移位．很好地解決了停位精度問題。當(dāng)爐頂料倉料滿后。上料系統(tǒng)將自動(dòng)停止。操作員也可根據(jù)需要再次點(diǎn)擊“上料起動(dòng)”，此時(shí)提升機(jī)返回下極限位后結(jié)束動(dòng)作． 自動(dòng)停止上料系統(tǒng)
同時(shí)．根據(jù)工藝和操作要求系統(tǒng)必須滿足以下的聯(lián)鎖功能。我們在程序中加入了聯(lián)鎖程序。
A、轉(zhuǎn)運(yùn)料倉扇形閥與卷揚(yáng)機(jī)之間聯(lián)鎖
◆ 扇形閥關(guān)閉后。卷揚(yáng)機(jī)才能啟動(dòng)：
◆上料小車處于受料位(下極限位)，且卷揚(yáng)機(jī)停止時(shí)，扇形閥才能開啟。
B、卷揚(yáng)機(jī)與皮帶機(jī)之間的聯(lián)鎖
◆ 皮帶機(jī)啟動(dòng)后。卷揚(yáng)機(jī)才能提升。
C、皮帶機(jī)與卸料小車之間的聯(lián)鎖
◆ 卸料小車準(zhǔn)確停在料未滿的倉位后皮帶機(jī)才能啟動(dòng)：
◆ 皮帶機(jī)停止時(shí)．卸料小車才能運(yùn)行。
在上位機(jī)上點(diǎn)擊“解除聯(lián)鎖”按鈕．就可解除上述聯(lián)鎖 聯(lián)鎖解除后．在手動(dòng)時(shí)可單獨(dú)動(dòng)作。但在自動(dòng)上料模式下．解除聯(lián)鎖將不起作用。
本系統(tǒng)的模擬信號采用的是4—20MA信號．?dāng)?shù)字點(diǎn)采用0—10V信號。均為標(biāo)準(zhǔn)控制信號。
PLC[2，3]的應(yīng)用簡化了現(xiàn)場布線和接線的復(fù)雜程度，同時(shí)也增加了控制的準(zhǔn)確性，也為以后聯(lián)網(wǎng)和控制的擴(kuò)展提供了很好的接口
2．5 系統(tǒng)的編址
STEP7軟件地址的定義是以O(shè)表示輸出，I表示輸人．D表示數(shù)據(jù)塊。同時(shí)用B表示字節(jié)，D表示字，DW 表示雙字，DB1．DBX0．0表示位，DB1．DBB0表示字節(jié)(8位)，DB1．DBW0表示字(16位)，DB1．DBD0表示雙字(32位1。本系統(tǒng)根據(jù)不同的數(shù)據(jù)大小和功能我們對應(yīng)做了編址． 比如模擬量各倉當(dāng)前料位定義為DB1DBW0一DB1．DBW40，對應(yīng)的料位接近開關(guān)定義為DB1．DBX50．0一DB1．DBX50．5。
3 結(jié)束語
該系統(tǒng)的自動(dòng)控制水平較高，配置靈活，功能齊全．操作方便 系統(tǒng)投入運(yùn)行以后，滿足了生產(chǎn)的需要，提高了自動(dòng)化操作水平，實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)與卸料小車的遠(yuǎn)程遙控．減少了崗位工人，增加了經(jīng)濟(jì)效益
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