曹遠訓(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)自動化改造設(shè)計的控制系統(tǒng)的組成，OPC標準接口的設(shè)計，系統(tǒng)自動控制和過程監(jiān)視，參數(shù)計錄等進行綜述。實際運行表明，該系統(tǒng)投入運行后，實現(xiàn)了自動送料，減輕了員工的作業(yè)量，提高了企業(yè)經(jīng)濟效益。
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、大都采用手動操作、自動化程度低下。因而操作人員無法精確把握各種原料的給進量及相互之間的比例．無法及時調(diào)整各個料倉的料位，也無法及時判斷各個料倉的料位情況。這些因素都直接導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下．工人的勞動量大?；谏鲜鲈?。經(jīng)多方調(diào)研和深入研究．筆者開發(fā)設(shè)計了轉(zhuǎn)爐煉鋼散狀上料自動化系統(tǒng) 該系統(tǒng)對上料系統(tǒng)全部生產(chǎn)過程進行全面監(jiān)視、控制和管理，對所有生產(chǎn)過程參數(shù)進行實時監(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)過程實時參數(shù)．準確把握各個料倉的料位，并可及時安排各個料倉的上料情況。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)、集中控制級(一級機)和設(shè)備?；A(chǔ)自動化系統(tǒng)控制部分采用西門子S7—300系列PLC。主要負責(zé)對轉(zhuǎn)爐上料進行數(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?？勺畲蟪潭鹊販p少現(xiàn)場總線，減少現(xiàn)場的故障點。
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、卸料小車、卷揚機、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和擴展模塊之間的的高速(傳輸速率達到5Mit／sec)的確立性網(wǎng)絡(luò)．用于對時間有苛刻要求的應(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)．它由運行WINNT操作系統(tǒng)的計算機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成．計算機之間通過TCP／IP協(xié)議相聯(lián)系。計算機和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)信息集成標準．OPC采用客戶／服務(wù)~(Client／Server)模式。在沒有OPC技術(shù)以前。每個應(yīng)用程序都要為它所連接的設(shè)備提供相應(yīng)的驅(qū)動程序。但是現(xiàn)場設(shè)備的多種多樣．同時每個廠家采用的接口標準往往各不相同．這不僅增加了軟件設(shè)計者的負擔(dān)． 同時也讓軟件設(shè)計者有時束手無策。OPC的出現(xiàn)無疑解決了這個問題，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，將一個應(yīng)用程序(OPC服務(wù)器)作為一個對象封裝起來，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．提高軟件運行的可靠性和穩(wěn)定性，便于系統(tǒng)的升級與維護。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．從而實現(xiàn)系統(tǒng)的開放性，易于實現(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)計奠定了基礎(chǔ) 其具體實現(xiàn)方法為：采用OPC充當控制系統(tǒng)中二級機與管理層之間數(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接口與二級機上的Wincc6．0組態(tài)軟件的OPC服務(wù)器連接．進行過程數(shù)據(jù)的存取。當OPC作為基礎(chǔ)自動化設(shè)備的標準接口時．它代替了傳統(tǒng)的“I／O驅(qū)動器”來完成與現(xiàn)場設(shè)備的通信：當作為數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器時，實際上是一個I／O驅(qū)動器：當OPC服務(wù)器向二級機應(yīng)用程序提供標準接口時．使上層的應(yīng)用程序能夠取到OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)．從而實現(xiàn)了向上互聯(lián)。由于在本項目中采用了OPC技術(shù)．使得控制模型算法的實現(xiàn)可以以更低的價格、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)功能的具體實現(xiàn)
根據(jù)項目組的設(shè)計方案和設(shè)計要求．結(jié)合現(xiàn)場操作．該系統(tǒng)通過如下方法實現(xiàn)了這些功能。
2．1 工業(yè)型計算機作為監(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)型計算機作為監(jiān)視管理站。
同時．工業(yè)型計算機作為一個網(wǎng)點，通過以太網(wǎng)卡．與上一級計算機系統(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)．供進一步分析處理。
2．2 整個工程可以進行控制站的擴展。目前只設(shè)置一個控制站
PLC控制站均由CPU處理器、I／O卡、通訊板卡、電源組件、機架及控制程序組成。由于每個控制站的I／O點數(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 每個控制站不僅包括了所需點數(shù)，而且還包括有一定的裕量。對控制站能隨時擴展，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。各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合以用于擴展其在整個監(jiān)控過程中。能實時采集現(xiàn)場設(shè)備的運行情況及有關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時監(jiān)控、綜合管理、通迅預(yù)處理和擴展因特網(wǎng)支持實現(xiàn)的各項功能如下：
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)備運行動態(tài)顯示、設(shè)備的工況顯示；
歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)：
生成故障報警一覽表
2．3 上位機監(jiān)控和管理功能實現(xiàn)
上位計算機運行在WINDOWS2000環(huán)境下．負責(zé)整個輔助部分生產(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，可與其他網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)連接。同時通過OPC我們針對工藝流程做了相應(yīng)的算法設(shè)計。系統(tǒng)的主要操作界面如圖2所示：
操作畫面的主要特點如下：
(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)進行組織．流程圖上能顯示各個現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)及實時數(shù)據(jù)。畫面的設(shè)計從總到分，漸分漸細．直到單一的具體設(shè)備的操作對話框。整個系統(tǒng)畫面有一個總的畫面即總圖．總圖是監(jiān)控起動以后首先進入各個子畫面．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入。同時畫面又按， 監(jiān)視和操作劃分為多個分畫面。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。對于其他的信號點分為正常點與故障點兩種．正常點有信號時為紅色。無信號時為正常的顏色。故障點信號出現(xiàn)時為綠色閃爍，確認后為綠色。故障信號消失時恢復(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、逼真的動畫表示狀態(tài)：如顯示料倉料位的動態(tài)變化。
③以數(shù)字表示實時數(shù)據(jù)的變化在畫面上．用數(shù)字準確顯示實際的數(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)
分配多個用戶．每個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)限及報警確認權(quán)限：工藝維護人員：具有參數(shù)設(shè)定、設(shè)備維護報表清零權(quán)限。
(3)報警及報警確認
系統(tǒng)具有先進的報警生成和管理系統(tǒng)．管理整個系統(tǒng)產(chǎn)生、顯示和存儲報警信息，并可以讓有權(quán)限的用戶確認報警。
為需要定義報警的變量定義報警功能。模擬量可以定義下述報警：
高高報警：
高報警：
低報警：
低低報警。
報警可以設(shè)置報警死區(qū)。發(fā)生報警時。將在報警線上對變量值進行死區(qū)判斷處理
數(shù)字量報警的生成有以下幾種：
開報警：
關(guān)報警：
狀態(tài)變化報警。
根據(jù)需要．可對各種報警變量設(shè)置下列三種
報警優(yōu)先等級：
底：
中：
高：
報警匯總顯示。
在報警監(jiān)視畫面上顯示多張報警匯總表．每張表對應(yīng)一個報警區(qū)、多個報警區(qū)或一個系統(tǒng)。
報警匯總表的報警信息包括報警確認欄、報警變量名、報警變量描述、報警值、報警狀態(tài)、報警進入時間、報警上次進入時間等多種重要信息。運行時。報警顯示隊列按報警進入時間排序，以不同的顏色顯示不同的報警狀態(tài)。
報警應(yīng)答：報警確認都是在控制室進行。根據(jù)需要。顯示其它節(jié)點上的相關(guān)報警信息，并可進行報警應(yīng)答。報警的確認分為三種方法：
確認所有報警：報警確認按鈕與報警匯總圖在一起(如圖2所示)，單擊該按鈕則應(yīng)答匯總表中的所有報警。
確認單個報警：在報警匯總表中。通過雙擊報警匯總表上的確認欄對相應(yīng)的報警進行應(yīng)答。
確認某個區(qū)域報警：在系統(tǒng)畫面的任務(wù)欄中制作多個按鈕。分區(qū)確認報警。
2．4 PLC系統(tǒng)的功能實現(xiàn)
整個系統(tǒng)是通過采集4個轉(zhuǎn)爐的21個料倉的物位(圖3舉例說明的是系統(tǒng)3#爐的料位模擬量輸入接線圖)和各個設(shè)備的輸入輸出信號來進行的。
操作工根據(jù)每個料倉的料位情況．輸送原料來配料．送料的整個過程和下料的過程是通過PLC來自動實現(xiàn)的。通過PLC輸出控制下料閥，提升機．卸料小車和皮帶機等現(xiàn)場設(shè)備。系統(tǒng)分為手、自動切換。手動時各個設(shè)備可以分別控制操作。
自動方式執(zhí)行下料閥下料及提升機自動提升下降。同時根據(jù)選擇的料倉。通過接近開關(guān)的檢測使得小車準確停位。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動返回移位．很好地解決了停位精度問題。當爐頂料倉料滿后。上料系統(tǒng)將自動停止。操作員也可根據(jù)需要再次點擊“上料起動”，此時提升機返回下極限位后結(jié)束動作． 自動停止上料系統(tǒng)
同時．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)運料倉扇形閥與卷揚機之間聯(lián)鎖
◆ 扇形閥關(guān)閉后。卷揚機才能啟動：
◆上料小車處于受料位(下極限位)，且卷揚機停止時，扇形閥才能開啟。
B、卷揚機與皮帶機之間的聯(lián)鎖
◆ 皮帶機啟動后。卷揚機才能提升。
C、皮帶機與卸料小車之間的聯(lián)鎖
◆ 卸料小車準確停在料未滿的倉位后皮帶機才能啟動：
◆ 皮帶機停止時．卸料小車才能運行。
在上位機上點擊“解除聯(lián)鎖”按鈕．就可解除上述聯(lián)鎖 聯(lián)鎖解除后．在手動時可單獨動作。但在自動上料模式下．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．數(shù)字點采用0—10V信號。均為標準控制信號。
PLC[2，3]的應(yīng)用簡化了現(xiàn)場布線和接線的復(fù)雜程度，同時也增加了控制的準確性，也為以后聯(lián)網(wǎng)和控制的擴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)的自動控制水平較高，配置靈活，功能齊全．操作方便 系統(tǒng)投入運行以后，滿足了生產(chǎn)的需要，提高了自動化操作水平，實現(xiàn)皮帶機與卸料小車的遠程遙控．減少了崗位工人，增加了經(jīng)濟效益
參考文獻：
[1] 田超，吳敏．煉鋼綜合自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]．自動化與儀表．2005(6)：5—7．12．
[2] 西門子公司．SIMATIC S7 S7—300和S7-400語句表編程參考手冊[Z]
[3] 西門子公司．SIMATIC S7 S7—300和S7--400梯形邏輯圖編程參考手冊[Z]