基于現(xiàn)場(chǎng)總線小型水泥生產(chǎn)配料控制系統(tǒng)

      1 引言

　　目前我國(guó)中小型水泥廠在水泥生產(chǎn)中所占的比例不小，為達(dá)到節(jié)能降耗、提高質(zhì)量的目的，采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和智能模塊，設(shè)計(jì)一種低成本，可靠性高，易于維護(hù)，操作方便的新型微機(jī)配料系統(tǒng)，符合我國(guó)為數(shù)眾多的中小水泥企業(yè)的要求。為此，我們開發(fā)了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的小型水泥生產(chǎn)配料控制系統(tǒng)，并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。本系統(tǒng)不僅提高了生產(chǎn)的可靠性，提高了質(zhì)量，同時(shí)為水泥企業(yè)帶來(lái)了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

　　2 系統(tǒng)組成

　　整個(gè)控制系統(tǒng)由兩大部分組成——計(jì)算機(jī)和控制柜，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)將計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。配料控制計(jì)算機(jī)通過(guò)RS485通訊接口和電氣控制柜內(nèi)的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行通訊。RS485是一種簡(jiǎn)單的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的抗干擾性和可擴(kuò)展性，在微機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)RS232串口上插接光電隔離的RS232/RS485轉(zhuǎn)換模塊，就構(gòu)成了微機(jī)的RS485接口，采用這種通訊結(jié)構(gòu)后，微機(jī)和它所控制的設(shè)備只有簡(jiǎn)單的總線連接，避免了將過(guò)多的連線引入微機(jī)造成的干擾，配料控制計(jì)算機(jī)可采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)或通用型微機(jī)。

　　在總線式工控機(jī)中，STD總線已較少實(shí)用，PC總線工控機(jī)價(jià)格便宜，軟件、硬件開發(fā)環(huán)境好、用戶界面好等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用，影響極大，使PC總線成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)總線。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)使用工業(yè)級(jí)電源，采用密封機(jī)箱、正壓送風(fēng)技術(shù)，用橡膠墊作防震緩沖，采用模塊化結(jié)構(gòu)，同時(shí)配置了能適應(yīng)工業(yè)控制要求的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，對(duì)工控領(lǐng)域的吸引力是很大。因此本系統(tǒng)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為過(guò)程控制計(jì)算機(jī)。

　　圖1 基于總線的微機(jī)配料控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

　　選擇模塊作為檢測(cè)與控制信號(hào)方式時(shí)，模擬信號(hào)檢測(cè)采用IOM4017L模塊，電磁振動(dòng)給料機(jī)和開門電機(jī)等由IOM4050控制。

　　IOM4017L是便攜的、模擬量檢測(cè)到計(jì)算機(jī)的接口單元，用于模擬量的檢測(cè)。IOM4050是開關(guān)量到計(jì)算機(jī)的接口單元，用于開關(guān)量的輸出如電動(dòng)機(jī)起停、開關(guān)門等。它們都具有抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。內(nèi)置微處理器，只需二根導(dǎo)線通過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò)與控制主機(jī)相互通訊，基于ASCⅡ碼的命令/底層協(xié)議，可以用高級(jí)語(yǔ)言編寫應(yīng)用程序，且可以使用組態(tài)軟件如INTONCH、FIX等組態(tài)成為各種監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。模塊的地址存儲(chǔ)在模塊的EEPROM中，可由控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行修改，內(nèi)置看門狗功能，保證可靠運(yùn)行。

　　使用多個(gè)模塊可以方便的構(gòu)成RS485網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可串接255個(gè)模塊，最大傳輸距離為1200米，該網(wǎng)絡(luò)通過(guò)RS232/RS485轉(zhuǎn)換即連到主計(jì)算機(jī)。

　　3 系統(tǒng)功能

　　所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要求成本低廉，可靠性高，易于使用和維護(hù)，容易為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員接受，便于推廣應(yīng)用。為此，該系統(tǒng)具備如下功能：

　　1）數(shù)據(jù)顯示、編輯和統(tǒng)計(jì)功能：可顯示、編輯臺(tái)時(shí)、配比、調(diào)整系統(tǒng)和皮重；對(duì)班產(chǎn)量、日產(chǎn)量、月產(chǎn)量和年產(chǎn)量自動(dòng)進(jìn)行累計(jì)。

　　2）工況圖動(dòng)態(tài)顯示：如電振機(jī)的振動(dòng)，電機(jī)的開關(guān)門，出料，動(dòng)作過(guò)程真實(shí)生動(dòng)，且有文字提示。

　　3）檢測(cè)與故障診斷功能：如料位檢測(cè)、軸溫檢測(cè)與磨機(jī)故障診斷；自動(dòng)識(shí)別缺料、卡秤，啟動(dòng)報(bào)警并全線自動(dòng)停機(jī)，屏幕指示故障內(nèi)容。

　　4）磨機(jī)負(fù)荷、鈣鐵儀在線專家控制功能。

　　5）計(jì)算機(jī)輔助標(biāo)秤功能和方便的手動(dòng)控制功能，操作方便準(zhǔn)確可靠。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　微機(jī)配料系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于水泥廠的生熟料配料，早期開發(fā)的配料系統(tǒng)的微機(jī)采用DOS操作系統(tǒng)，由C語(yǔ)言開發(fā)。隨著Windows 操作系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，我們用Visual C++對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。微機(jī)配料系統(tǒng)采用單文檔界面，使用靜態(tài)鏈接庫(kù)，形成一個(gè)可執(zhí)行文件。

　　監(jiān)控的“實(shí)時(shí)”要求由定時(shí)器方法實(shí)現(xiàn)，定時(shí)時(shí)間為0.5秒。每個(gè)周期完成數(shù)據(jù)通訊、輸入輸出檢測(cè)、控制算法、輸出刷新、報(bào)警輸出、畫面顯示操作。數(shù)據(jù)通訊的實(shí)現(xiàn)采用多線程。命令及數(shù)據(jù)的輸入由Windows操作系統(tǒng)提供的命令及數(shù)據(jù)輸入方法實(shí)現(xiàn)。菜單功能實(shí)現(xiàn)命令輸入，如運(yùn)行、暫停、打印等，對(duì)話框用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入。使用位圖進(jìn)行工況圖的顯示，通過(guò)周期調(diào)用不同畫面產(chǎn)生動(dòng)畫效果，圖2為工況圖的動(dòng)畫效果圖。

圖2 工況圖動(dòng)畫效果圖

　　磨機(jī)負(fù)荷的控制采用模糊與專家系統(tǒng)相結(jié)合的控制方法，由專家系統(tǒng)確定模糊參數(shù)，模糊算法確定下料量的大小。使用的模糊控制主要函數(shù)有：模糊化void fuzzylize ；模糊規(guī)則推理 void fuzzyRule；反模糊化void refuzzylize ；模糊化修正void modifyFuzzy等。使用的專家控制主要函數(shù)有：推理函數(shù)int what（struct TREE ＊root，char ＊relate，char ＊name1，char ＊name2）； 規(guī)則匹配int matchRule（struct TREE ＊root，char ＊relate，char ＊name1，char ＊name2）；事實(shí)查找struct FACT ＊factFind（char ＊relate，char ＊name1，char ＊name2）。

　　5 用OPC接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換

　　OPC（OLE for Process Control）是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用Client/Server模式，OPC軟件的開發(fā)包括OPC Server軟件和OPC Client軟件的開發(fā)。

　　VB中的OPC自動(dòng)化接口為OPC Client軟件的編制提供了方便快捷的編程方式，本系統(tǒng)的智能控制VB軟件按Client模式編寫OPC接口軟件。OPC Client軟件必須能實(shí)現(xiàn)與OPC Server的連接、斷開，必須理解OPC服務(wù)器各對(duì)象間的相互關(guān)系。OPC 服務(wù)器包括三類對(duì)象：服務(wù)器（Server）、組（Group）和數(shù)據(jù)項(xiàng)（Item）。

　　圖3 OPC Server開發(fā)工具包使用流程圖

　　5.1 OPC 服務(wù)器與 OPC 客戶的通信機(jī)制

　　OPC 客戶要連接到 OPC服務(wù)器上，并建立OPC組和OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)。為了訪問(wèn)過(guò)程數(shù)據(jù)，OPC客戶需要事先指定計(jì)算機(jī)名、OPC數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)器名和該服務(wù)器提供的的OPC項(xiàng)的定義。

　　客戶通過(guò)對(duì)其建立的OPC組與OPC項(xiàng)進(jìn)行訪問(wèn)實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，客戶選擇設(shè)備Device作為其訪問(wèn)的數(shù)據(jù)源。客戶的過(guò)程數(shù)據(jù)訪問(wèn)包括過(guò)程數(shù)據(jù)的讀取、寫入等，過(guò)程數(shù)據(jù)的讀/寫采用同步讀/寫。

　　5.2 OPC服務(wù)器應(yīng)用程序的編制

　　服務(wù)器程序的編寫需調(diào)用工具包接口，其流程圖如圖3所示。

　　5.3 OPC客戶應(yīng)用程序的編制

　　客戶端和服務(wù)器的交互主要分為：創(chuàng)建并連接服務(wù)器對(duì)象；添加組、項(xiàng)；進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作?？蛻舳薕PC接口及控制程序流程如圖4所示。

　　圖4 客戶端程序流程圖

　　6 故障診斷規(guī)則

　　為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，本系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，增加了故障診斷功能，主要依據(jù)原則如下：電振機(jī)溢料：當(dāng)計(jì)算機(jī)控制電磁振動(dòng)給料機(jī)的信號(hào)為0時(shí)（停止電振動(dòng)機(jī)振動(dòng)）電振機(jī)繼續(xù)下料，即為電振機(jī)溢料，主要表現(xiàn)為控制為0，壓力檢測(cè)信號(hào)不斷增加，故障原因：①可控硅擊穿②電振機(jī)故障③輸出板故障。

　　電振機(jī)卡料：當(dāng)計(jì)算機(jī)控制電磁振動(dòng)給料信號(hào)有輸出（不為0）時(shí)，電磁振動(dòng)給料機(jī)不振。主要表現(xiàn)為：當(dāng)電振機(jī)控制有信號(hào)時(shí)，重量檢測(cè)不變。故障原因?yàn)椋孩倏煽毓鑹?；②電振機(jī)故障；③輸出板故障；④重量檢測(cè)電路故障。

　　料斗溢料：電機(jī)關(guān)門未能關(guān)閉。主要表現(xiàn)為重量為皮重量。故障原因：①電機(jī)關(guān)門裝置壞；②繼電器壞；③檢測(cè)板壞。

　　料斗卡料：電機(jī)不能開門。主要表現(xiàn)為重量不能減少。故障原因：①電機(jī)開門裝置壞；②繼電器壞；③檢測(cè)板壞

　　超時(shí)：指在規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)不能完成全部配料程序使周期加長(zhǎng)。原因：電振機(jī)振幅太小，臺(tái)時(shí)太大，而使給料時(shí)間太長(zhǎng)。

　　故障停：①量程達(dá)到滿刻度，如A/D輸入0-5V，當(dāng)輸入大于等于5V時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換值不能反映實(shí)際重量。②量程超過(guò)一定限度，如小斗最多稱100公斤，當(dāng)達(dá)到此值時(shí)，③長(zhǎng)時(shí)間不能完成本周期，若每周期20秒，當(dāng)60秒未完成，則停機(jī)。

　　7 結(jié)束語(yǔ)

　　本控制系統(tǒng)已在多家小水泥廠應(yīng)用，實(shí)踐表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了控制功能要求，穩(wěn)定性良好，控制可靠、監(jiān)控操作靈活便捷、功能完善。另外，由于系統(tǒng)增加了許多功能，如顯示歷史數(shù)據(jù)、故障報(bào)警、打印等，使操作人員能很快發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)當(dāng)中發(fā)生的故障，縮短了處理故障時(shí)間，提高了工藝管理水平，勞動(dòng)強(qiáng)度明顯減少，為企業(yè)帶來(lái)了顯著的效益。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)為：提出了一種基于總線的低成本水泥微機(jī)配料系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，同時(shí)具有故障診斷功能。

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