基于現(xiàn)場總線小型水泥生產(chǎn)配料控制系統(tǒng)

      1 引言

　　目前我國中小型水泥廠在水泥生產(chǎn)中所占的比例不小，為達到節(jié)能降耗、提高質(zhì)量的目的，采用現(xiàn)場總線技術(shù)和智能模塊，設(shè)計一種低成本，可靠性高，易于維護，操作方便的新型微機配料系統(tǒng)，符合我國為數(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)場總線的小型水泥生產(chǎn)配料控制系統(tǒng)，并應(yīng)用于實際生產(chǎn)。本系統(tǒng)不僅提高了生產(chǎn)的可靠性，提高了質(zhì)量，同時為水泥企業(yè)帶來了明顯的經(jīng)濟效益。

　　2 系統(tǒng)組成

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

　　在總線式工控機中，STD總線已較少實用，PC總線工控機價格便宜，軟件、硬件開發(fā)環(huán)境好、用戶界面好等優(yōu)點而得到廣泛的應(yīng)用，影響極大，使PC總線成為事實上的標準總線。工業(yè)控制計算機使用工業(yè)級電源，采用密封機箱、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)，同時配置了能適應(yīng)工業(yè)控制要求的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，對工控領(lǐng)域的吸引力是很大。因此本系統(tǒng)采用工業(yè)控制計算機作為過程控制計算機。

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

　　選擇模塊作為檢測與控制信號方式時，模擬信號檢測采用IOM4017L模塊，電磁振動給料機和開門電機等由IOM4050控制。

　　IOM4017L是便攜的、模擬量檢測到計算機的接口單元，用于模擬量的檢測。IOM4050是開關(guān)量到計算機的接口單元，用于開關(guān)量的輸出如電動機起停、開關(guān)門等。它們都具有抗干擾能力強，可靠性高，傳輸距離遠等特點。內(nèi)置微處理器，只需二根導(dǎo)線通過RS485網(wǎng)絡(luò)與控制主機相互通訊，基于ASCⅡ碼的命令/底層協(xié)議，可以用高級語言編寫應(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)。模塊的地址存儲在模塊的EEPROM中，可由控制計算機進行修改，內(nèi)置看門狗功能，保證可靠運行。

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

　　3 系統(tǒng)功能

　　所設(shè)計的系統(tǒng)要求成本低廉，可靠性高，易于使用和維護，容易為現(xiàn)場運行人員接受，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)計功能：可顯示、編輯臺時、配比、調(diào)整系統(tǒng)和皮重；對班產(chǎn)量、日產(chǎn)量、月產(chǎn)量和年產(chǎn)量自動進行累計。

　　2）工況圖動態(tài)顯示：如電振機的振動，電機的開關(guān)門，出料，動作過程真實生動，且有文字提示。

　　3）檢測與故障診斷功能：如料位檢測、軸溫檢測與磨機故障診斷；自動識別缺料、卡秤，啟動報警并全線自動停機，屏幕指示故障內(nèi)容。

　　4）磨機負荷、鈣鐵儀在線專家控制功能。

　　5）計算機輔助標秤功能和方便的手動控制功能，操作方便準確可靠。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　微機配料系統(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)的微機采用DOS操作系統(tǒng)，由C語言開發(fā)。隨著Windows 操作系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，我們用Visual C++對原系統(tǒng)進行了重新設(shè)計。微機配料系統(tǒng)采用單文檔界面，使用靜態(tài)鏈接庫，形成一個可執(zhí)行文件。

　　監(jiān)控的“實時”要求由定時器方法實現(xiàn)，定時時間為0.5秒。每個周期完成數(shù)據(jù)通訊、輸入輸出檢測、控制算法、輸出刷新、報警輸出、畫面顯示操作。數(shù)據(jù)通訊的實現(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)輸入方法實現(xiàn)。菜單功能實現(xiàn)命令輸入，如運行、暫停、打印等，對話框用來進行數(shù)據(jù)的輸入。使用位圖進行工況圖的顯示，通過周期調(diào)用不同畫面產(chǎn)生動畫效果，圖2為工況圖的動畫效果圖。

圖2 工況圖動畫效果圖

　　磨機負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）；事實查找struct FACT ＊factFind（char ＊relate，char ＊name1，char ＊name2）。

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

　　OPC（OLE for Process Control）是一個工業(yè)標準，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軟件必須能實現(xiàn)與OPC Server的連接、斷開，必須理解OPC服務(wù)器各對象間的相互關(guān)系。OPC 服務(wù)器包括三類對象：服務(wù)器（Server）、組（Group）和數(shù)據(jù)項（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。為了訪問過程數(shù)據(jù)，OPC客戶需要事先指定計算機名、OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器名和該服務(wù)器提供的的OPC項的定義。

　　客戶通過對其建立的OPC組與OPC項進行訪問實現(xiàn)對過程數(shù)據(jù)的訪問，客戶選擇設(shè)備Device作為其訪問的數(shù)據(jù)源?？蛻舻倪^程數(shù)據(jù)訪問包括過程數(shù)據(jù)的讀取、寫入等，過程數(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)器對象；添加組、項；進行數(shù)據(jù)的讀寫操作。客戶端OPC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

　　為了及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，本系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，增加了故障診斷功能，主要依據(jù)原則如下：電振機溢料：當計算機控制電磁振動給料機的信號為0時（停止電振動機振動）電振機繼續(xù)下料，即為電振機溢料，主要表現(xiàn)為控制為0，壓力檢測信號不斷增加，故障原因：①可控硅擊穿②電振機故障③輸出板故障。

　　電振機卡料：當計算機控制電磁振動給料信號有輸出（不為0）時，電磁振動給料機不振。主要表現(xiàn)為：當電振機控制有信號時，重量檢測不變。故障原因為：①可控硅壞；②電振機故障；③輸出板故障；④重量檢測電路故障。

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

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

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

　　故障停：①量程達到滿刻度，如A/D輸入0-5V，當輸入大于等于5V時，A/D轉(zhuǎn)換值不能反映實際重量。②量程超過一定限度，如小斗最多稱100公斤，當達到此值時，③長時間不能完成本周期，若每周期20秒，當60秒未完成，則停機。

　　7 結(jié)束語

　　本控制系統(tǒng)已在多家小水泥廠應(yīng)用，實踐表明，該系統(tǒng)實現(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)、故障報警、打印等，使操作人員能很快發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)當中發(fā)生的故障，縮短了處理故障時間，提高了工藝管理水平，勞動強度明顯減少，為企業(yè)帶來了顯著的效益。

　　本文作者創(chuàng)新點為：提出了一種基于總線的低成本水泥微機配料系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實用性強，同時具有故障診斷功能。

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