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1 概述
随着网络技术的发展,现场总线技术不断在信钢450m3、600m3 高炉自动控制系统中使用,它使用一类传输介质将分散的现场设备连接到中央控制或管理系统。
我公司600m3 高炉自动控制系统中,由槽下上料系统、高炉本体、热风、布袋四个站点组成,炉顶配有意大利产型旋转编码器。该套系统电器设计分部区域广、阀门多、煤气区域易燃易爆的特点不容忽视,在此采用数字量、模拟量、即输入输出点进入站点模块,通过一根总线传入主控室PLC,以此来控制各阀门及电机动作,该套系统采用德国西门子400PLC系统和PROFIBUS - DP工业现场总线技术,实现了高炉自动化控制。
2 PROFIBUS -DP总线通信原理及系统组成
PROF IBUS由三个部分组成即PROF IBUS -DP(分布式外围设备) 、PROF IBUS - PA (过程自动化) 、PROFIBUS - FMS (现场总线报文规范)。
600m3 高炉采用PROF IBUS -DP是一种高速低成本通信,用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。使用PROF IBUS - DP可取代24VDC或4～20mA信号传输。它定义了层为物理层,第二层为数据链路层提供总线存取控制和保证数据的可靠性。其用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能,这为系统兼容提供了便利,便于调试和维护。
在600m3 高炉控制系统中, PROF IBUS -DP采用的是单独供电的总线设备,每站点有自己的稳压电源,如果网络节点电源不稳,通信若隐若现甚至彻底消失时,系统会启动旁路功能以避免对其他接点的影响。炉顶槽下、热风、布袋及高炉本体以站点形式挂在总线上,信号通过总线传送到主控室的PLC,每台总线设备必须有一个唯一的网络地址和物理设备位号,当有站点出现故障时,通过主控室PLC可以诊断出具体站点,实现对各站点的检测。
3 600m3 高炉系统软件硬件的组成
系统硬件:
( 1 ) 集成了DP 接口的西门子400PLC(CPU414 -2DP) 。
(2)两台西门子OSM交换机用于各站点之间的数据通信。
(3)插有工业以太网卡的(CP1613通讯卡)的计算机。
(4) ET200M的主站模块。
(5) 数字量模拟量输入输出模块(D I/DO,AI/AO)。
(6)工作站6台研华工控机。
系统软件配置:
(1) 在这套系统中,控制基本上由集中的PLC完成。在PLC软件控制中要对外部的总线结构进行硬件组态,让系统识别总线结构,各站点有自己的逻辑地址,分别挂在哪条总线上,采用的总线协议方式及速率、产品类型等进行具体组态设置。PLC程序在上位机的编程工具STEP7V5.3中组态后进行编译,编译通过后下载到CPU414 -2DP,并存储其中,CPU414可自动运行该程序,根据程序内容读取总线上的所有I/O 模块的状态字,控制硬件设备。
(2 ) 上位机监控软件为西门子公司的Wincc610,它基于Windows的对象链接和嵌入,部件对象模型和分布式部件对象模型技术,并创建一开放式接口,具有良好的图形界面和人机交互性,系统在成熟的bbbbbbs2000下运行。
利用总线在监控画面中实现功能如下:
(1)控制操作
在控制室能对被控设备进行在线实时控制,如启停阀门设备,调节上料种类,设定物料重量等。并能够在现场限位开关或雷达料位计等发生故障时,模拟到位信号,使上料正常进行,在线设
定PLC的某些参数。上位机是总线上的一个站点,与PLC进行实时通信。
(2)显示功能
在画面中通过编程实现模拟显示整个高炉系统各阀门实际动作状况,以及现场的仪表温度、压力、重量、状态参数等。各阀门位置指示用不同颜色指示开到位、关到位、正在开或关等。
(3)数据管理
依据不同的运行参数的变化和重要程度,建立生产历史数据库,存储生产原始数据,供统计分析使用。如料批记忆可记录每批料实际的料种、料重、上料时间等。可从中得出一些有用的经验参数,改进工艺,使生产效益越来越好。
(4)报警功能
可根据不同的需要发出不同等级的报警,通过画面闪烁报警,并用文字提示,对快速确认故障,排除故障起到很好的作用。利用总线模块诊断功能,可直观的看到现场站点故障报警状态。
4 总线诊断方式
在高炉自动化系统中,即使一个站点一旦出现故障也将严重影响上料,造成减风、休风,因此快速诊断故障尤为重要。利用0B块把CPU中的硬件信息读出来,如OB86为机架故障组织块,当扩展机架、DP主站系统、分布式I/O中从站故障时,CPU的操作系统调用OB86。在OB86组织块中编写程序,把CPU中的故障代码读出放入数据库中,根据数据库中的代码意义,可诊断出总线上站点故障。
5 结束语
在高炉自动化系统中,生产条件特别复杂,设备区域分布多,造成电气自动控制系统故障率高,
维护量大的缺点。而该网在本项目的运用中避免了大量点对点的电缆敷设,降低了线路敷设的难度和施工的复杂性,其实时性远远高于其它局域网,因而特别适用于工业现场。
iCAN实验室为基于CAN-bus的现场总线实验室。iCAN实验室由基于iCAN协议的分布式教学实验平台组成，iCAN协议为基于CAN-bus的应用层协议，具有简单可靠的特点。 | |
iCAN实验室硬件平台 | |
| iCAN教学实验平台(运动控制功能)iCAN教学实验平台 (数据采集功能)iCAN教学实验平台 (温度处理功能) | |
iCAN实验室软件平台 | |
| CAN-bus教学课件；iCAN协议规范；ZLG VCI通用接口；ZLG CANalyst分析软件；ZOPC_Server ；iCANAPI协议库；ZLGCANTest工具软件iCAN test工具软件； | |
iCAN实验室能够完成的课题项目主要如下所列 | |
| CAN-bus 现场总线原理与应用；CAN-bus高层协议设计；iCAN协议规范与应用组态环境与开发（工业测控平台）；特定功能的CAN-bus应用模型测试平台（控制模型仿真）；传感器与智能仪表技术； | |
| 现场总线DeviceNet实验室 | |
DeviceNet实验室为基于DeviceNet协议规范的CAN-bus现场总线实验室。DeviceNet实验室由基于DeviceNet的分布式教学实验平台组成。 | |
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DeviceNet实验室硬件平台 | |
| DeviceNet教学实验平台 | |
DeviceNet实验室软件平台 | |
| CAN-bus教学课件；DeviceNet协议规范原理与应用；ZLG VCI通用接口；ZOPC_Server ；DeviceNetAPI协议库；ZLGCANTest工具软件DeviceNet test工具软件； | |
DeviceNet实验室能够完成的课题项目主要如下所列 | |
| CAN-bus 现场总线原理与应用；CAN-bus高层协议设计；DeviceNet协议规范原理与应用；DeviceNet网络组态环境与开发（工业测控平台）；DeviceNet应用模型测试平台（控制模型仿真）；传感器与智能仪表技术 | |
| CANStarter-III现场总线教学开发平台 | |
CANStarter-III现场总线教学开发平台向学习用户展示了一个具体而微的现场总线系统。分别从主站控制器，从站资源节点，协议的构建，模块通信，整体系统构建，系统应用，扩展应用等几个关键方面深入浅出地阐述了现场总线的机理及应用。 | |
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图3.1 CANstarter-III现场总线教学开发平台系统结构 | |
CANStarter-III现场总线教学开发平台包括 | |
| 基于ARM7/ARM9的现场总结CAN-bus网络主控节点开发基于80C51的现场总线iCAN数据采集控制节点基于PC的现场总线iCAN监控节点现场总线iCAN协议的教学与应用 | |
| ZLG现场总线电梯模型 | |
ZLG现场总线电梯模型采用高效，实时，安全的CAN-bus作为系统控制总线，是针对大中专学校实验室，科研院所推出的现场总线教学应用系统之一。 | |
| | 控制方式系统结构特点继电器逻辑控制系统易出故障维护不方便运行寿命短占用空间大线路复杂基本已不采用PLC集中控制系统由一个主控器完成整个系统的控制主控制器负荷重，灵活性和实时性不高配线需要大量电缆安装，维护成本高CAN总线分布式微机控制系统整个系统由主控制器和分布控制器共同完成灵活性和实时性高便于控制和维护配线简单系统抗干扰能力强 |
电梯模型各部分组成 | |
| 电梯主控制箱楼层召唤器电梯轿箱控制器梯门检测与防夹电机传动控制现场总线教材与监控软件 | |
ZLG电梯模型不但在机械结构上可以模拟真实电梯功能，激发学生兴趣，更在软件方面给学生完整的剖析了整个电梯系统的灵魂——控制协议，还在应用上给学生留下了广阔的应用想象空间，任由学生创造发挥，培养新一代机电一体化综合人才。 | |
一、 项目简介
能源消耗是企业产品成本中重要的可控部分，降低能源消耗是企业降低成本的重要途径。烟草行业向来是耗能大户，随着国外先进技术和成套设备的大量引进，卷烟生产从过去的低速手工生产发展到高速全自动生产，对能源的需求越来越大，因此降低能源的损耗、合理调配能源将直接提高其生产效益。将军烟草集团有限公司成立于1993年，位于山东省济南市，是一家以烟草为主业、多元化经营的跨地区、跨行业、跨国界的企业集团。其核心企业济南卷烟厂拥有目前世界上先进的卷烟设备及行业技术中心。公司现有员工5000 余人，总资产 73 亿元，是全国烟草行业 36 家重点企业之一。
本能源监测系统主要用来对济南卷烟厂各部门的能源消耗情况进行监测、统计、报表和打印等。本系统的主要监测量包括全厂各部门的电、水、蒸汽、空压气等相关的参数。
二、 系统介绍
本系统由能源统计办公室、锅炉操作室和设备管理处组成三层能源监测管理系统。通过分布于全厂各个车间的传感器将蒸气、空压气、水量和电量233个点的参量采集到服务器中，锅炉操作室和设备管理处负责对实时参数和设备的监测；能源统计办公室实现数据的实时显示、能源消耗的当日和当月累积显示、累积量的日、月、时段数据的查询以及报表打印。统计办公室的能源监测评估程序完成班次的各项指标考核任务，对厂内的能源供应部门的投入、产出及能源使用用户单位的耗能情况进行统计分析，成本核算等，为提高厂内能源管理使用水平提供了可信依据。
本系统CPU主站选用Siemens 的SimaticS7-400的CPU414-2DP和S7-300的CPU314，400PLC主站配置9个ET200M子站。CPU414-2DP集成MPI通讯口和Profibus-DP通讯口，各子站与400PLC主站采用Profibus-DP方式相连，这样可在保证数据采集性能要求的前提下使硬件费用达到低；同时400PLC主站通过MPI接口与上位机实现通讯。300PLC主站通过MPI接口与上位机实现通讯。采用SimaticWinCC作为上位监控软件，采用VB6.0编辑统计办公室的能源监测评估程序 。
系统清单如下表
三、 控制系统构成
1．系统的结构：系统配置如图1所示。
图1 能源管理监测系统图
本系统共分为三大部分：上位监控中心、PLC主站、PLC从站。上位机由一台服务器和三台客户机组成。把服务器并入了企业网，这样，客户机的扩展变的异常容易和简单：只需把计算机并入局域网，然后进行简单的设置就可以作为一台客户机使用。400PLC主站通过MPI协议与服务器相连。MPI可用于单元级和现场级，用它可以非常经济的连接少数站。400主站与其子站之间通过ProfibusDP相连。这种组网方式可在保证数据采集性能要求的前提下，使硬件费用达到低。数据采集过程大体如下：现场传感器的输出信号由各站信号模板采集、转化为相应的数字信号然后通过通讯模块送到400PLC主站，400PLC主站把各站送来的数据按要求进行各种运算、处理后通过MPI网络传到服务器。客户机和服务器之间通过OPC方式进行数据的传递。
2．软件设计
本系统PLC主站、PLC从站的编程使用STEP7编写，实现PLC对过程数据的初步处理；上位机监控使用SIMATICWinCC编写服务器软件（WinCC Server）和客户端软件（WinCCClient），实现数据的实时显示、能源消耗的当日和当月累积显示、累积量的日、月、时段数据的查询以及报表打印；统计办公室的能源监测评估程序采用VisualBasic 6.0 语言编写，完成班次的各项指标考核任务。
（1）PLC主站程序：该程序包括6个OB块、20个FC块、15个DB块，完成对现场采集到的空压气、水蒸汽、电量和水量的数据的处理（包括蒸汽流量补偿和蒸汽温度计算），并记录各个变量的累积量。主程序（组织块OB1）流程图如下：
图3 主程序（组织块OB1）流程图
（2）上位机WinCC程序：根据客户的要求，使用WinCC编写友好的上位机人机界面。如下图：
图2 上位机空压气分布界面
3．统计办公室能源监测评估程序设计方案的选择
能源监测评估程序是用VB6.0开发的应用程序，安装在统计办公室的客户机上，要对各个部门进行月结考核，并据此进行奖金的评定。程序需要记录锅炉房、空压站、薄片车间、总配电室的70多个量的变化并进行相应的数据处理来实现对各部门各班次工人的考核，同时需要计算生产成本并打印详细月报表等，工作量十分大。在实践中，先后使用了以下几种方案实现程序和服务期间的通讯。
（1）方案一：使用VB6.0开发一个OPC客户端应用程序，利用该程序与服务器进行通讯。
缺点：客户端程序中没有实现较为完善的容错和故障诊断功能，当服务器出现短暂错误时造成OPC连接中段，造成死机。
（2）方案二：在客户端中加入诊断程序，通过不断连接服务器来判断服务器是否出现故障，若服务器状态不正常便重新启动该系统软件，实现故障的诊断和处理。
缺点：客户机与服务器频繁的连接与断开，造成服务器资源消耗大。
（3）方案三：OPC通讯分成两部分：部分，在客户机上开发一个小型的WinCC客户端应用程序，利用WinCC内部集成的OPC接口进行服务器和客户机之间的数据传输；第二部分，利用VB6.0开发一个OPC客户端应用程序，实现该程序与客户机上的WinCC进行通讯。
优点：使用WinCC内部集成的OPC接口进行服务器和客户机之间的数据传输，有较好的稳定性和较完善的故障诊断与处理，彻底避免死机。
（4）方案选择：鉴于以上几种方案的优缺点，选择第三种方案。如图3所示。
图3 方案三示意图
四、 控制系统完成的功能
1．系统主要功能
本系统主要用于采集各生产车间的蒸气、空压气、水量和电量四种参数进行统计计算，为生产安排提供数据依据。具体功能如下：
(1)实时显示：本系统包括五部分工况图实时显示生产参数，包括系统总工况图、制丝车间工况图、卷接包车间工况图、能源动力车间工况图、非生产部门工况图。
（2）状态曲线：显示各车间采集数据的状态曲线，包括总量、制丝车间、卷接包车间、能源动力和非生产等部门所采集数据瞬时变化趋势。
（3）统计计算：将要考核的各部门的当前半小时库中的数据进行整理、统计、生成8小时数据库和天数据库。
（4）统计报表：将各部门的数据按要求显示报表
（5）参数设置：对本系统用到的参数进行设置，包括：班次参数、班次表、口令设置和曲线参数设置。
2．项目中的技术难点
用户需要记录锅炉房，空压站，薄片车间，总配电室的70多个量的变化并进行相应的数据处理，有多种复杂报表输出要求：日报、旬报、月报、季报、年报，同时各种报表格式也不尽相同，这在wincc实现起来较为复杂，故考虑采用VB的灵活方便报表制作功能。在选择的方案中，WinCC.Client的角色非常特殊，它对于WinCC。Server来说是客户端，而对于能源管理软件来说则成了服务器端。
五、 结束语
本系统已经投入使用，系统运行可靠稳定，提高了数据的可靠性、正确性和计算准确率，减少了由于人为计算不准确和误差造成的损失。并且极大的节约了人员，减轻了实际操作人员的计算负担，并取得了良好的社会效益和经济效益