一種在真空熔煉爐應(yīng)用的微機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李明++趙輝++李楠

摘 要：文章介紹了計算機技術(shù)在國內(nèi)工廠設(shè)備中的應(yīng)用與實現(xiàn)，詳細闡述了如何對原有純手動控制設(shè)備進行升級與改造，進而推動工廠的設(shè)備自動化水平，提高了生產(chǎn)效率和管理水平。

關(guān)鍵詞：計算機；組態(tài)王；數(shù)字量；模擬量；計數(shù)模塊

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）27-0107-02

1 概述

目前，國內(nèi)計算機技術(shù)發(fā)展極其迅速，它們的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，在大型工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，紛紛采用計算機技術(shù)實現(xiàn)工藝生產(chǎn)過程的監(jiān)視與控制，以達到優(yōu)化的生產(chǎn)和管理，獲得高的成品率和經(jīng)濟效益。為推動寶雞有色金屬加工廠的設(shè)備自動化水平，研制六噸真空自耗電弧爐計算機監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對六噸真空自耗電弧爐進行數(shù)據(jù)實時采集、實時記錄、實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行工藝分析及打印等功能。為提高真空熔煉鑄錠的產(chǎn)品質(zhì)量，提供了可靠、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)源。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件組成

生產(chǎn)現(xiàn)場需檢測的參數(shù)共28個，其中模擬量16個，接入西門子331-7KF01模擬量輸入模塊；開關(guān)量8個，接入西門子321-1BH01數(shù)字量輸入模塊；電極行程4個，接入西門子350-2計數(shù)模塊。其中模擬量可以統(tǒng)一為0～5V或0～10V的直流信號。本系統(tǒng)主要功能有：（1）對28路參數(shù)進行實時數(shù)據(jù)顯示；（2）對其中的重要參數(shù)（熔化電流、電壓、真空度、電極桿行程等）進行存儲；（3）實時曲線及歷史趨勢圖顯示；（4）生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時及歷史打?。唬?）實時報警顯示及歷史報警的記錄；

（6）實現(xiàn)鑄錠報表的生成及自動打印。

該系統(tǒng)以最新的工控機為核心，采用變送器和模擬量輸入模塊對信號進行濾波、整形，對系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，24寸液晶顯示器及彩色噴墨打印機把所監(jiān)控的工藝參數(shù)及其趨勢線清晰地顯示并打印。硬件系統(tǒng)組成如圖1所示。

2.2 硬件工作原理

把源信號中的模擬量經(jīng)調(diào)理板處理，變?yōu)?～5V的標(biāo)準(zhǔn)信號再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換板轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入計算機；脈沖量經(jīng)脈沖調(diào)制板加寬輸入到多功能板的計數(shù)器上，經(jīng)工程量轉(zhuǎn)化后輸入計算機；開關(guān)量經(jīng)端子板輸入、輸出、記錄、顯示、打印。

3 軟件設(shè)計

本著“實時、準(zhǔn)確、界面友好、操作簡易”等原則，并適應(yīng)軟件的發(fā)展趨勢，該系統(tǒng)應(yīng)用軟件是基于windows操作系統(tǒng)，以目前國內(nèi)較為先進的組態(tài)王6.53為系統(tǒng)軟件編程，具有較強的可靠性，操作簡單、靈活。整個軟件系統(tǒng)主要由參數(shù)設(shè)置、實時檢測與記錄、趨勢曲線分析、報警提示、數(shù)據(jù)打印和在線幫助模塊組成?？捎晒δ苕IF1～F10實現(xiàn)。軟件流程如圖5所示。

3.1 參數(shù)設(shè)置模塊

即要求用戶輸入報警上下限、熔煉記錄中有關(guān)的常量等。每一爐常量參數(shù)設(shè)定包括坩堝直徑、自耗電極的直徑和長度；報警閥值的設(shè)定包括總?cè)刍娏鞯纳舷孪拗?、真空度的上限值、電弧電壓的上限值、出口水溫的上限值和補縮期電極行程的下降值。

3.2 實時檢測與記錄模塊

完成數(shù)據(jù)采集、處理、運算和控制輸出，動態(tài)模擬工況畫面，并對實時數(shù)據(jù)進行記錄，最終以文件的形式保存，可依據(jù)需要決定保存的天數(shù)。

由于生產(chǎn)需要對一些重要參數(shù)（熔化電流、熔化電壓、真空度、電極行程）等進行記錄，因此這套系統(tǒng)把所檢測的工藝參數(shù)生成記錄文件和報警文件，這些文件按先進先出的方式在磁盤目錄上保存365天，若要長期保存，需在文件的有效期內(nèi)移動到其他文件夾或軟盤上：否則就會在超時之日的零點，系統(tǒng)自動清除超時文件。每個文件保存24小時記錄的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率100Hz，數(shù)據(jù)顯示刷新頻率1次/100ms，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)每秒刷新一次。

3.3 趨勢曲線分析模塊

趨勢曲線能以圖形方式觀察一段時間內(nèi)的過程狀態(tài)和趨勢。本系統(tǒng)定義了一組趨勢曲線窗口，一個趨勢曲線窗口可同時顯示多個過程參數(shù)。趨勢曲線可分為實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線。

3.3.1實時趨勢顯示模塊

實時趨勢曲線可“在線”觀察過程參數(shù)的變化，曲線窗口也可自動卷動以顯示最新數(shù)據(jù)。實時曲線長度事先規(guī)定為幾種時間間隔，在實際分析時可按當(dāng)時的情況進行時間間隔變換。

本系統(tǒng)對主要的工藝參數(shù)（熔化電流、電壓、真空度、電極行程）等定義了趨勢曲線窗口。

3.3.2 歷史趨勢顯示模塊

歷史趨勢曲線用于查看過程參數(shù)的所有數(shù)據(jù)，曲線窗口不會自動翻卷，必須通過操作按鈕來實現(xiàn)。歷史趨勢曲線的優(yōu)點是工作班完成之后，可對本次的數(shù)據(jù)曲線進行分析和打印輸出，同時亦可對以前保存的歷史數(shù)據(jù)進行操作。

3.4 報警提示模塊

完善的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)能檢測到非正常狀態(tài)的發(fā)生，并將報警信息按照正確的順序登錄到數(shù)據(jù)庫，并且不能丟失任何數(shù)據(jù)，以便事后對它們進行分析。

本系統(tǒng)在顯示的任一畫面中，都設(shè)有報警顯示，無論何時出現(xiàn)報警都會以聲光形式提示用戶。

3.5 數(shù)據(jù)打印模塊

微機系統(tǒng)對工藝參數(shù)進行實時測量、顯示并最終打印，打印時間間隔可按需設(shè)定。熔煉結(jié)束后，對所需重要的工藝參數(shù)如：真空度、弧壓、弧流、電極行程能實現(xiàn)集中和分別打印。

3.6 在線幫助功能

在使用中若產(chǎn)生操作疑問，可單擊F1獲取幫助。

4 系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵

系統(tǒng)在設(shè)計中著力解決了如下問題：

4.1 信號采集與處理

模擬數(shù)據(jù)從信號源采集過來經(jīng)變送器變?yōu)槿蹼婋娏餍盘?，再?jīng)信號調(diào)理板PCLD-881變?yōu)镺-5V的電壓信號，A/D轉(zhuǎn)換卡PCL813轉(zhuǎn)為數(shù)字量輸入計算機。原系統(tǒng)的電流信號為0～20mA不能直接進入A/D轉(zhuǎn)換卡，因此，首先必須把這些0～20mA電流信號經(jīng)過調(diào)理板上的I/V模塊轉(zhuǎn)變?yōu)?～5V的電壓信號。真空計采用模擬量，利用逐次逼近法進行處理。記錄電極行程的脈沖量經(jīng)自制的脈沖調(diào)制板加寬輸入到多功能板的計數(shù)器上，進入計算機。計算機把采集到的信號經(jīng)工程量轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析顯示出工況圖，工藝參數(shù)的實時變化、實時曲線和報警、棒圖，工作狀態(tài)和報警指示等。熔煉結(jié)束后集中打印熔煉記錄和工藝曲線、棒圖。其系統(tǒng)信號采集與處理組成圖如圖6所示。

4.2 軟件數(shù)據(jù)接口處理

本系統(tǒng)的組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)備份格式與通用辦公自動化軟件的格式不一致，為方便工藝技術(shù)組分析工藝記錄數(shù)據(jù)、本系統(tǒng)采用Excel電子表格軟件開發(fā)軟件數(shù)據(jù)接口，將組態(tài)軟件的備份的記錄數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Excel電子表格，為進一步分析工藝記錄數(shù)據(jù)提供方便。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用計算機上位組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)配合西門子S7-300控制模塊對原有純手動按鈕操作的控制系統(tǒng)進行了升級改造，升級后系統(tǒng)操作簡單，網(wǎng)絡(luò)速度快、可靠性高、開放性好，給使用和設(shè)備維護帶來方便，系統(tǒng)運行至今穩(wěn)定和正常，提高了生產(chǎn)效率和管理水平。隨著計算機技術(shù)在我國普及和發(fā)展，各工業(yè)控制領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，必將為我國的工業(yè)控制做出巨大的貢獻。

參考文獻：

[1]王建華.計算機控制技術(shù)（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

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