安鋼燒結廠(chǎng)90m²/105m²燒結機由于設備大型化、生產(chǎn)高效化、工藝復雜化的特點(diǎn)，傳統的控制方式已不能滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要。該廠(chǎng)充分利用計算機控制及信息技術(shù)，優(yōu)化了整套自動(dòng)控制系統，使燒結生產(chǎn)達到了一新的水平，同時(shí)節省了大量的人力和物力（僅以90m²燒結機為例）。

1  自動(dòng)控制方案的提出

    燒結生產(chǎn)過(guò)程是把粉礦加入一定比例的熔劑、燃料，經(jīng)混合后，在一定的溫度下燒結成高爐需要的原料。主要工藝包括上料、配料、混合、燒結、冷卻、整粒等過(guò)程。由于燒結過(guò)程是一個(gè)連續性的生產(chǎn)過(guò)程，環(huán)節多、控制對象較復雜、純滯后時(shí)間長(cháng)、受干擾因素多，所以必需對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制。同時(shí)要求生產(chǎn)數據應及時(shí)反映給管理人員，以免造成生產(chǎn)人員勞動(dòng)負荷較大，產(chǎn)品質(zhì)量?jì)?yōu)劣不能及早預知。因此，要求控制系統具備熱工參數數據的采集、存檔、分析及打印等功能。傳統的單有繼電器和二次儀表組成的控制系統匹配性差，它不僅浪費人力、物力、財力，而且故障率高，不能較好地滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要。PLC現在已發(fā)展成為具有邏輯控制功能、過(guò)程控制功能、運動(dòng)控制功能、數據采集、聯(lián)網(wǎng)通訊功能的“三電一體化”控制器。它在硬件上采取了諸如隔離、濾波、屏蔽、接地等一系列抗干擾措施，在模板機箱進(jìn)行了完善的電磁兼容性設計、對元器件進(jìn)行了精心的挑選，更重要的是采用了諸如數字濾波、指令復執、程序卷回、差錯檢驗等、系列軟件抗干擾措施及故障診斷技術(shù)，因此具有功能強大、壽命長(cháng)、可靠、穩定等特點(diǎn)。該廠(chǎng)結合信息技術(shù)在工業(yè)控制中的發(fā)展，采用了施耐德集團的QUANTUM系列PLC作為燒結控制系統的核心，從而實(shí)現了燒結生產(chǎn)的自動(dòng)化。

2  自動(dòng)控制系統的結構及特點(diǎn)

    根據現場(chǎng)的實(shí)際情況，該廠(chǎng)設計并設置了原料站、造球站、配料站、燒結站等4套（臺）用于底層控制的PLC主站和6臺計算機主站用于人機界面（HMI）監控，并且遵循了電磁站或低壓配電室與各工序設備就近配置、PLC站（包括遠程I/O）與電磁站（低壓配電室）就近配置的原則。由于燒結各工序既相互獨立又聯(lián)系密切，系統的邏輯控制、工藝參數的檢測和采集、PLC的遠程編程、操作員的可視操作及HMI與PLC間的數據交換，需要PLC與PLC、PLC與HMI間的數據源相互傳遞來(lái)實(shí)現，采用施耐德集團的Modbus Plus網(wǎng)絡(luò )通訊協(xié)議組成局域網(wǎng)來(lái)完成數據交換的。Modbus Plus是基于RS485衍生的一種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，它是工業(yè)控制家族中的一種通訊標準。Modbus Plus可實(shí)現其PLC之間及與HMI等設備的互連，它是一種高速、對等的工業(yè)局域網(wǎng)。這一局域網(wǎng)允許多臺計算機、PLC及其他數據通過(guò)低成本的雙絞線(xiàn)對等通訊。以雙絞線(xiàn)為通訊介質(zhì)的情況下，最大通訊距離1800米，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)64個(gè)（還可通過(guò)網(wǎng)橋進(jìn)行擴展），結構圖如圖1（圖中TCP/IP表示的二級管理網(wǎng)暫沒(méi)上）。該Modbus Plus網(wǎng)絡(luò )所應用的組網(wǎng)關(guān)鍵設備如下:

        140 CPU 424 02：         PLC站中的CPU模塊；

        140 NOM 212 00：       PLC站中Modbus Plus通訊模塊；

        SA85：                           HMI中Modbus Plus網(wǎng)絡(luò )適配卡，遵循ISA總線(xiàn)協(xié)議；

        990 NAD 230 00：        Modbus Plus分支器；

        CONCEPT：                  QUANTUM PLC編程軟件；

        Monitor Pro：                HMI系統的開(kāi)發(fā)平臺；

        RR85:                              Modbus Plus網(wǎng)絡(luò )中繼器。

圖1  燒結機計算機控制系統圖

    整個(gè)網(wǎng)絡(luò )結構呈星形化，網(wǎng)絡(luò )通訊介質(zhì)采用雙絞線(xiàn)，并且是雙纜冗余結構，這種結構允許Modbus Plus網(wǎng)絡(luò )在兩條獨立的電纜上通訊。若一條發(fā)生故障，系統會(huì )自動(dòng)切換到另一條，從而保證了數據傳輸的可靠性。網(wǎng)絡(luò )長(cháng)距離的傳輸可在網(wǎng)線(xiàn)上串入RR85中繼器。網(wǎng)絡(luò )系統應用TAP頭（990 NAD 230 00）制作成網(wǎng)絡(luò )分支的接口，可使PLC站點(diǎn)獨立的接地。若通訊線(xiàn)受到強電干擾，不至于破壞整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統。Modbus Plus網(wǎng)絡(luò )的尋址是通過(guò)所謂的節點(diǎn)來(lái)實(shí)現的。圖1中各站點(diǎn)的數碼表示各個(gè)站的節點(diǎn)號（網(wǎng)絡(luò )地址），它是Modbus Plus網(wǎng)絡(luò )對設備進(jìn)行識別的重要標志。節點(diǎn)間通過(guò)一個(gè)5字節的網(wǎng)絡(luò )路徑來(lái)尋址。每個(gè)Modbus Plus設備有DM、DS、PM、PS 四種網(wǎng)絡(luò )路徑。其中DM、DS用于數據傳輸，PS、PM路徑用于編程命令。不同的設備有不同的尋址路徑，QUANTUM PLC最后一個(gè)非零值表示它在網(wǎng)絡(luò )上的地址。對于SA85卡，其網(wǎng)絡(luò )路徑的最后的一字節表示網(wǎng)絡(luò )地址，第二個(gè)字節表示其內部路徑號。各PLC主站根據需要外掛了若干個(gè)遠程I/O分站（RIO），它們相對主站是“透明的”，主站和分站的連接由主站上的通訊模塊140 CRP 932 00和各分站上的通訊模塊140 CRA 932 00通過(guò)RG-11四層屏蔽同軸電纜相連而成。通訊電纜是雙纜冗余結構。Monitor Pro組態(tài)軟件，是一實(shí)時(shí)數據庫核心（RTDB）的軟件系統，支持冗余的系統結構，工業(yè)現場(chǎng)數據采集實(shí)時(shí)性好。該軟件基于Server/Client結構，集HMI、SCADA、MES三大功能于一身，是實(shí)現燒結生產(chǎn)自動(dòng)可視化和生產(chǎn)信息處理的平臺。通訊連接也是雙纜冗余硬連接，大大提高上位監控系統的可靠性。整套自控控制系統的控制操作和生產(chǎn)數據的采集和處理都是在其平臺上開(kāi)發(fā)出來(lái)的。

3  系統的功能

        (1)  該系統實(shí)現了燒結生產(chǎn)各工序設備的單機和集中自動(dòng)操作，實(shí)現了工序設備間的連鎖和保護，并在HMI上動(dòng)態(tài)顯示燃料系統、熔劑系統、配料系統、外配煤、勻礦系統、造球系統、燒結系統、成品系統以及各系統互連的工藝設備運行狀況以及有關(guān)熱工參數的棒形圖、歷史趨勢圖。工藝流程圖人性化設計，直觀(guān)、實(shí)時(shí)地監控設備的運行。圖2所示為配料系統的工藝設備動(dòng)態(tài)圖。

圖2  配料系統工藝設備動(dòng)態(tài)圖

    (2)  通過(guò)PID模塊與可視畫(huà)面的無(wú)縫連接，實(shí)現了配料室中各種物料動(dòng)態(tài)配料的自動(dòng)化。每個(gè)料倉都是能夠自動(dòng)下料、自動(dòng)選倉和自動(dòng)振倉。顯示和儲存各種原、燃料理化參數，顯示理論下料量和瞬時(shí)量及誤差，存儲累計量。

    (3)  對三電設備的異常、故障情況具有報警、記錄和存儲等功能，并對故障原因具有分析綜合功能，同時(shí)在HMI的動(dòng)態(tài)工藝畫(huà)面中動(dòng)態(tài)提示。這對及時(shí)發(fā)現設備故障原因并得以解決、提高系統的維護效率，提供了技術(shù)保障。

    (4)  實(shí)現了外加煤隨動(dòng)調節控制、雙層卸灰閥的自動(dòng)控制、混合料和鋪底料料位自動(dòng)控制等生產(chǎn)過(guò)程控制，同時(shí)設計了對應的人機界面，使控制系統更加直觀(guān)、靈活、可靠、精確。

    (5)  實(shí)時(shí)顯示和采集配料、燒結、混料等工序的主要熱工參數及生產(chǎn)數據，做到數據自動(dòng)儲存、計算和歸檔，并能顯示和查詢(xún)歷史數據，自動(dòng)計算和制表，實(shí)現了生產(chǎn)、技術(shù)和能源報表的班、日、旬、月、年報，并有隨機或實(shí)時(shí)打印功能。

    (6)  上位監控畫(huà)面實(shí)現了所有數據資源的共享，各站點(diǎn)間的數據資源可互相調用。生產(chǎn)管理更加簡(jiǎn)易化，信息處理更加方便。

4  自控系統的擴展

    二級管理網(wǎng)的開(kāi)發(fā)，可完成燒結過(guò)程控制模型的建立和計算、專(zhuān)家系統的應用、模糊技術(shù)的應用，以及生產(chǎn)數據信息的再處理，實(shí)現燒結生產(chǎn)、信息管理的“透明化”。從技術(shù)層面講，Ethernet和TCP/IP網(wǎng)絡(luò )技術(shù)已被廣泛應用，軟件方面Monitor Pro內置WEB Sever，遵循OPC開(kāi)放軟件標準，自動(dòng)環(huán)境下與MES和ERP可以無(wú)縫連接，提供了一種更簡(jiǎn)單和高效的與上層管理信息系統連接的方法。內置的Web服務(wù)器，使控制數據易于被不同的操作系統得到，也可以通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò )來(lái)訪(fǎng)問(wèn)工業(yè)現場(chǎng)的數據。這種基于Web的體系結構使工業(yè)數據更加同步，網(wǎng)絡(luò )集成難度降低；同時(shí)，也可以更好地控制網(wǎng)絡(luò )的數據流量。對實(shí)現對燒結生產(chǎn)信息的進(jìn)一步管理提供了技術(shù)保障。目前該廠(chǎng)正在作此方面的工作。

5  小結

    該自動(dòng)控制系統既實(shí)現了生產(chǎn)的全程自動(dòng)化，生產(chǎn)信息又實(shí)現了實(shí)時(shí)采集和處理，實(shí)現了人工傳遞到信息自動(dòng)管理的轉變，有力地促進(jìn)了燒結生產(chǎn)的科學(xué)運行。但自控控制系統的科學(xué)運行，要求現場(chǎng)的設備要保持運行正常、數據準確，為此該廠(chǎng)制定了詳盡的巡檢制度和檢修制度，有效地保證了控制系統的正常運行?？傊?，在目前制造業(yè)充分關(guān)注實(shí)時(shí)信息運用的背景下，計算機信息技術(shù)和控制技術(shù)在燒結自控系統中的應用，為安鋼燒結廠(chǎng)未來(lái)信息的進(jìn)一步集成打下了良好的基礎。