安鋼燒結(jié)廠90m²/105m²燒結(jié)機(jī)由于設(shè)備大型化、生產(chǎn)高效化、工藝復(fù)雜化的特點，傳統(tǒng)的控制方式已不能滿足生產(chǎn)的需要。該廠充分利用計算機(jī)控制及信息技術(shù)，優(yōu)化了整套自動控制系統(tǒng)，使燒結(jié)生產(chǎn)達(dá)到了一新的水平，同時節(jié)省了大量的人力和物力（僅以90m²燒結(jié)機(jī)為例）。

1  自動控制方案的提出

    燒結(jié)生產(chǎn)過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(jié)成高爐需要的原料。主要工藝包括上料、配料、混合、燒結(jié)、冷卻、整粒等過程。由于燒結(jié)過程是一個連續(xù)性的生產(chǎn)過程，環(huán)節(jié)多、控制對象較復(fù)雜、純滯后時間長、受干擾因素多，所以必需對生產(chǎn)過程進(jìn)行自動控制。同時要求生產(chǎn)數(shù)據(jù)應(yīng)及時反映給管理人員，以免造成生產(chǎn)人員勞動負(fù)荷較大，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)劣不能及早預(yù)知。因此，要求控制系統(tǒng)具備熱工參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、存檔、分析及打印等功能。傳統(tǒng)的單有繼電器和二次儀表組成的控制系統(tǒng)匹配性差，它不僅浪費人力、物力、財力，而且故障率高，不能較好地滿足生產(chǎn)的需要。PLC現(xiàn)在已發(fā)展成為具有邏輯控制功能、過程控制功能、運動控制功能、數(shù)據(jù)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(jī)箱進(jìn)行了完善的電磁兼容性設(shè)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(shù)字濾波、指令復(fù)執(zhí)、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(qiáng)大、壽命長、可靠、穩(wěn)定等特點。該廠結(jié)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(tuán)的QUANTUM系列PLC作為燒結(jié)控制系統(tǒng)的核心，從而實現(xiàn)了燒結(jié)生產(chǎn)的自動化。

2  自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點

    根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，該廠設(shè)計并設(shè)置了原料站、造球站、配料站、燒結(jié)站等4套（臺）用于底層控制的PLC主站和6臺計算機(jī)主站用于人機(jī)界面（HMI）監(jiān)控，并且遵循了電磁站或低壓配電室與各工序設(shè)備就近配置、PLC站（包括遠(yuǎn)程I/O）與電磁站（低壓配電室）就近配置的原則。由于燒結(jié)各工序既相互獨立又聯(lián)系密切，系統(tǒng)的邏輯控制、工藝參數(shù)的檢測和采集、PLC的遠(yuǎn)程編程、操作員的可視操作及HMI與PLC間的數(shù)據(jù)交換，需要PLC與PLC、PLC與HMI間的數(shù)據(jù)源相互傳遞來實現(xiàn)，采用施耐德集團(tuán)的Modbus Plus網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議組成局域網(wǎng)來完成數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)。Modbus Plus可實現(xiàn)其PLC之間及與HMI等設(shè)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(jī)、PLC及其他數(shù)據(jù)通過低成本的雙絞線對等通訊。以雙絞線為通訊介質(zhì)的情況下，最大通訊距離1800米，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點64個（還可通過網(wǎng)橋進(jìn)行擴(kuò)展），結(jié)構(gòu)圖如圖1（圖中TCP/IP表示的二級管理網(wǎng)暫沒上）。該Modbus Plus網(wǎng)絡(luò)所應(yīng)用的組網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)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總線協(xié)議；

        990 NAD 230 00：        Modbus Plus分支器；

        CONCEPT：                  QUANTUM PLC編程軟件；

        Monitor Pro：                HMI系統(tǒng)的開發(fā)平臺；

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

圖1  燒結(jié)機(jī)計算機(jī)控制系統(tǒng)圖

    整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈星形化，網(wǎng)絡(luò)通訊介質(zhì)采用雙絞線，并且是雙纜冗余結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)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(tǒng)會自動切換到另一條，從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。網(wǎng)絡(luò)長距離的傳輸可在網(wǎng)線上串入RR85中繼器。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用TAP頭（990 NAD 230 00）制作成網(wǎng)絡(luò)分支的接口，可使PLC站點獨立的接地。若通訊線受到強(qiáng)電干擾，不至于破壞整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。Modbus Plus網(wǎng)絡(luò)的尋址是通過所謂的節(jié)點來實現(xiàn)的。圖1中各站點的數(shù)碼表示各個站的節(jié)點號（網(wǎng)絡(luò)地址），它是Modbus Plus網(wǎng)絡(luò)對設(shè)備進(jìn)行識別的重要標(biāo)志。節(jié)點間通過一個5字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)路徑來尋址。每個Modbus Plus設(shè)備有DM、DS、PM、PS 四種網(wǎng)絡(luò)路徑。其中DM、DS用于數(shù)據(jù)傳輸，PS、PM路徑用于編程命令。不同的設(shè)備有不同的尋址路徑，QUANTUM PLC最后一個非零值表示它在網(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(jié)表示網(wǎng)絡(luò)地址，第二個字節(jié)表示其內(nèi)部路徑號。各PLC主站根據(jù)需要外掛了若干個遠(yuǎn)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RG-11四層屏蔽同軸電纜相連而成。通訊電纜是雙纜冗余結(jié)構(gòu)。Monitor Pro組態(tài)軟件，是一實時數(shù)據(jù)庫核心（RTDB）的軟件系統(tǒng)，支持冗余的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集實時性好。該軟件基于Server/Client結(jié)構(gòu)，集HMI、SCADA、MES三大功能于一身，是實現(xiàn)燒結(jié)生產(chǎn)自動可視化和生產(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(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。整套自控控制系統(tǒng)的控制操作和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和處理都是在其平臺上開發(fā)出來的。

3  系統(tǒng)的功能

        (1)  該系統(tǒng)實現(xiàn)了燒結(jié)生產(chǎn)各工序設(shè)備的單機(jī)和集中自動操作，實現(xiàn)了工序設(shè)備間的連鎖和保護(hù)，并在HMI上動態(tài)顯示燃料系統(tǒng)、熔劑系統(tǒng)、配料系統(tǒng)、外配煤、勻礦系統(tǒng)、造球系統(tǒng)、燒結(jié)系統(tǒng)、成品系統(tǒng)以及各系統(tǒng)互連的工藝設(shè)備運行狀況以及有關(guān)熱工參數(shù)的棒形圖、歷史趨勢圖。工藝流程圖人性化設(shè)計，直觀、實時地監(jiān)控設(shè)備的運行。圖2所示為配料系統(tǒng)的工藝設(shè)備動態(tài)圖。

圖2  配料系統(tǒng)工藝設(shè)備動態(tài)圖

    (2)  通過PID模塊與可視畫面的無縫連接，實現(xiàn)了配料室中各種物料動態(tài)配料的自動化。每個料倉都是能夠自動下料、自動選倉和自動振倉。顯示和儲存各種原、燃料理化參數(shù)，顯示理論下料量和瞬時量及誤差，存儲累計量。

    (3)  對三電設(shè)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，同時在HMI的動態(tài)工藝畫面中動態(tài)提示。這對及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障原因并得以解決、提高系統(tǒng)的維護(hù)效率，提供了技術(shù)保障。

    (4)  實現(xiàn)了外加煤隨動調(diào)節(jié)控制、雙層卸灰閥的自動控制、混合料和鋪底料料位自動控制等生產(chǎn)過程控制，同時設(shè)計了對應(yīng)的人機(jī)界面，使控制系統(tǒng)更加直觀、靈活、可靠、精確。

    (5)  實時顯示和采集配料、燒結(jié)、混料等工序的主要熱工參數(shù)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)，做到數(shù)據(jù)自動儲存、計算和歸檔，并能顯示和查詢歷史數(shù)據(jù)，自動計算和制表，實現(xiàn)了生產(chǎn)、技術(shù)和能源報表的班、日、旬、月、年報，并有隨機(jī)或?qū)崟r打印功能。

    (6)  上位監(jiān)控畫面實現(xiàn)了所有數(shù)據(jù)資源的共享，各站點間的數(shù)據(jù)資源可互相調(diào)用。生產(chǎn)管理更加簡易化，信息處理更加方便。

4  自控系統(tǒng)的擴(kuò)展

    二級管理網(wǎng)的開發(fā)，可完成燒結(jié)過程控制模型的建立和計算、專家系統(tǒng)的應(yīng)用、模糊技術(shù)的應(yīng)用，以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息的再處理，實現(xiàn)燒結(jié)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(yīng)用，軟件方面Monitor Pro內(nèi)置WEB Sever，遵循OPC開放軟件標(biāo)準(zhǔn)，自動環(huán)境下與MES和ERP可以無縫連接，提供了一種更簡單和高效的與上層管理信息系統(tǒng)連接的方法。內(nèi)置的Web服務(wù)器，使控制數(shù)據(jù)易于被不同的操作系統(tǒng)得到，也可以通過公共網(wǎng)絡(luò)來訪問工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)。這種基于Web的體系結(jié)構(gòu)使工業(yè)數(shù)據(jù)更加同步，網(wǎng)絡(luò)集成難度降低；同時，也可以更好地控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量。對實現(xiàn)對燒結(jié)生產(chǎn)信息的進(jìn)一步管理提供了技術(shù)保障。目前該廠正在作此方面的工作。

5  小結(jié)

    該自動控制系統(tǒng)既實現(xiàn)了生產(chǎn)的全程自動化，生產(chǎn)信息又實現(xiàn)了實時采集和處理，實現(xiàn)了人工傳遞到信息自動管理的轉(zhuǎn)變，有力地促進(jìn)了燒結(jié)生產(chǎn)的科學(xué)運行。但自控控制系統(tǒng)的科學(xué)運行，要求現(xiàn)場的設(shè)備要保持運行正常、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，為此該廠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(tǒng)的正常運行。總之，在目前制造業(yè)充分關(guān)注實時信息運用的背景下，計算機(jī)信息技術(shù)和控制技術(shù)在燒結(jié)自控系統(tǒng)中的應(yīng)用，為安鋼燒結(jié)廠未來信息的進(jìn)一步集成打下了良好的基礎(chǔ)。