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基于以太网的工业石灰窑PLC自动控制系统的研究与设计

发布日期: 2016年09月10日 点击次数: 浏览: 字体:

杨洪波

 (黄冈市华窑中兴窑炉有限责任公司, 黄冈 438000)

   针对当前石灰窑传统方式控制运行中存在的工艺设备分散、控制精度差、工人劳动强度高、出现故障不能及时响应解决等缺点,提出研究与设计基于工厂以太网的石灰窑PLC自动控制系统。文中首先讲述了工业石灰窑生产线上工艺流程运行机理。其次结合现场PLC、本地IPC以及以太网客户端控制的各自优点,给出了系统4层硬件设计结构:设备层、控制层、操作层与扩展层。进而详细地论述了石灰窑系统中PLC控制子系统、本地IPC子系统、以太网远程子系统等3个子系统的模块内容与设计要点。最后简要地说明了本系统在企业中成功实际开发应用情况。

关键词  以太网,  石灰窑,  PLC, 自动控制

 

    Research and Design of Industrial Lime Kiln PLC Automatic Control System

Based on Ethernet

YANG Sheng-quan1   YANG Hong-bo 2  WANG Jing-song2  LUO Qing-dao2

(1.School of Computer Science and Engineering, Xi'an Technological University, Xi'an 710021

2. Huanggang Hua kiln Zhongxing kiln Co., LTD., Huang'gang 438000

Abstract: Because of the current the lime kiln conventional control manner in which exist plenty of disadvantages such as very scattered process control equipment, poor control accuracy, very high labor intensity, a big failure to respond and solve the kiln run fault in time etc. , this paper plans to study and design a industrial lime kiln PLC automatic control system based on factory Ethernet. Firstly,  the paper first describes the production line operation mechanism of industrial lime kiln flow process. Secondly, according to their merit that combined with on-site PLC, local IPC and Ethernet clients, it gives the four-tier system hardware structure which consists of the device layer, the control layer, the operation layer and the spreading layer. And then the module contents and design elements of the three sub-systems: the PLC control subsystem, the local IPC subsystem in the lime kiln control system are discussed in detail. Finally, it gives a brief actual and successful application development description of the kiln system in the certain enterprise.

Key words:  Ethernet,  Lime Kiln,  PLC,  Automatic control


1 引言

石灰的主要化学成分为CaO (氧化钙),它是钢铁企业炼钢过程中重要的辅助材料,石灰是在石灰窑(也称竖窑、立窑)中通过将石灰石进行煅烧产生的,其工艺包含称重、配料、加料、煅烧、出灰、破碎、仓储等一系列过程[1]。传统的石灰窑炉生产环境恶劣,基本采用手工或者局部机电控制,这种方式存在工艺控制分散不协调、设备故障率高、工人劳动强度大,容易受到主观因素影响,出现问题后往往因为设备管理人员距离事故现场太远得不到及时有效解决,从而导致石灰产品技术指标时常不稳定,同时容易造成过重的烟尘、粉尘污染以及生产效率低下。

PLC(可编程控制器)是一种作为传统继电器的替换产品而出现的采用现代先进自动化控制技术开发的适应工业恶劣环境的新型通用自动控制装置,其英文全名为Programmable Logic Controller,它具有可靠性高、抗干扰能力强等优点。它不仅能实现复杂的逻辑控制,同时具有很强的数据处理、通信、网络等功能,已广泛应用于工业控制的各个领域[3]IPC(工业控制计算机),其英文全名为Industry Personal Computer,它是实现生产过程控制和管理的计算机,具有计算速度快、数据管理能力强、通信接口丰富、图形人机界面操作方便友好等优点。由于石灰窑生产工艺通常分布极度离散,通常远离企业管理办公地点,利用工厂以太网(ETHERNET)可以将现场IPC的画面远程传输到石灰窑工艺人员办公室中进行实时查看与控制,这样可以实现故障发生后能得到及时发现与有效处理,最终可以提供企业人员工作效率。因此本系统研究采用现场PLC、本地IPC与工厂以太网对石灰窑实现本地与远程联合控制,它对于提高石灰的产品品质、保证工序设备协调安全运行、方便用户远程操作管理、提高工作效率与降低生产成本等具有非常重要的意义。

 

2 石灰窑生产工艺运行流程

石灰窑生产石灰的过程需要经历一系列的工序,这些工序环环相扣,其工艺运行流程原理如图1所示,其主要包含:石料仓、煤料仓、振动筛、电子秤、混料皮带、提升料斗机、布料器、煅烧、出灰机、破碎机、斗提机以及成品库等[2]

首先是选择优质的石头和煤炭分别存放到生产线的石料仓和煤料仓中,它们分别经过各自的振动筛去除细小杂质传送到各自的电子秤按照设定产品配方要求的配比重量称量后,通过混料皮带均匀混合送入提升料斗机,继而由窑底的卷扬机将装满混料的料斗机通过斜拉提升架至窑顶布料器,最后布料器完成给石灰窑均匀布料并从顶部滑落到石灰窑窑内。

基于以太网的工业石灰窑PLC自动控制系统的研究与设计

1 石灰窑生产工艺运行流程

石头与煤炭的混料依靠自身重力从顶部下落,先后经历石灰窑的预热带预热、煅烧带燃烧、冷却带降温过程,在这整个过程中,混料中的煤炭与助燃风和窑炉鼓风机的二次风进行混合燃烧,其燃烧产物对石头进行复杂的煅烧化学反应后,从而导致石头中的石灰石得到充分的分解形成新的石灰晶体,最后到达窑炉底部被风机吹来的冷风降温冷却。继而通过石灰窑的星型出灰机送到颚式破碎机进行破碎并细化筛分,最后经过斗提机运送到工厂石灰成品仓库中。

 

3 石灰窑控制系统硬件宏观设计

根据石灰窑工艺流程运行特点,设计的硬件系统宏观结构如图2所示。本系统硬件设计基于集散控制理论的一种扩展应用,集散控制系统英文全称为Distributed Control System,简称DCS,也称为“分布式计算机控制系统”,近年来在化工、机械、窑炉等行业得到广泛应用。DCS采用集中管理、集中操作、分散测量、分散控制的基本设计思想,采用多层分级、相互通信的结构形式[3]

基于以太网的工业石灰窑PLC自动控制系统的研究与设计

2 石灰窑控制系统硬件宏观结构

整个系统采用分层设计的方式,本系统设计为四层,从下而上分别为设备层、控制层、操作层与扩展层。其具体描述如下:

1)系统的最底层为石灰窑测控的温度、压力、料位传感信号输入、风机设备控制以及各开关量输入输出,称为设备层;

2)系统的中下层为PLCCPU单元与连接的模拟量A/DD/A单元以及开关量I/O单元,它们通过测控端子直接连接到石灰窑设备层,称为控制层;

3)系统的中上层为工业控制计算机IPC人机操作界面,它位于石灰窑本地控制,体现对石灰窑集中式管理操作模式,它通过MPI连接到PLC,本层称为操作层。

4)系统的最上层为石灰窑企业远程操作设计做准备的,它为IPC通过企业局域网LAN向上拓展的远程客户端,由于石灰窑一般处于厂区偏远地方,石灰窑工艺员或者领导在通过此可以远程查看与操作设备,实现了石灰窑操作管理高效化,本层称为扩展层。

 这种分层设计的方式,将石灰窑复杂的测量控制问题划分成不同的部分,它们上下通过软件或者硬件接口API进行衔接,这些不同的层次形成相对独立地子系统,需要进一步地细化设计与管理,同时需要分别单独设计其软件子系统。

 

4 石灰窑控制系统软件设计

本系统的软件同硬件分层相适应需要分别设计现场PLC控制子系统、本地IPC控制系统、以太网远程子系统。

4.1 石灰窑软件PLC控制子系统设计

子系统选用在工业控制领域里面广泛使用的Siemens公司的S7-300 PLC作为主控制器。其软件开发使用Step 7 V5.5集成开发环境,使用IEC-SCL语言规范进行高效率地代码编写,子系统设计了6个循环控制程序以及全局共享一个PLC数据组织块DB,其设计原理关系如图3所示。

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3  PLC控制循环控制程序共享数据块的原理图

其工作原理以及各个循环控制程序具体完成内容描述如下:
(1) PLC
主调度控制循环程序OB为子系统主控调度程序,它负责S7-300 PLC上电初始化工作,系统正常运行后,负责调度管理5个下级工作循环程序的启动、并发、同步、停止等调度管理工作。
(2)
原始数据采集程序完成采集多个SM 331 AD模块模拟量数据、SM 321 I/O模块开关量数据,模拟量数据包含石灰窑的预热带、煅烧带、冷却带的温度压力数据以及电子秤的称量数据,开关量数据包含称重系统、提升系统、加料系统、出灰系统的实时状态信息等,原始数据采集后实时存放到PLC数据组织块DB中去供数据分析处理程序使用。
(3)
数据分析处理程序定时PLC数据组织块DB中取出各种原始采集数据,根据石灰窑实际运行情况运用模拟量方差漂移过滤算法、开关量稳态避抖过滤算法对原始数据进行分析处理,从而剔除外界环境干扰产生的假象数据以及抖动量,最后对原始数据根据实际的工程量进行线性变换再存入到PLC数据组织块DB中供其他控制程序调用。
(4)窑炉逻辑控制程序在本子系统处于非常重要的位置,它从DB中获取石灰窑各个设备的运行状态,根据工艺运行机理进行各种逻辑运算,其包含设备时序控制逻辑、称重控制补偿逻辑、动态提升控制逻辑、加料布料控制逻辑、出灰控制逻辑等,这些控制逻辑对应于不同FC函数,函数的控制参数、数据动态在DB中进行存取。
(5)温度压力控制程序为过程控制块,石灰窑的各带必须维持一定的温度和压力才能使得石灰石得到充分地煅烧分解生产石灰晶体,因为需要PID算法输出调控助燃风、二次风阀门控制。

PLC中使用PID控制算法的微分方程为:

基于以太网的工业石灰窑PLC自动控制系统的研究与设计

式中基于以太网的工业石灰窑PLC自动控制系统的研究与设计, t表示时间,TI是积分时间参数,TD是微分时间参数,KP是比例项参数。

本子系统在S7-300PLC中利用SCL语言实现了连续型控制的PID控制块FB,它需要主循环控制程序精确定时调用运算,其调用时间间隔为100mS,当然也可以使用OB35来调用[5]

(6)通信响应处理程序为根据用户层(User-layer)协议被动完成与上位机通信数据交换工作,它预先将外部共享数据实时传送到DB指定区域供上位机IPC读取,同时循环分析IPC的发送过来控制指令并执行,指令类型以及指令数据都由IPC通过MPI协议写入到DB区域。

4.2 石灰窑软件本地IPC子系统设计

石灰窑本地上位机IPC子系统主要完成人机界面操控功能。IPC子系统通过虚拟现实技术将石灰窑的各个设备运行数据、过程数据等实时在工艺画面上显示出来。 IPC 子系统运行的操作系统为Windows 7,后台数据库使用SQL Server 2005,其软件采用面向对象的Embarcadero RAD Studio XE集成开发环境设计。考虑到石灰窑在工厂里为特种设备,其系统操作的用户有生产管理人员、普通操作工人、窑炉工艺员、设备安全员等,他们在石灰窑运行中都有不同的任务,因此IPC系统设计采用基于角色的访问机制,不同角色根据其完成的工作不同,需要设置不同的操作权限,进入系统后所操作的人机界面也不同。设计的子系统的功能层次框图如图4所示,主要由石灰窑IPC用户角色管理模块、基于角色权限界面选择模块、MPI通信采集控制管理模块、窑炉数据记录控制管理模块、人机界面实时显示管理模块、温度压力动态曲线显示模块、PLC模块参数显示设置模块等组成。

基于以太网的工业石灰窑PLC自动控制系统的研究与设计

4 本地IPC子系统功能层次图

IPC跟后台S7-300 PLC主要通过CP5611进行高速通讯,其协议为Siemens公司的标准MPI(多点接口)协议,MPI的物理层为工业RS-485模式。通过MPI网络的S7基本通信,S7-300可以用系统功能X_GETX_PUT来读,其优点是使用PLC自带的MPI通信接口,不需要增加通信用的硬件,编程简单,容易实现[4]

Embarcadero RAD Studio XE设计子系统中,使用的Siemens公司提供的Pradave V5.6 API 函数库编写访问MPI通信采集控制管理模块,其核心代码如下:

procedure TMPIThread.fDoThreadWork; //MPI通信过程

var  plcadr: array[0..5] of plcadrtype; //定义连接结构体

res:int4; //定义返回类型数据

begin

res := Load_Tool(1, 'S7ONLINE', @plcadr); //创建PLC连接

if res = 0 then exit;  //如果连接失败,则退出

PLCCommReady;   //通信准备代码

PLCCommCommandExe;//根据系统任务执行通信函数

PLCCommDataSave;   //通信数据存储管理

Unload_Tool;//通信完毕,释放PLC通信资源

end;

4.3 石灰窑软件以太网远程子系统设计

石灰窑以太网远程子系统根据工厂局域网的实时性要求以及专用性要求,其设计采用Client/Server架构,其网络拓扑结构采用结构,IPC本地子系统为中心服务器节点,它为工厂内所有的远程访问以太网客户机提供数据访问服务,它们的通信采用主流的TCP/IP协议[6]。该子系统的运行环境与开发工具跟IPC子系统的要求完全相同,两端通信编程使用同样规范的Server SocketClient Socket控件,两端的算法程序代码类似,客户端的通信过程算法流程如图5所示。

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5 远程客户端子系统通信流程图

其两端Socket应用层数据包协议格式统一设计如表1所示。

1 两端Socket应用层通信数据包协议格式

数据

HED

LEN

SAD

DAD

DAT

CHK

TAL

字节

1

1

2

2

10

1

1

各个部分解释如下:

(1) 帧头(HED): 以太网通信时标志一个数据命令帧的开始。长度为一个字节,内容固定为0x02

(2) 数据长度(LEN):发送数据从帧头到数据域长度,不包括数据块校验值和帧尾,在本协议中固定为0x10

(3) 源节点地址(SAD): 该地址为以太网中发送端节点地址,节点地址编号在网络中唯一,占据2个字节,可以设置成IP地址的第4个字节数值等同。

(4) 目标端节点地址(DAD):该地址为以太网中接收端节点地址,节点地址编号在网络中唯一,占据2个字节,可以设置成IP地址的第4个字节数值等同。

(5) 数据域信息(DAT):该项为信息内容载体,包含发送控制指令信息2个字节和数据信息8个字节,总共长度10字节。

(6)数据块校验值(CHK):该数据帧校验方式为异或校验,即由帧头到数据域信息所有字节异或XOR得到。CHK为一个字节。

(7) 帧尾(TAL): 通信时标志一个数据帧的结束。长度为一个字节,内容固定为0x03

为了提高用户使用的方便性和开发的效率,石灰窑以太网远程子系统的人机界面跟本地IPC子系统设计成统一角色管理和用户操作界面,限于篇幅这里不再详述。

 

5 结束语

本文论述的基于以太网的工业石灰窑PLC自动控制系统在国内多个钢铁企业得到了成功的实施应用,其系统实际开发的以太网客户端运行的工艺人机界面如图6所示,石灰窑系统运行的多个实际动态跟踪曲线如图7所示,通过多个企业里面实际运行指标数据考核反映,它在很大程度上改变了石灰窑传统控制过程中表现出的产品质量差、工人劳动强度高、出现故障响应性差、生产管理效率低下等落后状况。

基于以太网的工业石灰窑PLC自动控制系统的研究与设计

6 基于以太网的工业石灰窑客户端工艺人机界面

 

基于以太网的工业石灰窑PLC自动控制系统的研究与设计

7 基于以太网的工业石灰窑客户端动态跟踪曲线

本文论述的采用层次化方式设计DCS系统简单易行,它将复杂的现场控制与远程监控问题简单分解化,其具有很强的通用性与适应性,为类似的运行环境恶劣的工矿设备管理控制行业提供了较好的设计模型和实现方法,其具有非常高的实用推广价值。 

参考文献

[1]     许洪玮, 刘春雷, 刘洋, 等.新型石灰窑自动化控制生产线 [J].自动化与仪器仪表, 2014,1:96~97

[2]     陆景宝, 刘伟, 常海斌.石灰窑自动化系统的设计与实现 [J].自动化应用, 2014,5:58~60

[3]     魏艳红, 许 昌, 王桂荣, 等.基于PLC的加热炉温度曲线控制系统设计 [J].计算机测量与控制, 2015,23(11):3635~3640

[4]     王 宁,虎恩典,王志刚.基于S7-300 PLC与触摸屏的烧结炉温度控制系统设计 [J].制造业自动化, 2014,36(11):115~117

[5]     王超, 徐力生, 徐蒙, 等.基于PLC的灌浆压力自动控制系统设计与试验研究 [J].中南大学学报(自然科学版), 2013,44(10):4055~4061

[6]     Wei Zhang, Wang Xiaowen. Research on hot-pressing machine control system based on PLC and Kingview [C]// Proceedings of the 2015 27th Chinese Control and Decision Conference.  Yinchuan: CCDC 2015,July 17: p5644-5648


 


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