一種在真空熔煉爐應用的微機監控系統的設計與實現

李明++趙輝++李楠

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

關鍵詞：計算機；組態王；數字量；模擬量；計數模塊

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

1 概述

目前，國內計算機技術發展極其迅速，它們的應用領域不斷擴大，在大型工業生產設備中，紛紛采用計算機技術實現工藝生產過程的監視與控制，以達到優化的生產和管理，獲得高的成品率和經濟效益。為推動寶雞有色金屬加工廠的設備自動化水平，研制六噸真空自耗電弧爐計算機監控系統。該系統實現了對六噸真空自耗電弧爐進行數據實時采集、實時記錄、實時數據和歷史數據進行工藝分析及打印等功能。為提高真空熔煉鑄錠的產品質量，提供了可靠、準確的數據源。

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件組成

生產現場需檢測的參數共28個，其中模擬量16個，接入西門子331-7KF01模擬量輸入模塊；開關量8個，接入西門子321-1BH01數字量輸入模塊；電極行程4個，接入西門子350-2計數模塊。其中模擬量可以統一為0～5V或0～10V的直流信號。本系統主要功能有：（1）對28路參數進行實時數據顯示；（2）對其中的重要參數（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）生產數據的實時及歷史打印；（5）實時報警顯示及歷史報警的記錄；

（6）實現鑄錠報表的生成及自動打印。

該系統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，對系統進行實時監測，24寸液晶顯示器及彩色噴墨打印機把所監控的工藝參數及其趨勢線清晰地顯示并打印。硬件系統組成如圖1所示。

2.2 硬件工作原理

把源信號中的模擬量經調理板處理，變為0～5V的標準信號再經A/D轉換板轉換為數字信號輸入計算機；脈沖量經脈沖調制板加寬輸入到多功能板的計數器上，經工程量轉化后輸入計算機；開關量經端子板輸入、輸出、記錄、顯示、打印。

3 軟件設計

本著“實時、準確、界面友好、操作簡易”等原則，并適應軟件的發展趨勢，該系統應用軟件是基于windows操作系統，以目前國內較為先進的組態王6.53為系統軟件編程，具有較強的可靠性，操作簡單、靈活。整個軟件系統主要由參數設置、實時檢測與記錄、趨勢曲線分析、報警提示、數據打印和在線幫助模塊組成。可由功能鍵F1～F10實現。軟件流程如圖5所示。

3.1 參數設置模塊

即要求用戶輸入報警上下限、熔煉記錄中有關的常量等。每一爐常量參數設定包括坩堝直徑、自耗電極的直徑和長度；報警閥值的設定包括總熔化電流的上下限值、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

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

由于生產需要對一些重要參數（熔化電流、熔化電壓、真空度、電極行程）等進行記錄，因此這套系統把所檢測的工藝參數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，系統自動清除超時文件。每個文件保存24小時記錄的數據，數據采集頻率100Hz，數據顯示刷新頻率1次/100ms，實時監測數據每秒刷新一次。

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的過程狀態和趨勢。本系統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。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”觀察過程參數的變化，曲線窗口也可自動卷動以顯示最新數據。實時曲線長度事先規定為幾種時間間隔，在實際分析時可按當時的情況進行時間間隔變換。

本系統對主要的工藝參數（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的所有數據，曲線窗口不會自動翻卷，必須通過操作按鈕來實現。歷史趨勢曲線的優點是工作班完成之后，可對本次的數據曲線進行分析和打印輸出，同時亦可對以前保存的歷史數據進行操作。

3.4 報警提示模塊

完善的監控和數據采集系統應能檢測到非正常狀態的發生，并將報警信息按照正確的順序登錄到數據庫，并且不能丟失任何數據，以便事后對它們進行分析。

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

3.5 數據打印模塊

微機系統對工藝參數進行實時測量、顯示并最終打印，打印時間間隔可按需設定。熔煉結束后，對所需重要的工藝參數如：真空度、弧壓、弧流、電極行程能實現集中和分別打印。

3.6 在線幫助功能

在使用中若產生操作疑問，可單擊F1獲取幫助。

4 系統的技術關鍵

系統在設計中著力解決了如下問題：

4.1 信號采集與處理

模擬數據從信號源采集過來經變送器變為弱電電流信號，再經信號調理板PCLD-881變為O-5V的電壓信號，A/D轉換卡PCL813轉為數字量輸入計算機。原系統的電流信號為0～20mA不能直接進入A/D轉換卡，因此，首先必須把這些0～20mA電流信號經過調理板上的I/V模塊轉變為0～5V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自制的脈沖調制板加寬輸入到多功能板的計數器上，進入計算機。計算機把采集到的信號經工程量轉換、數據分析顯示出工況圖，工藝參數的實時變化、實時曲線和報警、棒圖，工作狀態和報警指示等。熔煉結束后集中打印熔煉記錄和工藝曲線、棒圖。其系統信號采集與處理組成圖如圖6所示。

4.2 軟件數據接口處理

本系統的組態軟件的數據備份格式與通用辦公自動化軟件的格式不一致，為方便工藝技術組分析工藝記錄數據、本系統采用Excel電子表格軟件開發軟件數據接口，將組態軟件的備份的記錄數據轉化為Excel電子表格，為進一步分析工藝記錄數據提供方便。

5 結束語

本系統采用計算機上位組態王監控系統配合西門子S7-300控制模塊對原有純手動按鈕操作的控制系統進行了升級改造，升級后系統操作簡單，網絡速度快、可靠性高、開放性好，給使用和設備維護帶來方便，系統運行至今穩定和正常，提高了生產效率和管理水平。隨著計算機技術在我國普及和發展，各工業控制領域的普遍應用，必將為我國的工業控制做出巨大的貢獻。

參考文獻：

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

[2]樊樂軍.一種鍋爐房供熱微機自動監控系統的設計及應用[J].科技創新與應用，2014（03）：292.endprint