一種在真空熔煉爐應(yīng)用的微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李明++趙輝++李楠

摘 要：文章介紹了計(jì)算機(jī)技術(shù)在國(guó)內(nèi)工廠設(shè)備中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)闡述了如何對(duì)原有純手動(dòng)控制設(shè)備進(jìn)行升級(jí)與改造，進(jìn)而推動(dòng)工廠的設(shè)備自動(dòng)化水平，提高了生產(chǎn)效率和管理水平。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；組態(tài)王；數(shù)字量；模擬量；計(jì)數(shù)模塊

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

1 概述

目前，國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展極其迅速，它們的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，在大型工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，紛紛采用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)工藝生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)視與控制，以達(dá)到優(yōu)化的生產(chǎn)和管理，獲得高的成品率和經(jīng)濟(jì)效益。為推動(dòng)寶雞有色金屬加工廠的設(shè)備自動(dòng)化水平，研制六噸真空自耗電弧爐計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)六噸真空自耗電弧爐進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)記錄、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件組成

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需檢測(cè)的參數(shù)共28個(gè)，其中模擬量16個(gè)，接入西門(mén)子331-7KF01模擬量輸入模塊；開(kāi)關(guān)量8個(gè)，接入西門(mén)子321-1BH01數(shù)字量輸入模塊；電極行程4個(gè)，接入西門(mén)子350-2計(jì)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(hào)。本系統(tǒng)主要功能有：（1）對(duì)28路參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示；（2）對(duì)其中的重要參數(shù)（熔化電流、電壓、真空度、電極桿行程等）進(jìn)行存儲(chǔ)；（3）實(shí)時(shí)曲線及歷史趨勢(shì)圖顯示；（4）生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)及歷史打印；（5）實(shí)時(shí)報(bào)警顯示及歷史報(bào)警的記錄；

（6）實(shí)現(xiàn)鑄錠報(bào)表的生成及自動(dòng)打印。

該系統(tǒng)以最新的工控機(jī)為核心，采用變送器和模擬量輸入模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、整形，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，24寸液晶顯示器及彩色噴墨打印機(jī)把所監(jiān)控的工藝參數(shù)及其趨勢(shì)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(hào)中的模擬量經(jīng)調(diào)理板處理，變?yōu)?～5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換板轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)；脈沖量經(jīng)脈沖調(diào)制板加寬輸入到多功能板的計(jì)數(shù)器上，經(jīng)工程量轉(zhuǎn)化后輸入計(jì)算機(jī)；開(kāi)關(guān)量經(jīng)端子板輸入、輸出、記錄、顯示、打印。

3 軟件設(shè)計(jì)

本著“實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、界面友好、操作簡(jiǎn)易”等原則，并適應(yīng)軟件的發(fā)展趨勢(shì)，該系統(tǒng)應(yīng)用軟件是基于windows操作系統(tǒng)，以目前國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的組態(tài)王6.53為系統(tǒng)軟件編程，具有較強(qiáng)的可靠性，操作簡(jiǎn)單、靈活。整個(gè)軟件系統(tǒng)主要由參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)檢測(cè)與記錄、趨勢(shì)曲線分析、報(bào)警提示、數(shù)據(jù)打印和在線幫助模塊組成。可由功能鍵F1～F10實(shí)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(bào)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(zhǎng)度；報(bào)警閥值的設(shè)定包括總?cè)刍娏鞯纳舷孪拗怠⒄婵斩鹊纳舷拗怠㈦娀‰妷旱纳舷拗怠⒊隹谒疁氐纳舷拗岛脱a(bǔ)縮期電極行程的下降值。

3.2 實(shí)時(shí)檢測(cè)與記錄模塊

完成數(shù)據(jù)采集、處理、運(yùn)算和控制輸出，動(dòng)態(tài)模擬工況畫(huà)面，并對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)一些重要參數(shù)（熔化電流、熔化電壓、真空度、電極行程）等進(jìn)行記錄，因此這套系統(tǒng)把所檢測(cè)的工藝參數(shù)生成記錄文件和報(bào)警文件，這些文件按先進(jìn)先出的方式在磁盤(pán)目錄上保存365天，若要長(zhǎng)期保存，需在文件的有效期內(nèi)移動(dòng)到其他文件夾或軟盤(pán)上：否則就會(huì)在超時(shí)之日的零點(diǎn)，系統(tǒng)自動(dòng)清除超時(shí)文件。每個(gè)文件保存24小時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)每秒刷新一次。

3.3 趨勢(shì)曲線分析模塊

趨勢(shì)曲線能以圖形方式觀察一段時(shí)間內(nèi)的過(guò)程狀態(tài)和趨勢(shì)。本系統(tǒng)定義了一組趨勢(shì)曲線窗口，一個(gè)趨勢(shì)曲線窗口可同時(shí)顯示多個(gè)過(guò)程參數(shù)。趨勢(shì)曲線可分為實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線。

3.3.1實(shí)時(shí)趨勢(shì)顯示模塊

實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線可“在線”觀察過(guò)程參數(shù)的變化，曲線窗口也可自動(dòng)卷動(dòng)以顯示最新數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)曲線長(zhǎng)度事先規(guī)定為幾種時(shí)間間隔，在實(shí)際分析時(shí)可按當(dāng)時(shí)的情況進(jìn)行時(shí)間間隔變換。

本系統(tǒng)對(duì)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(shì)曲線窗口。

3.3.2 歷史趨勢(shì)顯示模塊

歷史趨勢(shì)曲線用于查看過(guò)程參數(shù)的所有數(shù)據(jù)，曲線窗口不會(huì)自動(dòng)翻卷，必須通過(guò)操作按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)。歷史趨勢(shì)曲線的優(yōu)點(diǎn)是工作班完成之后，可對(duì)本次的數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行分析和打印輸出，同時(shí)亦可對(duì)以前保存的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

3.4 報(bào)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(cè)到非正常狀態(tài)的發(fā)生，并將報(bào)警信息按照正確的順序登錄到數(shù)據(jù)庫(kù)，并且不能丟失任何數(shù)據(jù)，以便事后對(duì)它們進(jìn)行分析。

本系統(tǒng)在顯示的任一畫(huà)面中，都設(shè)有報(bào)警顯示，無(wú)論何時(shí)出現(xiàn)報(bào)警都會(huì)以聲光形式提示用戶。

3.5 數(shù)據(jù)打印模塊

微機(jī)系統(tǒng)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示并最終打印，打印時(shí)間間隔可按需設(shè)定。熔煉結(jié)束后，對(duì)所需重要的工藝參數(shù)如：真空度、弧壓、弧流、電極行程能實(shí)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(wèn)，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(jì)中著力解決了如下問(wèn)題：

4.1 信號(hào)采集與處理

模擬數(shù)據(jù)從信號(hào)源采集過(guò)來(lái)經(jīng)變送器變?yōu)槿蹼婋娏餍盘?hào)，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理板PCLD-881變?yōu)镺-5V的電壓信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換卡PCL813轉(zhuǎn)為數(shù)字量輸入計(jì)算機(jī)。原系統(tǒng)的電流信號(hào)為0～20mA不能直接進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換卡，因此，首先必須把這些0～20mA電流信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理板上的I/V模塊轉(zhuǎn)變?yōu)?～5V的電壓信號(hào)。真空計(jì)采用模擬量，利用逐次逼近法進(jìn)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(jì)數(shù)器上，進(jìn)入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)把采集到的信號(hào)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(shí)時(shí)變化、實(shí)時(shí)曲線和報(bào)警、棒圖，工作狀態(tài)和報(bào)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(hào)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(dòng)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(kāi)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(jìn)一步分析工藝記錄數(shù)據(jù)提供方便。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)上位組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)配合西門(mén)子S7-300控制模塊對(duì)原有純手動(dòng)按鈕操作的控制系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造，升級(jí)后系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò)速度快、可靠性高、開(kāi)放性好，給使用和設(shè)備維護(hù)帶來(lái)方便，系統(tǒng)運(yùn)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(jì)算機(jī)技術(shù)在我國(guó)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(guó)的工業(yè)控制做出巨大的貢獻(xiàn)。

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