肖同森

（1安徽工業(yè)大學(xué)，安徽馬鞍山243002；2山東省冶金科學(xué)研究院，山東濟南250014）

濟鋼原料廠自動化控制系統(tǒng)升級改造

肖同森1，2

（1安徽工業(yè)大學(xué)，安徽馬鞍山243002；2山東省冶金科學(xué)研究院，山東濟南250014）

采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計，運用模塊搭建方法，改造控制網(wǎng)絡(luò)、控制系統(tǒng)，重新進行軟件編程，濟鋼原料廠自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)了升級改造。通過主控室工作站，實現(xiàn)了對各個設(shè)備和工藝的監(jiān)控、操作。

原料廠；自動化控制系統(tǒng)；升級改造；結(jié)構(gòu)化設(shè)計；軟件編程

1 前言

大型自動化控制系統(tǒng)的改造，比新建、新設(shè)計一個系統(tǒng)更加費工、費力、費時，它既要保留原系統(tǒng)已有的功能特性，還要在其基礎(chǔ)上進行升級改造，去除不合理部分，增添新功能，使原系統(tǒng)具備更新、更先進的功能。濟鋼原料廠自動化控制系統(tǒng)存在硬件設(shè)備老化、通訊故障頻發(fā)、程序軟件滯后等問題，已不適應(yīng)生產(chǎn)需要。為此，運用結(jié)構(gòu)化設(shè)計，改造控制網(wǎng)絡(luò)、控制系統(tǒng)，重新進行軟件編程，對其進行升級改造，為今后系統(tǒng)的生產(chǎn)維護和進一步升級創(chuàng)造了簡便、快捷的有利條件。

2 系統(tǒng)工藝概況及存在的問題

濟鋼原料廠主要為濟鋼第一燒結(jié)廠120 m2、40 m2燒結(jié)機提供礦石（綜合料和單配料）和燃料（煤粉和焦粉）。其主體工藝系統(tǒng)分為受卸系統(tǒng)、堆取料系統(tǒng)、混勻預(yù)配料系統(tǒng)和供料系統(tǒng)。整個系統(tǒng)涉及6個料場，包括帶式輸送機70臺、擺動溜槽15臺、金屬檢測器4臺、雙斗輪堆取料機4臺、單斗輪取料機3臺、堆料機3臺、振動防閉塞裝置30臺、混勻預(yù)配料槽12個、圓盤配料機12臺、電子皮帶稱12臺等共100余臺大型機械設(shè)備。

自動化控制系統(tǒng)原采用的是MODICON公司20世紀(jì)90年代984 PLC設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是總線型主從式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。CPU控制主站設(shè)置在原料廠主控樓的主控中心，下設(shè)5個分站，主站和從站之間通過Modebus Plus（MB+）通訊總線相連接。由于產(chǎn)品的更新?lián)Q代，984控制設(shè)備及其相關(guān)模塊已經(jīng)停產(chǎn)，PLC的老化現(xiàn)象已經(jīng)十分嚴(yán)重。由于CPU主站和各個從站之間距離較遠(yuǎn)，主站和從站之間通過中繼器進行鏈接，以減少通訊信號的衰減。實際使用過程中，通訊信號受到外界各種因素的干擾，經(jīng)常出現(xiàn)通訊不穩(wěn)、控制信號中斷、設(shè)備頻繁停機現(xiàn)象，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常運行。軟件程序方面，由于原有的控制系統(tǒng)是外單位設(shè)計編程，程序附帶一定的加密措施，可讀性及可維護性差，設(shè)備控制點無法增加，且無法更改。

3 改造方案的實施

針對系統(tǒng)存在的問題，結(jié)合實際情況，從硬件和軟件兩方面綜合考慮與設(shè)計，將復(fù)雜的系統(tǒng)改造進行結(jié)構(gòu)化處理。采用了模塊分解與功能抽象和自頂向下、分而治之的方法［1］，有效地將較復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)分解成許多易于控制和處理的結(jié)構(gòu)塊，使每個結(jié)構(gòu)塊的功能單純而明確，便于構(gòu)造一個大系統(tǒng)及系統(tǒng)今后的維護、修改和擴充。

3.1 硬件改造

根據(jù)各個系統(tǒng)的地理位置和電氣配電室的布局，采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計原則。首先對原有的控制設(shè)備區(qū)域進行了重新合理的劃分，將整個廠區(qū)按照配電室所涉及的控制設(shè)備劃分為5個區(qū)域：火車和汽車受卸區(qū)，2#配電室控制的一次堆取料區(qū)，4#配電室控制的二次堆料區(qū)，混勻配料區(qū)和老原料7#配電室區(qū)。其次，對原來的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行了更改。原控制系統(tǒng)采用的是總線型主從方式，主站CPU集中控制，外部分站采用RI/O擴展方式，上位機和控制器之間采用MB+網(wǎng)連接，通訊介質(zhì)為同軸電纜。此種控制方式，由于同軸電纜傳輸距離較短，超過150 m就要增加中繼器防止信號衰減。所有外部分站串接在線路中，當(dāng)任一分站發(fā)生故障時，故障會串聯(lián)影響到整根通訊纜上的所有設(shè)備，故障的診斷和修復(fù)都較困難。發(fā)生故障后設(shè)備只能采用機旁單動方式啟停，無任何聯(lián)鎖保護。

改造后的自動化系統(tǒng)，PLC為施耐德公司的QUANTUMN系列產(chǎn)品140系列可編程序控制器，完全替代原來的MODICON 984系列模塊。采用分布式控制網(wǎng)絡(luò)，各分站具有獨立的PLC控制系統(tǒng)，PLC站點之間通過高速工業(yè)以太網(wǎng)的方式進行連接，通訊介質(zhì)為光纖，通訊速率100 M。監(jiān)控系統(tǒng)包括監(jiān)控機2臺，工程師工控機1臺。為了提高控制系統(tǒng)的可靠性，上位監(jiān)控機為雙機熱備冗余。監(jiān)控軟件采用Citech服務(wù)器版，編程軟件采用Concept 2.6控制軟件。正常情況下，各站點相互配合，完成整個工藝系統(tǒng)控制功能。一旦發(fā)生通訊中斷，在短時間內(nèi)無法排除故障的情況下，各站點可以獨立實現(xiàn)本站點的聯(lián)鎖控制，完成本站點設(shè)備的流程控制。主控室區(qū)域控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D見圖1。

3.2 軟件改造

圖1 主控室區(qū)域控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

整個系統(tǒng)在硬件上把原料廠供配料劃分為5個獨立的部分，各部分擁有自己獨立的PLC控制器。在主控室監(jiān)控機上的所有畫面和操作與原來單個PLC控制器時完全相同，因此，操作人員無需進行再培訓(xùn)就可以直接工作。原料廠現(xiàn)有各種流程45個，每個流程涉及多個設(shè)備及多種檢測，許多設(shè)備又涉及多個流程。有時在同一個時間段，多個流程同時運轉(zhuǎn)；有時一個流程還需要進行同種切換或異種切換。為了實現(xiàn)如此多的流程和復(fù)雜的控制模式，將整個控制系統(tǒng)劃分為若干個不同層次、不同功能、相互獨立的功能模塊，每個模塊完成單一工作。由于功能模塊相互獨立，因此在設(shè)計其中一個功能模塊時，不會受到其他模塊的牽連。同時，因為模塊的獨立性，還可以充分利用現(xiàn)有的模塊繼續(xù)作功能擴展，擴充已有的系統(tǒng)，建立新系統(tǒng)。根據(jù)這種模塊化設(shè)計思想，編制程序時把現(xiàn)場檢測和控制設(shè)備、控制區(qū)域進行了系統(tǒng)劃分，將原料廠整個控制系統(tǒng)劃分為5個相對獨立的大的子系統(tǒng)：受卸區(qū)子系統(tǒng)，一次堆取料區(qū)子系統(tǒng)，二次堆料區(qū)子系統(tǒng)，混勻配料區(qū)子系統(tǒng)和老原料區(qū)子系統(tǒng)。每個大的子系統(tǒng)都單獨完成獨自區(qū)域的不同流程控制功能；根據(jù)工藝的控制要求，在每個流程內(nèi)部又分不同的子流程，將不同的設(shè)備按照子流程的功能要求進行分組，組成不同的功能塊，實現(xiàn)單一的控制功能。這些功能塊其功能結(jié)構(gòu)包含以下3種：1）順序結(jié)構(gòu)。順序結(jié)構(gòu)表示程序中的各操作是按照它們出現(xiàn)的先后順序執(zhí)行的，其結(jié)構(gòu)流程如圖2 a）所示。整個順序結(jié)構(gòu)只有一個入口點a和一個出口點c，其總體結(jié)構(gòu)流程都是自上而下順序執(zhí)行的。2）選擇結(jié)構(gòu)。選擇結(jié)構(gòu)表示程序的處理步驟出現(xiàn)了分支，需要根據(jù)某一特定的條件選擇其中的一個分支執(zhí)行。由圖2 b）中可見，在結(jié)構(gòu)的入口點a處是一個判斷框，表示程序流程出現(xiàn)了2個可供選擇的分支，如果條件滿足選擇為分支a到b，則執(zhí)行s1程序處理；若條件滿足選擇為分支a到c，則執(zhí)行s2程序處理。在這2個分支中只能選擇一條執(zhí)行。3）循環(huán)結(jié)構(gòu)。循環(huán)結(jié)構(gòu)表示程序反復(fù)執(zhí)行某個或某些操作，直到某條件為假（或為真）時才可終止循環(huán)。由圖2 c）中可見，從結(jié)構(gòu)入口處a直接執(zhí)行循環(huán)體s1程序，在循環(huán)終端處判斷條件，如果條件不滿足，返回入口處繼續(xù)執(zhí)行s1程序，直到條件為真時再退出循環(huán)到達(dá)流程出口b處。

圖2 3種功能結(jié)構(gòu)

完成各個層次模塊的結(jié)構(gòu)功能后，按照工藝要求將每個子系統(tǒng)內(nèi)的結(jié)構(gòu)功能塊進行有機的組合搭建，形成系統(tǒng)內(nèi)部不同的獨立控制流程。最后將5個大的子系統(tǒng)中的不同流程再按照濟鋼原料廠完整的大流程要求進行聯(lián)鎖，構(gòu)成45條不同工藝流程組合的完整流程控制，實現(xiàn)整個自動化系統(tǒng)的監(jiān)控、操作。

4 結(jié)語

該改造方案于2007年5月底實施和調(diào)試完成。2008年初，又增加了新設(shè)備和新的流程分支。這2次改造均采用了結(jié)構(gòu)化設(shè)計方案，運用了模塊搭建方法，在短時間內(nèi)實現(xiàn)了系統(tǒng)的基礎(chǔ)自動化和過程自動化改造。操作人員通過主控室的HMI工作站，就能對全場所有設(shè)備進行在線監(jiān)控，完成了各個工藝設(shè)備和工藝流程的各種控制、故障顯示及處理。每個子系統(tǒng)PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)交換。整個系統(tǒng)自投入運行以來，運行情況穩(wěn)定良好，同時為軟硬件的維護和擴展創(chuàng)造了條件。

［1］宋靖宇.漫話程序設(shè)計語言的進化［N/OL］.計算機世界報，2005-05-10［2009-02-18］.http：//www.pconline.com.cn/pcedu/ empolder/gj/c/0504/608291.html.

Upgrading and Reforming of Automatic Control System in Jinan Steel Raw Material Plant

XIAO Tong-sen1，2
（1 Anhui University of Technology,Anhui 243002,China;2 Shandong Metallurgical Research Institute,Jinan 250101,China）

Adopting structure design,using the method of integrating modules,reconstructing the control network and the control system and reprogramming,Jinan Steel raw material plant realized the upgrading and reforming of the automatic control system. By the main control station,it achieved the monitor and operation for every equipment and process.

raw material factory;automatic control system;upgrading and reforming;structure design;program

TP273

A

1004-4620（2010）01-0061-02

2009-05-04

肖同森，男，1970年生，1993年畢業(yè)于華東冶金學(xué)院自動化儀表專業(yè)?，F(xiàn)為山東省冶金科學(xué)研究院工程師，安徽工業(yè)大學(xué)2007級電氣工程專業(yè)工程碩士研究生，從事工程自動化開發(fā)和研究工作。