但斌斌，肖林偉，陳奎生，熊 凌，容芷君

（1.武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430081；2.武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081）

0 引言

鐵水脫硫是煉鋼生產(chǎn)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，目前應(yīng)用較多的有機(jī)械攪拌法和噴鎂脫硫法等，其中機(jī)械攪拌法（KR脫硫）具有較容易實(shí)現(xiàn)深脫硫，及設(shè)備費(fèi)用較低、處理能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于各大鋼廠[1～4]。鐵水KR脫硫是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，人工參與的因素較多，自動(dòng)化程度較低?；诖?，研究自動(dòng)脫硫控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)脫硫過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化有著十分重要的意義。

鐵水KR脫硫自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)采用西門子PRODAVE MPI/IE V6.0模塊（下文提及Prodave均指此版本），解決了上位機(jī)控制軟件與PLC的通訊問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)脫硫過(guò)程的自動(dòng)控制；上位機(jī)軟件采用高級(jí)語(yǔ)言（c#、c++）編寫，主要用于對(duì)脫硫過(guò)程的監(jiān)控，及實(shí)現(xiàn)報(bào)警提示、報(bào)表輸出等功能；PLC端則負(fù)責(zé)具體動(dòng)作的執(zhí)行、設(shè)備狀態(tài)信息的反饋等。

1 K R脫硫自動(dòng)控制系統(tǒng)功能需求分析

KR脫硫自動(dòng)控制就是在已知鐵水成分和目標(biāo)硫的要求下，自動(dòng)計(jì)算出需要的脫硫劑量、攪拌時(shí)間及攪拌轉(zhuǎn)速，然后自動(dòng)備料、自動(dòng)下料及自動(dòng)攪拌，在盡可能少的人工干預(yù)下，完成脫硫作業(yè)。脫硫主要設(shè)備如圖1所示。

圖1 脫硫主要設(shè)備示意圖

一個(gè)完整的自動(dòng)脫硫過(guò)程如圖2所示。

圖2 自動(dòng)脫硫流程圖

作為一套完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)，它不僅要求能對(duì)整個(gè)脫硫作業(yè)進(jìn)行正確的控制，還要求能夠正確處理一些異常情況，如鐵水在攪拌前其前硫已符合目標(biāo)硫要求，則提示操作人員無(wú)需進(jìn)行脫硫作業(yè)；同時(shí)還要求能實(shí)時(shí)查看每個(gè)流程對(duì)應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)信息，只有在工藝條件（脫硫參數(shù)）和設(shè)備條件（設(shè)備狀態(tài)）都達(dá)到要求時(shí)才能進(jìn)行自動(dòng)脫硫。在進(jìn)行脫硫作業(yè)過(guò)程中，系統(tǒng)還需實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的一些狀態(tài)數(shù)據(jù)，如當(dāng)前實(shí)際攪拌速度等，同時(shí)在操作過(guò)程中和操作結(jié)束后能查看當(dāng)前罐和前一罐鐵水的脫硫信息。系統(tǒng)還需設(shè)定若干范圍值，如攪拌頭最大下降深度等，防止人工誤操作。最后，還需將這些脫硫工藝信息和設(shè)備信息都存入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 基于Prodave的PC-PLC工業(yè)以太網(wǎng)通信

PRODAVE MPI/IE V6.0模塊是西門子提供的用于PC與西門子PLC通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通信的軟件工具包，通過(guò)該工具包可以讀取和寫入PLC中的數(shù)據(jù)，這為利用高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)提供了便利[5,6]。

2.1 一個(gè)完整的PC-PLC通訊過(guò)程

1）設(shè)置PG/PC接口

圖3 設(shè)置PG/PC接口

打開(kāi)控制面板，雙擊“設(shè)置PG/PC接口”圖標(biāo)，彈出如圖3所示界面，在上述界面中選擇TCP/IP對(duì)應(yīng)的網(wǎng)卡，然后點(diǎn)擊確定按鈕。

2）編碼實(shí)現(xiàn)[5]

unsigned short ConNr = 0;//設(shè)置連接號(hào)，不同設(shè)備連接至同一PLC時(shí)需設(shè)置不同連接號(hào)

char AccessPoint[] = {＂S7ONLINE＂}; //連接參數(shù)中的一個(gè)，通過(guò)以太網(wǎng)連接此參數(shù)不需更改

CON_TABLE_TYPE ConTable[MAX_CONNECTION+1] = {0};

CON_TABLE_TYPE * pConTable = ConTable;

unsigned short ConTableLen = sizeof(ConTable);

// 開(kāi)始設(shè)置連接到的PLC的IP，本機(jī)必須與PLC在同一網(wǎng)段

pConTable[ConNo].Adr.Ip[0] = 192;

pConTable[ConNo].Adr.Ip[1] = 168;

pConTable[ConNo].Adr.Ip[2] = 0;

pConTable[ConNo].Adr.Ip[3] = 1;

pConTable[ConNo].AdrType = 2; // 通過(guò)以太網(wǎng)連接時(shí)此參數(shù)設(shè)置為2

pConTable[ConNo].SlotNr = 2; // PLC中CPU所在槽號(hào)

pConTable[ConNo].RackNr = 0; // PLC中CPU所在架號(hào)

LoadConnection_ex6 (ConNr, &AccessPoint,ConTableLen,pConTable);

SetPassword_ex6(ConNo, pwd); //如果PLC有寫保護(hù)，需要設(shè)置密碼

SetActiveConnection_ex6 (ConNr); //激活連接，為讀寫數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備

//讀取DB1.DBB0

unsigned long amount = 1; //設(shè)定的讀取長(zhǎng)度

unsigned char pReadBuffer[1];//讀取內(nèi)容緩存，DB1.DBB0中的值讀取至此

unsigned long pDatLen[1]; //實(shí)際的讀取長(zhǎng)度

db_read_ex6 (1, 0x02, 0, &amount, 1,pReadBuffer, pDatLen); //讀取函數(shù)

UnloadConnection_ex6(ConNr); //關(guān)閉連接

2.2 幾個(gè)常用功能的封裝

1）對(duì)時(shí)間類型的傳送封裝

時(shí)間類型是PLC中使用較廣泛的一種數(shù)據(jù)類型，在高級(jí)語(yǔ)言中并無(wú)與之對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，特別是S5Time類型，使用它時(shí)要注意時(shí)基的選擇，因此需要設(shè)計(jì)一種新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)處理它們。

struct PlcTime

{

bool is_negative;//TIME

u_short day; //TIME

u_short hour;

u_short minute;

u_short second;

u_short millisecond;

};

以上結(jié)構(gòu)體可供傳送S5Time、TIME和TIME_OF_DAY類型使用，當(dāng)需要傳送時(shí)間類型時(shí)，先初始化一個(gè)PlcTime，然后賦值，再將其傳遞給相應(yīng)的接口函數(shù)。

2）對(duì)數(shù)據(jù)塊Bit位訪問(wèn)封裝

在Prodave中沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)塊Bit位的訪問(wèn)函數(shù)，但在實(shí)際應(yīng)用中常常需要對(duì)它進(jìn)行操作。讀取時(shí)，先讀出該Bit所在字節(jié)，然后檢查所在位可以得到其值；寫入時(shí)，先讀取字節(jié)，然后更改對(duì)應(yīng)位，再寫入字節(jié)，整個(gè)操作過(guò)程需要使用臨界區(qū)來(lái)確保操作的原子性。

//對(duì)數(shù)據(jù)塊Bit位的讀取操作

int PlcAccess::Plc_Read_DataBlock_Bool(u_short BlkNr,u_short StartNr, u_short BitNr, bool*pReadBuffer, u_long *pDatLen)

{

DataUnit unit = unitBYTE; //按byte取數(shù)據(jù)

u_long amount = 1;

UCHAR chr = 0;

//讀取一個(gè)byte

RetValue = Prodave_db_read_ex6(BlkNr,unit,StartNr, &amount, 1, &chr,pDatLen);

*pReadBuffer = (bool)((chr ＞＞ BitNr) & 1 ); //獲取對(duì)應(yīng)的bit位

return RetValue;

}

3）對(duì)數(shù)據(jù)塊中連續(xù)地址數(shù)據(jù)讀取封裝

在讀取PLC數(shù)據(jù)時(shí)，特別是讀取數(shù)據(jù)塊時(shí)，一些數(shù)據(jù)往往是連續(xù)存放的，如果逐個(gè)讀取可能會(huì)影響效率，這時(shí)可以把這些數(shù)據(jù)看成一個(gè)整體按字節(jié)讀取，然后對(duì)讀取的內(nèi)容按各個(gè)數(shù)據(jù)的類型分割而得到各個(gè)具體值。

3 KR 脫硫自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件連接

本系統(tǒng)需要采集脫硫工藝參數(shù)則要求能訪問(wèn)鐵水成分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)還要通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接到PLC，其網(wǎng)絡(luò)連接如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接圖

自動(dòng)脫硫系統(tǒng)終端機(jī)采用雙網(wǎng)卡機(jī)器，其中一張網(wǎng)卡連接至生產(chǎn)信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，主要用于讀取鐵水成分和將脫硫生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至后端脫硫數(shù)據(jù)庫(kù)中；另一張網(wǎng)卡通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接至PLC，用于與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊進(jìn)而控制脫硫作業(yè)。PLC上則連接著脫硫本體設(shè)備上的各種傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于操作具體的脫硫作業(yè)。

3.2 下位機(jī)程序及上位機(jī)軟件系統(tǒng)

大部分的實(shí)際控制程序都位于下位機(jī)中，在下位機(jī)程序中將各種需求封裝成功能及功能塊，然后通過(guò)指定數(shù)據(jù)塊中的信息控制各個(gè)功能及功能塊的執(zhí)行。

1）設(shè)備狀態(tài)部分

設(shè)備狀態(tài)是設(shè)備運(yùn)行情況的反應(yīng)，實(shí)時(shí)查看并顯示相關(guān)重要設(shè)備狀態(tài)十分重要。其主要包括：鐵水罐鎖定狀況、攪拌頭歸位狀況、攪拌頭上升下降狀況、攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌電流、攪拌器高度、料倉(cāng)中料量、溜槽上升下降狀況、備料進(jìn)行狀態(tài)及下料進(jìn)行狀態(tài)等。通過(guò)一個(gè)功能塊讀取相應(yīng)的傳感器信息，然后將這些信息匯總至指定的數(shù)據(jù)塊，這樣上位機(jī)中的程序就能準(zhǔn)確讀取。

2）脫硫工藝數(shù)據(jù)部分

脫硫工藝數(shù)據(jù)是進(jìn)行脫硫作業(yè)時(shí)工藝上需要的參數(shù)，其包括：鐵水稱重、溫度、鐵水成分（主要是S、Si），及計(jì)算所得到的脫硫劑量、攪拌時(shí)間、攪拌轉(zhuǎn)速及插入深度。通過(guò)一個(gè)功能塊先將相關(guān)參數(shù)轉(zhuǎn)移至指定數(shù)據(jù)塊，然后上位機(jī)程序讀取這些參數(shù)并計(jì)算出其他的參數(shù)，再將計(jì)算出的值寫入PLC指定數(shù)據(jù)塊中。

3）控制數(shù)據(jù)塊部分

通過(guò)寫入相關(guān)數(shù)據(jù)到控制數(shù)據(jù)塊，指令PLC執(zhí)行相應(yīng)的操作，其包括：攪拌頭下降控制、攪拌頭上升控制、自動(dòng)脫硫開(kāi)始、自動(dòng)脫硫結(jié)束等。該數(shù)據(jù)塊對(duì)整個(gè)自動(dòng)脫硫作業(yè)起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗刂浦渌僮鞯膱?zhí)行。

圖5 控制系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

這三者及其與上位機(jī)程序的關(guān)系如圖5所示。

上位機(jī)中的脫硫控制程序通過(guò)與三個(gè)數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)脫硫作業(yè)全過(guò)程的監(jiān)視和控制。

3.3 系統(tǒng)異常處理

作為一套工業(yè)控制系統(tǒng)，必須考慮安全性設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)架構(gòu)階段就必須分析人機(jī)安全交互、安全設(shè)計(jì)成本等，在綜合考慮這些因素后，必須設(shè)計(jì)冗余、故障降級(jí)運(yùn)行等模塊[7]。

異常處理是此系統(tǒng)一個(gè)很重要的功能，異?？梢苑譃楣に嚠惓：驮O(shè)備異常兩類。工藝異常除了包含前面提及的鐵水成分對(duì)比異常，還包括鐵水成分無(wú)法獲取、稱重及溫度超出正常值、無(wú)法獲取鐵水液面高度等，出現(xiàn)工藝異常時(shí)系統(tǒng)告知操作人員問(wèn)題所在，讓其排除錯(cuò)誤，錯(cuò)誤糾正后系統(tǒng)無(wú)需人為干預(yù)可繼續(xù)順利運(yùn)行。設(shè)備異常是在脫硫作業(yè)過(guò)程中設(shè)備出現(xiàn)故障，其包括攪拌頭動(dòng)作異常、備料下料異常等，當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備異常時(shí)彈出高級(jí)別的警告信息，同時(shí)列出對(duì)應(yīng)流程的設(shè)備狀態(tài)信息；一般出現(xiàn)設(shè)備異常時(shí)，若在執(zhí)行自動(dòng)攪拌則停止攪拌，并將攪拌頭及其他設(shè)備歸位，待故障排除后需重新通過(guò)程序下達(dá)自動(dòng)脫硫指令系統(tǒng)才能繼續(xù)運(yùn)行。

4 實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)

在實(shí)際開(kāi)發(fā)和運(yùn)行中，得到了以下經(jīng)驗(yàn)和啟發(fā)：

1）數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)盡可能地連續(xù)存放，便于上位機(jī)程序高效讀取。

2）邏輯操作盡可能地移到下位機(jī)程序中，讓上位機(jī)程序關(guān)注控制部分和報(bào)表功能。

3）脫硫現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，程序中應(yīng)盡可能地依賴穩(wěn)定性信號(hào)。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于Prodave的鐵水KR脫硫自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合了高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)上位機(jī)程序的便利性和PLC梯形圖語(yǔ)言開(kāi)發(fā)邏輯模塊的可理解與可維護(hù)性，解決了實(shí)際生產(chǎn)中工藝數(shù)據(jù)與設(shè)備信息難以有效結(jié)合問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了鐵水KR脫硫過(guò)程中的自動(dòng)化。本文闡述的脫硫自動(dòng)控制系統(tǒng)已用于實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，使脫硫作業(yè)向標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化邁進(jìn)了一步。

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[2] 常旭.近幾年我國(guó)鐵水脫硫預(yù)處理的發(fā)展及應(yīng)用[J].煉鋼, 2006, 22(5): 52-5559.

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[4] 蘇天森.中國(guó)鋼鐵科技創(chuàng)新與鐵水預(yù)處理技術(shù)的發(fā)展[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào), 2006, 18(12): 1-5.

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