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        基于PLC的冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)研究

        2021-01-24 07:57:12王宜利
        世界有色金屬 2020年21期
        關(guān)鍵詞:波特率冶金高爐

        王宜利

        (中鋼石家莊工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,河北 石家莊 050021)

        基于冶金高爐大型化以及復(fù)雜化的特點(diǎn),冶金高爐在生產(chǎn)過程中,經(jīng)常會出現(xiàn)各種各樣的故障,這就要求對于冶金高爐生產(chǎn)的監(jiān)控能力也必須隨之提高。監(jiān)控冶金高爐生產(chǎn),是確保冶金高爐安全、穩(wěn)定工作的重要前提條件??紤]到冶金高爐生產(chǎn)中出現(xiàn)的情況多種多樣,無法以一個(gè)定性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行監(jiān)控。國內(nèi)學(xué)者對冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的研究較多,但在實(shí)際應(yīng)用過程中普遍存在監(jiān)控效率低的問題,無法達(dá)到預(yù)期的應(yīng)用效果。PLC又稱為可編程控制器,具有靈活性高、操作方便、可靠性高以及拓展性強(qiáng)等眾多優(yōu)勢,已經(jīng)廣泛應(yīng)用到控制、監(jiān)控、管理等多個(gè)領(lǐng)域中。因此,本文將PLC引進(jìn)到冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中,以PLC為核心技術(shù),設(shè)計(jì)出一種新的冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng),致力于通過PLC技術(shù),利用調(diào)制解調(diào),讀取冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控命令信號,從根本上提高冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控效率,為冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控提供技術(shù)支持。

        1 PLC技術(shù)概述

        PLC技術(shù)作為自動化控制方法中應(yīng)用最廣的可編程控制器,主要應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境下,在本質(zhì)上是一種數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)[1]。PLC已經(jīng)具備成熟的控制技術(shù),以其優(yōu)異的傳輸性能和可編程性,能夠通過可編程控制器,可靠、穩(wěn)定地控制系統(tǒng)功能,進(jìn)而提高系統(tǒng)的工作效率[2]。為此,本文基于PLC設(shè)計(jì)冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。

        2 基于PLC的冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分

        在設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)中,首先設(shè)計(jì)硬件部分。本文設(shè)計(jì)的硬件在傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)高性能傳感器,再通過設(shè)計(jì)三相電調(diào)理電路作為高性能傳感器的補(bǔ)充,致力于提高監(jiān)控硬件綜合性能。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容,如下文所述。

        2.1 高性能傳感器選型

        結(jié)合實(shí)際冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控的需要,本文設(shè)計(jì)的高性能傳感器設(shè)備型號為ME3-458798,用于監(jiān)控冶金高爐生產(chǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。傳感器內(nèi)置MPU-90120芯片,MPU-90120芯片作為一個(gè)封裝的復(fù)合型芯片,能夠有效提高冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳感精度。ME3-458798高性能傳感器,具體參數(shù)指標(biāo),如表1所示。

        表1 ME3-458798高性能傳感器設(shè)備參數(shù)

        結(jié)合表1所示,ME3-458798高性能傳感器設(shè)備工作電壓為2.8V~6.5 V,所承受電流值小于40 mA。ME3-458798高性能傳感器設(shè)備能夠監(jiān)控冶金高爐生產(chǎn)狀態(tài)下的各項(xiàng)參數(shù),多種維度監(jiān)控冶金高爐生產(chǎn)中的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo),滿足冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性要求。

        2.2 設(shè)計(jì)三相電調(diào)理電路

        在高性能傳感器的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)三相電調(diào)理電路主要用于防止由于缺相問題,導(dǎo)致高性能傳感器無法正常運(yùn)行。通過該三相電調(diào)理電路感知電壓情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)高性能傳感器中的相序錯(cuò)亂問題,有效避免相序錯(cuò)誤。在三相電調(diào)理電路中,一旦發(fā)現(xiàn)異常情況,立即斷開高性能傳感器內(nèi)部繼電器并報(bào)警。通過三相電調(diào)理電路的設(shè)計(jì)最大程度上提高本文設(shè)計(jì)高性能傳感器的可操作性,保障系統(tǒng)硬件安全。

        3 基于PLC的冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分

        3.1 基于PLC建立PPI高級監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集協(xié)議

        為提高冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控效率,通過PLC可編程控制器建立PPI高級協(xié)議,允許一個(gè)設(shè)備與另一個(gè)設(shè)備之間建立邏輯連接[2]?;赑LC通過RS 232或USB接口采集冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)采集速率控制在1.0kbps至110.5kbps之間。以PPI高級監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集協(xié)議中所支持的最大連接個(gè)數(shù)為標(biāo)準(zhǔn),限制監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)交換信息量。在冶金高爐實(shí)際生產(chǎn)過程中,監(jiān)控產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量不大,因此PLC所需交換的信息量也在控制范圍內(nèi)?;诖耍瑢PI高級監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集協(xié)議發(fā)送和采集的數(shù)據(jù)字節(jié)均控制在2個(gè)以下即可。本文通過將PLC技術(shù)應(yīng)用在冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中,保障冶金高爐生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)采集的智能化調(diào)頻功能。利用PLC控制網(wǎng)絡(luò),將實(shí)時(shí)采集的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送至前端顯示區(qū)域。這樣一來,既能夠保證冶金高爐的穩(wěn)定生產(chǎn),還能夠通過調(diào)頻通信模塊監(jiān)控冶金高爐生產(chǎn)效率。與此同時(shí),監(jiān)控冶金高爐生產(chǎn)中的電流、電壓,根據(jù)電流、電壓的具體變化情況,判斷監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集信號是否出現(xiàn)波動,一旦出現(xiàn)波動幅度過大的情況,立即調(diào)整變頻參數(shù),不斷調(diào)整傳輸速度確保監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能的穩(wěn)定運(yùn)行,保護(hù)系統(tǒng)中的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)不會丟失,保障冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集過程中的安全性。在此基礎(chǔ)上,基于PLC的可編程性標(biāo)簽信息,提高監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集效率。

        3.2 讀取冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

        在基于PPI高級監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集協(xié)議采集監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,讀取冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。讀取冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的具體流程為:首先,利用PLC控制監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的通行通道,將監(jiān)控點(diǎn)得到的冶金高爐生產(chǎn)應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為應(yīng)力值。具體轉(zhuǎn)換公式,如公式(1)所示。

        在公式(1)中,σcd指的是監(jiān)控點(diǎn)讀取應(yīng)力;E指的是冶金高爐生產(chǎn)工作溫度;ε指的是監(jiān)控點(diǎn)應(yīng)變值[3]。為獲得更加精準(zhǔn)的監(jiān)控成果,還需在得到的應(yīng)力值中剔除初值誤差、徐變誤差以及溫度誤差,進(jìn)而得到冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控真實(shí)數(shù)據(jù)。設(shè)冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控真實(shí)數(shù)據(jù)為σ,則其計(jì)算公式,如公式(2)所示。

        在公式(2)中,σxb指的是初始值誤差;σss指的是監(jiān)測點(diǎn)徐變應(yīng)力誤差值;σwd指的是溫度差引起的應(yīng)力誤差值。通過公式(2)計(jì)算得出的結(jié)果,就是冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控的成果。在此基礎(chǔ)上,利用SVDE/SEFV指令讀取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),按照冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控狀態(tài)字節(jié)的表現(xiàn)方式,描述此系統(tǒng)的監(jiān)控功能;最后,將讀取的冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)寫入端口數(shù)據(jù)中,完成冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控。

        4 實(shí)例分析

        4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

        表2 冶金高爐具體參數(shù)

        構(gòu)建實(shí)例分析,選取K冶金高爐生作為實(shí)驗(yàn)對象。冶金高爐具體參數(shù),如表2所示。

        結(jié)合表2冶金高爐具體參數(shù),設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量為3個(gè),本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為測試兩種監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控波特率,監(jiān)控波特率指的就是監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)每秒的波形振蕩數(shù),監(jiān)控波特率數(shù)值越高,證明該監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控效率越高。設(shè)置監(jiān)控實(shí)時(shí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)為17:50、18:00以及18:10,首先使用本文設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng),利用PLC監(jiān)控冶金高爐生產(chǎn)狀態(tài),采用Hadoop-1.0.3穩(wěn)定版記錄監(jiān)控波特率,設(shè)其為實(shí)驗(yàn)組;再使用傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng),監(jiān)控冶金高爐生產(chǎn)狀態(tài),同樣記錄監(jiān)控波特率,設(shè)其為對照組。

        4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

        根據(jù)上述設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),對比兩種監(jiān)控系統(tǒng)下得到的監(jiān)控波特率,整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖1所示。

        圖1 監(jiān)控波特率對比圖

        通過圖1可得出如下的結(jié)論:本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)在相同的測試時(shí)間中監(jiān)控波特率明顯高于對照組,監(jiān)控效率更高,能夠?qū)崿F(xiàn)冶金高爐生產(chǎn)高效監(jiān)控。通過實(shí)例分析的方式可以證明,所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控方面。

        5 結(jié)語

        通過實(shí)例分析證明,PLC在冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中的具體優(yōu)勢已經(jīng)顯現(xiàn)出來。冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控波特率的高低是保證冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控效率的主要衡量標(biāo)準(zhǔn),而針對冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行基于PLC的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以大幅度提高冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控效率。綜上所述,通過本文進(jìn)行的基于PLC的冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)研究,能夠取得一定的研究成果,有理由在實(shí)際應(yīng)用中對其進(jìn)行大力推廣?;赑LC的冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)不但能夠完成傳統(tǒng)系統(tǒng)所不能完成的任務(wù),還能以PLC為核心,為冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控領(lǐng)域的研究提供學(xué)術(shù)意義,促進(jìn)冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控方面的研究能夠有更好的發(fā)展。

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