基于现场总线小型水泥生产配料控制系统

      1 引言

　　目前我国中小型水泥厂在水泥生产中所占的比例不小，为达到节能降耗、提高质量的目的，采用现场总线技术和智能模块，设计一种低成本，可靠性高，易于维护，操作方便的新型微机配料系统，符合我国为数众多的中小水泥企业的要求。为此，我们开发了基于现场总线的小型水泥生产配料控制系统，并应用于实际生产。本系统不仅提高了生产的可靠性，提高了质量，同时为水泥企业带来了明显的经济效益。

　　2 系统组成

　　整个控制系统由两大部分组成——计算机和控制柜，通过工业以太网将计算机连接起来，系统组成结构如图1所示。配料控制计算机通过RS485通讯接口和电气控制柜内的远端数据采集模块进行通讯。RS485是一种简单的工业现场总线标准，具有良好的抗干扰性和可扩展性，在微机的标准RS232串口上插接光电隔离的RS232/RS485转换模块，就构成了微机的RS485接口，采用这种通讯结构后，微机和它所控制的设备只有简单的总线连接，避免了将过多的连线引入微机造成的干扰，配料控制计算机可采用工业控制计算机或通用型微机。

　　在总线式工控机中，STD总线已较少实用，PC总线工控机价格便宜，软件、硬件开发环境好、用户界面好等优点而得到广泛的应用，影响极大，使PC总线成为事实上的标准总线。工业控制计算机使用工业级电源，采用密封机箱、正压送风技术，用橡胶垫作防震缓冲，采用模块化结构，同时配置了能适应工业控制要求的实时多任务操作系统，对工控领域的吸引力是很大。因此本系统采用工业控制计算机作为过程控制计算机。

　　图1 基于总线的微机配料控制系统的组成结构

　　选择模块作为检测与控制信号方式时，模拟信号检测采用IOM4017L模块，电磁振动给料机和开门电机等由IOM4050控制。

　　IOM4017L是便携的、模拟量检测到计算机的接口单元，用于模拟量的检测。IOM4050是开关量到计算机的接口单元，用于开关量的输出如电动机起停、开关门等。它们都具有抗干扰能力强，可靠性高，传输距离远等特点。内置微处理器，只需二根导线通过RS485网络与控制主机相互通讯，基于ASCⅡ码的命令/底层协议，可以用高级语言编写应用程序，且可以使用组态软件如INTONCH、FIX等组态成为各种监控网络。模块的地址存储在模块的EEPROM中，可由控制计算机进行修改，内置看门狗功能，保证可靠运行。

　　使用多个模块可以方便的构成RS485网络，每个网络最多可串接255个模块，最大传输距离为1200米，该网络通过RS232/RS485转换即连到主计算机。

　　3 系统功能

　　所设计的系统要求成本低廉，可靠性高，易于使用和维护，容易为现场运行人员接受，便于推广应用。为此，该系统具备如下功能：

　　1）数据显示、编辑和统计功能：可显示、编辑台时、配比、调整系统和皮重；对班产量、日产量、月产量和年产量自动进行累计。

　　2）工况图动态显示：如电振机的振动，电机的开关门，出料，动作过程真实生动，且有文字提示。

　　3）检测与故障诊断功能：如料位检测、轴温检测与磨机故障诊断；自动识别缺料、卡秤，启动报警并全线自动停机，屏幕指示故障内容。

　　4）磨机负荷、钙铁仪在线专家控制功能。

　　5）计算机辅助标秤功能和方便的手动控制功能，操作方便准确可靠。

　　4 系统软件设计

　　微机配料系统广泛应用于水泥厂的生熟料配料，早期开发的配料系统的微机采用DOS操作系统，由C语言开发。随着Windows 操作系统的广泛应用，我们用Visual C++对原系统进行了重新设计。微机配料系统采用单文档界面，使用静态链接库，形成一个可执行文件。

　　监控的“实时”要求由定时器方法实现，定时时间为0.5秒。每个周期完成数据通讯、输入输出检测、控制算法、输出刷新、报警输出、画面显示操作。数据通讯的实现采用多线程。命令及数据的输入由Windows操作系统提供的命令及数据输入方法实现。菜单功能实现命令输入，如运行、暂停、打印等，对话框用来进行数据的输入。使用位图进行工况图的显示，通过周期调用不同画面产生动画效果，图2为工况图的动画效果图。

图2 工况图动画效果图

　　磨机负荷的控制采用模糊与专家系统相结合的控制方法，由专家系统确定模糊参数，模糊算法确定下料量的大小。使用的模糊控制主要函数有：模糊化void fuzzylize ；模糊规则推理 void fuzzyRule；反模糊化void refuzzylize ；模糊化修正void modifyFuzzy等。使用的专家控制主要函数有：推理函数int what（struct TREE ＊root，char ＊relate，char ＊name1，char ＊name2）； 规则匹配int matchRule（struct TREE ＊root，char ＊relate，char ＊name1，char ＊name2）；事实查找struct FACT ＊factFind（char ＊relate，char ＊name1，char ＊name2）。

　　5 用OPC接口实现网络数据交换

　　OPC（OLE for Process Control）是一个工业标准，采用Client/Server模式，OPC软件的开发包括OPC Server软件和OPC Client软件的开发。

　　VB中的OPC自动化接口为OPC Client软件的编制提供了方便快捷的编程方式，本系统的智能控制VB软件按Client模式编写OPC接口软件。OPC Client软件必须能实现与OPC Server的连接、断开，必须理解OPC服务器各对象间的相互关系。OPC 服务器包括三类对象：服务器（Server）、组（Group）和数据项（Item）。

　　图3 OPC Server开发工具包使用流程图

　　5.1 OPC 服务器与 OPC 客户的通信机制

　　OPC 客户要连接到 OPC服务器上，并建立OPC组和OPC数据项。为了访问过程数据，OPC客户需要事先指定计算机名、OPC数据访问服务器名和该服务器提供的的OPC项的定义。

　　客户通过对其建立的OPC组与OPC项进行访问实现对过程数据的访问，客户选择设备Device作为其访问的数据源。客户的过程数据访问包括过程数据的读取、写入等，过程数据的读/写采用同步读/写。

　　5.2 OPC服务器应用程序的编制

　　服务器程序的编写需调用工具包接口，其流程图如图3所示。

　　5.3 OPC客户应用程序的编制

　　客户端和服务器的交互主要分为：创建并连接服务器对象；添加组、项；进行数据的读写操作。客户端OPC接口及控制程序流程如图4所示。

　　图4 客户端程序流程图

　　6 故障诊断规则

　　为了及时发现生产中出现的问题，本系统根据生产经验，增加了故障诊断功能，主要依据原则如下：电振机溢料：当计算机控制电磁振动给料机的信号为0时（停止电振动机振动）电振机继续下料，即为电振机溢料，主要表现为控制为0，压力检测信号不断增加，故障原因：①可控硅击穿②电振机故障③输出板故障。

　　电振机卡料：当计算机控制电磁振动给料信号有输出（不为0）时，电磁振动给料机不振。主要表现为：当电振机控制有信号时，重量检测不变。故障原因为：①可控硅坏；②电振机故障；③输出板故障；④重量检测电路故障。

　　料斗溢料：电机关门未能关闭。主要表现为重量为皮重量。故障原因：①电机关门装置坏；②继电器坏；③检测板坏。

　　料斗卡料：电机不能开门。主要表现为重量不能减少。故障原因：①电机开门装置坏；②继电器坏；③检测板坏

　　超时：指在规定的时间周期内不能完成全部配料程序使周期加长。原因：电振机振幅太小，台时太大，而使给料时间太长。

　　故障停：①量程达到满刻度，如A/D输入0-5V，当输入大于等于5V时，A/D转换值不能反映实际重量。②量程超过一定限度，如小斗最多称100公斤，当达到此值时，③长时间不能完成本周期，若每周期20秒，当60秒未完成，则停机。

　　7 结束语

　　本控制系统已在多家小水泥厂应用，实践表明，该系统实现了控制功能要求，稳定性良好，控制可靠、监控操作灵活便捷、功能完善。另外，由于系统增加了许多功能，如显示历史数据、故障报警、打印等，使操作人员能很快发现生产当中发生的故障，缩短了处理故障时间，提高了工艺管理水平，劳动强度明显减少，为企业带来了显着的效益。

　　本文作者创新点为：提出了一种基于总线的低成本水泥微机配料系统，该系统结构简单，实用性强，同时具有故障诊断功能。

　　参考文献:

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　　[2]王建民 孙铁强.工控软件的VC语言开发及微机配料软件的设计[J].河北理工学院学报,2002.S1,25-27

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