- 浔之漫智控技术(上海)有限公司
- 服务热线：
15221406036
产品描述
西门子6ES7223-1BL22-0XA8售后
1 引言
21世纪钢铁企业迅猛发展，企业竞争压力随之增大，低端的产品已不具有市场竞争力，这就要求我们开发出具有竞争力的产品。德国是世界上早采用RH精炼技术的国家，早在50年代末期此项技术就已出现,其中RH为当时德国采用RH精炼技术的两个生产厂家的个字母的缩写。至今,全世界已有100余台RH精炼炉。RH精炼技术在美国、日本、西欧得到普遍推广,炼钢生产线对生产的成本控制以及生产节奏要求越来越高，轧钢生产线对钢水的质量要求不断提高，对钢水的温度控制以及碳含量也提出了新的要求。RH(RuhrstahlHeraeus)系统设备是一种用于生产钢的钢水二次精炼工艺装备，广泛用于钢水的脱碳、脱氧、脱气、升温、成分调整及低碳钢冶炼等方面。传过程控制技术发展到今天,在控制方式上经历了人工控制和自动控制两个发展时期。在自动控制时期，过程控制系统经历了三个发展阶段,它们分别是：分散控制阶段,集中控制阶段和集散控制阶段[13]。RH真空处理自动控制系统从上世纪的六、七十年代的继电逻辑控制系统、电动单元组合仪表系统发展到了目前PLC网络控制系统。RH钢水真空处理采用二级计算机控制系统。基础自动化包含电控和仪控，是电仪合一的PLC控制系统;二级自动化采用奔腾PC机，编制数学模型实现过程控制。随着工业自动化技术的不断发展，企业内部信息网、客户/服务器模式、现场总线技术的出现，对RH真空处理自动化和计算机的结构也产生影响。现在RH真空处理自动控制系统采用PLC制系统，在现场控制级采用现场总线技术，在基础自动化级和过程控制管理级采用计算机网络技术，在传动系统方面，全数字化的可控硅整流装置和全数字化的交流逆变装置已经替代了原来的模拟控制的交/直流供电装置。在现场检测仪表方面,具有现场总线通讯能力的智能仪表已经替代了原来的模拟检测仪表。
2 RH真空处理基本工艺
RH系统设备是一种用于生产钢的钢水二次精炼工艺装备，整个钢水冶金反应是在砌有耐火衬的真空槽内进行的。真空槽内部砌有耐火砖衬，以确保真空槽不会被高温钢水烧穿。真空槽的下部带有两个浸渍管，用来插到钢水里，浸渍管内壁砌有耐火砖，热弯管安装在真空槽的上部。被抽走的气体通过真空槽上部的热弯管经过气冷器排放到大气中。
在钢水进行处理之前，浸渍管要浸入即将进行处理的钢水包中。随着真空泵不断抽走真空槽内的气体，钢水表面的大气压不断减小，真空槽内外的气压差迫使钢水由浸渍管流向真空槽。真空槽下部的两个浸渍管，分别为上升管和下降管。钢水处理期间真空环流系统不断向上升管中吹入氩气，相对于下降管产生了一个较高的静压差，这个差迫使钢水从上升管进入真空槽而后在自身重力的作用下从下降管流出，如此使钢水不断循环流动。而在真空泵的作用下真空槽钢水中的氩气、氢气、等气体不断被抽走，使真空槽内始终保持抽真空的状态。同时，真空槽内的钢水在循环流动时还进行着一系列的化学反应，比如脱氢反应脱氧反应加热反应等。通常，为了达到满足某钢种的要求、使钢水成分得到控制的目的，RH在循环脱气过程中还加入了合金处理过程。
3 控制系统的理论分析
在RH真空处理过程中，冶金反应主要基于热力学和动力学的理论。真空冶金时，真空对脱气、碳脱氧、脱碳等反应产生教为明显的影响。
3.1 钢液循环原理
RH的主体设备是一个圆柱体型状的真空室，高度可达7~10m，底部有两根耐火材料做成的管子，其中一根称为上升管，另一根称为下降管，都称插入管，处理时插入到钢水中。当真空室抽成真空状态后，钢水在大气压作用下，升高约1.4m，通过插入管进入真空室。由于在上升管通入氩气，氩气进入钢水后受热膨胀，推动液面上涨，使真空室内上升管一侧的钢水液面显著下降管一侧，钢水向下降管一侧流动，经过下降管回流到钢包，由此产生钢水的循环流动，钢包中钢水就这样在真空室反复循环。
3.2 代控制方法
可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。它实质是一种于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。
4 架构设计
RH控制系统采用两级控制系统组成，分别为一级基础自动化系统和二级过程计算机控制系统，两级系统分别承担不同的功能：
一、基础自动化系统(L1级)：管理整个RH生产过程，由PLC(包括分布各操作台的远程I/O)、OMS(人机接口)、工程师站、编程站及工业以太网络组成。采集现场信号，完成电气设备的逻辑顺序控制、过程回路控制、设备运转操作、设备监视和报警等基本功能。
二、过程计算机控制系统(L2级)：是以L1系统为基础的相对立的系统。对整个RH系统生产过程进行管理和过程优化，并为炼钢厂的管理信息系统及攀钢ERP系统的建立留接口。
RH系统的控制分为两部分，基础自动化控制(L1)和过程计算机控制(L2)。一级控制主要负责基础自动化的一些控制，包括现场执行元件的控制，参数检测的反馈以及电机的交流传动控制等,主要采用西门子工业控制计算机系统和西门子PLC系统实现;二级控制负责一些数据模型的建立，模型动态控制，生产计划编制和流程跟踪，报表系统等,主要采用工业以太网实现。
所有电气和仪表设备安装在单控制柜里，信号连接到过程控制单元的I/O模块。通过安装在PLC继电器输出端或辅助继电器控制所有电磁阀和电机控制。要求的I/O数量是由驱动、仪表和其他用电数量所确定。因此由程序结构确定I/O数量，并考虑所有要求的驱动和控制功能包括20%的备用能力。为了内存要提供30%的备用能力。每机架至少预留一个空槽。除了顺序控制和联锁外，所有重要任务如监视、管理、过程值控制将在基础自动化系统(1级)CPU里实现。
RH基础级控制系统主要用来对炼钢过程进行实时的监测与控制。实现了采集现场信号、进行数据处理、逻辑判断以及现场设备控制的功能。PLC中的控制软件是采用西门子提供的Step7V5.4编程工具实现的。画面软件采用WinCC6.2，为实现对监视和控制生产过程以及对生产数据进行归档和进一步处理提供了良好的HMI。
4.1 环流气体流量调节的PID控制
环流气体流量PID调节的难点在于如何使得操作人员设定的环流气体总的流量,通过PID程序控制分布到4个支管上各自的调节阀进行流量调节，同时将输出反馈给调节阀进行控制。经过仔细研究，在实际生产过程中我们采用了PID串级调节的方法。PID调节主要包括3个主要参数:设定值SV、反馈值PV和输出值MV,把SV与PV进行比较得到MV的值。把操作人员设定的环流气体总的流量除以4后,平均分配到4个支路上的PID控制器的SV值。4个支路上采集到的流量计的过程值作为PV值,各自PID调节的输出为MV值控制各自的调节阀。但是在实际的生产过程中我们发现，偶尔出现个别管路堵塞的情况时，真空槽环流气体的总量与设定值差别很大，环流效果非常差。在控制上做了一些改进，主控制器为我们虚设的一个控制器,它不直接对现场设备进行控制，操作人员设定的环流气体总的流量为主控制器的SV值,把4个支路上采集的流量变送器的气体流量之和为主控制器的PV值,这样这两个值进行比较得出主管路上的MV值。把这个MV值除以4后作为4个分支路上PID控制器的SV值，与本分支路上的流量变送器反馈值做比较进行PID调节控制本分支路上的流量调节阀。
5 系统测试及应用
L1子系统有2套西门子PLC控制站，2台HMI服务器，2套三电可共用的客户机，服务器及客户机安装WinCC软件，用于现场设备的控制及状态监控等。1套L1软件开发和系统维护用的工程师站，工程师站安装Step7编程软件，2台L1用报警报表和编程维护打印机，控制站的主站与分站之间通过PROFIBUS网络通讯，控制站与服务器之间务器与客户机之间通过以太网通讯。
(1)系统软件测试
由于服务器、客户机及工程师站均采用bbbbbbsXP操作系统，且服务器和客户机安装有WinCC软件，工程师站安装有Step7编程软件，所以安装完上述软件后，分别进入bbbbbbsXP和WinCC、Step7进行各项操作实验，检查系统软件运行是否正常。
(2)通讯功能测试，通过下装PLC控制程序和观察监控画面设备动作及状态变化情况判断上位机与PLC之间的通讯是否正常，通过画面操作判断工程师站与上位机之间的通讯是否正常，通过CPU、电源、通讯模板及I/O模板上的指示灯判断主站与分站之间的通讯是否正常。
(3)数字量输出信号测试
利用Step7软件提供的强制功能，强制各输出点，观察模板上对应点的指示灯是否亮，如果通过继电器控制现场设备，观察继电器是否吸合，还要与现场人员联系，确认设备动作是否正常，这样既可测试出数字量输出摸板上各输出点输出是否正常，还能检查出现场设备接线是否正常。
6 结论
本文对新建的RH真空处理的三电自动控制系统的的控制要求、控制理论、控制水平、控制系统的构造、控制功能进行了深入的分析和研究。RH真空处理的自动控制系统选型遵循了、、实用的原则，节约投资的原则;设备选型和装备水平达到了当前的水平。这些工作对于攀钢以后的新建工程及改造工程的自动控制系统选择有一定的借鉴意义。
目前工控领域中广泛使用的可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)大概可以分为两类：传统PLC与软PLC。传统PLC由于自身存在一些不足，例如封闭的硬件体系结构，主要由几家厂商所，而软PLC在开放性及方面潜力，目前欧美等很多西方国家已经把软件PLC作为一个对象进行研究开发。
传统PLC具有硬实时性，正因为如此它才能提供快速、确定而可重复的响应。另一方面，由于软PLC是基于PC而建立在一定的操作系统上，例如bbbbbbs NT，而这并不是一个硬实时的操作系统，这使得以PC为基础的控制引擎实时性问题成为制约软PLC发展的主要因素之一。
针对软PLC在实时性方面的不足，本项目采用基于嵌入式处理器的控制方案，软PLC执行系统作为一个任务在控制器固件内。美国TI公司推出的C6000系列数字信号处理器(Digital Signal Processor)具有很高的处理能力，特别是为其TMS320C6000TM、TMS320C5000TM和TMS320 C28xTM系列DSP平台所设计开发的一个尺寸可裁剪的实时多任务操作系统内核DSP／BIOS，提供抢占式多线程、硬件抽象、实时分析和配置工具，可实现实时线程调度与同步、主机与目标DSP间通信或实时监测。DSP是串行控制的，运算速度快。基于DSP／BIOS实时内核的PLC执行系统，具有相当好的实时性及稳定性。下面着重介绍其设计及实现方法。
1 软PLC的设计规划
1．1 软PLC的架构分析
由PLC执行系统控制的PLC程序划分为一级程序和二级程序，它们的执行周期不一致。一级程序每8 ms执行一次，处理响应快的短脉冲信号，例如外部的操作面板信号和报警信号，在程序末尾自动给出结束标记END1。二级程序为一般的PLC指令，每8n ms执行一次，n为二级程序的分割数。在开始执行二级程序时，PLC执行系统模块会根据执行程序所需要的时间自动把二级程序分割成n块，每个8 ms只执行其中一块，并在二级程序结束时自动给出结束标记END2。
1．2 PLC执行系统的工作原理
PLC采用循环扫描方式工作，进行系统初始化，然后进入循环工作过程包括输入采样、PLC指令执行及输出刷新几个阶段，
1)系统初始化：在循环执行PLC程序前，要进行执行系统的初始化，包括参数的输入及变量初值的设置；2)输入的采样：每次执行PLC程序时，要读取外部输入状态至缓冲区中，以备后面程序查询；3)执行用户PLC程序：执行用户程序，就是CPU从PLC程序的地址开始按顺序逐个执行编译后的PLC指令，过程结果暂存在相应的寄存器内；4)输出的刷新：执行完用户程序后，需要把处理后需要输出的进行外部输出。由于PLC控制的对象大都是变化缓慢的信号，而PLC每次扫描输入和逻辑运算的时间很短，本PLC执行系统设定为每执行一个循环，就进行一遍输出的刷新。
1．3 DSP／BIOS的线程调度
文中的PLC执行系统的开发均在TI公司提供的集成开发环境CCS(Code Composer Studio)中进行，CCS不仅集成了常规的开发工具，如源程序编辑器、代码生成工具及调试环境，还提供DSP／BIOS开发工具。DSP／BIOS是一个精简的实时操作系统内核，具有实时操作系统功能。它提供抢占式多线程，支持多种不同级，每种线程都有不同的执行和抢占特性，分别是硬件中断(HWI)包括时钟函数(CLK)、软件中断(SWI)包括周期函数(PRD)、任务线程()、后台线程(IDL)。线程类型的选取原则：HW1只用来处理对时间要求苛刻的关键任务；SWI用来处理相对立的函数，如果算法要求比较复杂则使用。提供了很多通信和同步的手段，并且拥有自己立的堆栈，因此比SWI灵活。IDL用于执行与时间无关的非关键任务。
在DSP／BIOS线程调度中，硬件中断与软件中断的线程可以暂停运行中的低级任务，而的任务线程用特定的API才能抢占当前运行的低级任务线程，且只有任务线程才能暂停状态。基于PLC执行是一个循环执行过程，且与其它运动线程有复杂的通讯交互，本执行系统将其建立为一任务线程，由DSP／BIOS实时操作系统进行调度。
2 PLC执行系统的具体实现
2．1 数据结构定义
1)PLC指令代码数据结构的定义。PLC用户程序在系统内部以一定的二进制格式存放，采用如下指令开辟一个a字节的内存区存放编译后的PLC指令代码，内存区大小a根据实际情况设定。
long*plc_pt；
plc_pt=(long*)malloc(a)；
2)PLC执行指令结构体的定义。PLC指令代码主要包含内容为指令类型及变量地址，定义如下PLC执行指令结构体：
struct plc_code_type ／／PLC执行指令结构体
{
unsigned char code_type；／／指令类型
unsigned short pt addr；／／变量地址
}；
由此，在初始化时定义一个pk_code_type类型的指针直接指向PLC指令代码区．在进行PLC指令解析时，可直接移动该指针进行指令解析并输出。
2．2 PLC指令解析
PLC执行系统的一个关键问题在于PLC指令的解析，利用DSP的C语言，建立相应的PLC指令的执行函数库。PLC用户程序可看成由多段执行块组成，每个执行块包括条件指令及执行指令。下面分为条件指令解析及执行指令解析来进行描述。
2．2．1 条件指令解析
定义一个变量来保存条件指令解析结果，以便在解析执行指令时根据此条件指令解析结果进行执行指令处理。
例如常开触点(LD)可以用如下函数实现：
void plcLD(plc_code_type&pc)
／／pc表示当前指令在用户程序中的指针位置
{ if(1==pc->pt_addr)／／指令的地址为1
{
plc_result&=0x01；／／闭合状态置位
}
}
2．2．2 执行指令解析
执行指令则根据当前执行块条件指令结果来判断对元件地址进行相应处理。例如置位指令(SET)可以用如下函数实现：
void plcSET(plc_code_type&pc)
{ if(plc_result&1)
／／判断条件指令，闭合，有输出
{
pc->pt_addr|=0xff；／／对应地址置位
}
}
这样，逐个对PLC执行块进行解析，输入和输出单元的刷新同样利用函数来实现，后通过输出口送出控制量，实现对用户PLC程序的执行控制。
2．3 PLC执行系统运行流程
在DSP／BIOS配置工具下的Scheduling项目中建立一个任务线程，比如为PLC_Deal_Task，并对该任务函数的级及其它相关内容进行设置，则可直接在PLC_Deal_Task线程中进行PLC指令解析处理，并实现PLC的循环扫描功能。
总体设计思想如下：设定一级程序的执行周期为m个指令计数执行一次，m与扫描周期有关。在进入二级循环后，判断指令计数是否大于m，未到m，则进入执行二级程序。如果条件满足，跳出循环，1周期完成，
3 测试分析及应用
3．1 软PLC执行系统的测试分析
根据上述设计方法构建出PLC执行系统，设计实际应用的PLC程序并在试验机上进行测试，观察设备的逻辑动作及执行系统性能情况。C CS提供了一系列可视化工具对运行系统的性能进行测试，“CPU负荷图”用于分析CPU的利用率，“任务执行图”可以出系统是否符合实时性要求。现根据微钻刃面检测机的工艺过程设计了其PLC程序，下载到本软PLC执行系统中运行，通过CCS监测工具监测其运行性能。图3是CPU负荷图，负荷峰值在25％左右，变化平稳；图4是任务执行图，图中左边栏下面的Assertions项目用于指示某个实时性要求没有达到，或是侦测到某个无效状态，如果Assertions项目没有出现小方块则表示对应线程的调度满足实时性要求。另外，经上机调试，设备整体运行逻辑也按照程序要求运行。此实验表明，基于DSP／BIOS的软PLC执行系统能够满足实时控制的要求且工作稳定。
3．2 软PLC执行系统的应用
传统PLC的一个缺点是硬件体系结构相对封闭，并且成本高，例如日本三菱PLC FX2N系列控制器本身未集成运动轴控制功能，每增加一个运动轴的控制均需额外扩展脉冲发生器单元(Pulse Generatint Unit，PGU)，如果在多轴设备上应用可能会造成成本过高并且灵活不够。本课题组开发的运动控制器IPMC8188可立控制8轴，软PLC执行系统作为一个任务运行在该控制器的固件中。对比传统PLC，有稳定强大的PLC功能的运动控制器可降低控制系统构建的复杂程度，提高控制效率及开发效率。图5所示为内嵌软PLC执行系统的IMPC8188运动控制器，目前，该型运动控制器已在全自动刃面检测机、自动贴片机及全自动微钻磨尖机等自动化设备上使用并稳定运行。
4 结束语
基于嵌入式处理器的软PLC执行系统能有效的软PLC在实时性及稳定性方面的不足，并且由于自带操作系统，有地数据存储和自恢复功能。文中论述的基于DSP／BIOS的PLC执行系统的设计，与运动控制相结合，在小中型自动化设备方面应用广泛，另外在实现大规模系统的综合性自动控制方面也有很大的发展潜力。
可编程计算机控制器，简称PCC（programmable computer controller），作为一个全新的概念于90年代中期在工控界提出，它是一种不同于可编程逻辑控制器PLC（program logic controller）及工业控制机IPC（industry personal computer）的新一代可编程计算机控制器，代表了当今工业控制技术的发展趋势。
PCC是在PLC的基础上发展起来的，它不但吸取了PLC的全点和IPC的长处，而且它自身的优势非常明显。PCC中采用了分时多任务操作系统，这样编程者可以十分灵活地利用操作系统调度管理整个系统，摆脱了PLC中单个程序对硬件的依赖，这对整个系统的运行，维护都有重要的意义。PCC模式比IPC模式同样具有优势，虽然IPC功能强大，界面友好，但IPC模式开发周期长、现场布线不够灵活、安装体积大和扩展性差，而且IPC模式主要是通过接口板转换各种信号，干扰也是一个很大的问题。
PCC中集成了PLC、IPC和大型计算机的各自优点，为工控界提供了高水平的控制平台。设计时能提供面向工业的化、标准化并符合软件及硬件的模块化的设计，PCC能够方便地处理设计中的开关量、模拟量，能够灵活地进行回路调节，而且能够使用语言编程。PCC技术，在世界上以奥地利大的跨国公司贝加莱（B&R）作为代表，在其产品中已经成功地应用了PCC技术。其他跨国大公司，如西门子（SIEMENS）、通用电气（GE）、欧姆龙（OMRON）等，近也提出将在其新产品中发展、跟踪PCC技术。
产品推荐
