7
惠州西门子一级代理商电源供应商
1 引言
scada系统即数据采集与监视控制系统,是典型的工业自动化系统。某型号战车主要负责电子侦察与通信指挥,作为一个机电一体化系统,其复杂程度丝毫不亚于工业生产线,实时监控至关重要。车载scada系统由三大部分组成:上位机(含hmibuilder组态界面)、下位机plc(西门子s7-300)、传感器及执行部件。其主要功能有:战车行驶速度监控与报警、车载电子设备参数设置与数据采集、实时数据曲线显示与报表、历史数据存储与查询等。系统通过组态建立友好而直观的人机交互界面,实现了对战车运行状况尤其是动力系统和车载电子设备的实时监控。
2 系统硬件结构
车载scada系统选用北京昆仑纵横公司hmitech系列嵌入式工控机tpc105作为上位机。tpc105是一套以嵌入式低功耗cpu arm-2440为(主频400m hz)的嵌入式一体化工控机。该产品采用了液晶触摸屏技术,同时预装了bbbbbbs xp操作系统和嵌入版组态软件hmibuilder,负责提供系统全部监控界面、报警机制与数据记录分析的功能。
下位机则选用了西门子公司s7-300 plc以及相应信号调理模块、i/o模块作为现场控制与数据采集单元。s7-300 plc具有简单实用的分散式结构和多界面网络能力,并且当监控任务增加时可以自由扩展,应用灵活。上位机与下位机通过mpi协议进行通信。
硬件还选用了大量的传感器和执行部件作为现场数据采样和控制执行,主要包括温度传感器、速度传感器、液压伺服机构等。系统的硬件组成如图1所示。
图1 车载scada系统硬件组成
plc的编程选用了西门子step 7 v5.4来进行,硬件组态在step 7的硬件配置编辑器中按照一定的顺序进行的,主要包括以下七个步骤:创建新项目、添加s7-300站、添加导轨、添加电源、添加cpu、添加i/o模块以及保存并编译组态等[1]。
3 基于hmibuilder的软件设计
3.1 监控界面
系统软件体系可分为采集子系统和监控子系统两大部分。
(1) 采集子系统即由step 7编写的梯形图程序,它被下载至plc下位机中运行。
监控子系统即由组态软件编写的监控程序,监控程序的编写是对采集到的数据以及控制参数进行组态的过程。
(2) 车载scada系统选用北京昆仑纵横公司hmibuilder v2.1组态软件开发。作为一套国产工业组态软件,hmibuilder具有界面友好、操作方便、功能强大,并且结构容易扩充等特点。用hmibuilder进行工程组态设计的一般流程步骤如图2所示[2]。
图2 hmibuilder工程组态设计一般流程
为了能及时准确地掌握战车运行状态,软件中建立了战车运行总貌、动力系统监控、卫星通信指挥网监控、电子侦察设备监控四大监控画面以及相应若干子监控画面。基于方面的考虑,系统开机后是用户登陆界面,在经过认证后方能进入系统,并且用户分为一般用户和管理员用户两种。系统用户管理界面和主监控界面示意图分别如图3和图4所示。
图3 车载scada系统用户管理界面
图4 车载scada系统主监控界面
监控画面分为三个区,端是按钮区,实现不同监视界面与功能的切换;中间是主画面区,显示控制参数和战车运行状态,包括各种仪表显示、指示灯、数据曲线、历史报警信息以及控制开关等;底端为信息栏,显示新的报警信息和提示信息。当tpc105触摸屏上位机与plc通信中断时,所有监控参数模拟量显示灰色,开关量闪烁不定,即指示通信故障。为了进一步提高系统性,plc运行控制时立于上位机,这样即使上位机出现故障或断电,plc仍然可以继续完成对战车的控制[3]。
3.2 语音告警的实现
车载scada系统的一个重要功能是及时向车上人员发出语音告警信息和提示信息。一般情况下,可在<数据组态>\<模拟量参数设置>中的“告警处理”选项设置播放告警语音的条件,这些条件包括数据变化率过大、越上限(下限)、越上上限(下下限)等。而对于通道中断这一类事项的语音告警,需要在scada模块(hmibuilder的模块)中的<设置告警>\<设置语音告警>对话框中选择“按类别播放语音”,然后选择通道中断事项即可。针对某个通道的中断事项实施语音告警的详细步骤如下:
(1) 建立一个临时数据点来代表该通道状态。设该站代码为station1,在站station1中建立一个模拟量点channel_status,将该点的属性设置为可写。
(2) 在scada中添加一个调度脚本,名称如channel_audio.tcl,该脚本的作用就是读取通道的状态,并将该值写到刚才建立的模拟量点中,在需要的时候触发语音文件。脚本在scada中设置为循环执行,循环时间可以是1秒钟。脚本内容如下:
set s1 [expr int([get_station_sta -tus "station1"])];
set s2 [expr int([get_analog_val -ue "station1" "channel_status"])];
if {($s1 != $s2) && ($s1 != 8)} {
play_sound "station1_audio.wav" 0;
}
set_analog_value "station1" "channel_status" $s1;
上面脚本的含义是:获得站station1的通道状态,如果这个状态不等于8(8意味着通道正常),则判断之前保存的通道状态是否与本次状态一致,如果不一致则说明是次出现中断,则播放语音文件“station_audio.wav”(注意这个语音文件是事先录制好的,并且放到<工程目录>\dbfile\au -dio目录下)。执行完后,将本次读取的通道状态保存起来,供下次比较使用。
4 结束语
车载scada系统采用工控领域成熟的plc技术和组态软件技术,性能稳定、人机界面友好、可操作性强,能及时为驾驶人员告警信息和辅助决策信息,对于随车人员及时掌握战车运行状态和车上电子设备状态有重要意义。
调质处理是金属热处理的工艺流程,包括淬火和回火两个过程。淬火就是将工件在热处理炉中进行加热至规定温度,然后在水或油介质中快速冷却,回火就是将工件在热处理炉中进行加热至规定温度,然后在空气介质中自然冷却的过程,将上述两个过程分别连续完成,即调质处理。调质处理设备称为调质炉,调质过程的关键在于温度控制。
2 调质自动化系统
2.1 工艺过程
本项目需要调质的工件材料是直径22m/m~80 m/m的棒材按照如下过程生产成符合gb549-1995标准的链环链条产品:将相应直径的棒材按照工艺要求下料,其长度l=6d,其中d为两头半圆圆形的直径;在350kva电加热单机设备上将长度l的棒材进行电阻加热至700℃~800℃,便于折弯;在折弯单机设备上将热的棒材弯成两头为半圆形状、中间局部为直线型整体为椭圆的连环产品;在250kva大功率闪光焊机上进行预热连续闪光对焊焊接,将椭圆的连环形状的接头处焊接牢固,不能存在焊接裂纹;在削刺单机设备上将焊缝处的焊接毛刺修整掉,使产品整体表面光滑美观。由于链环经过闪光对焊焊接,在焊接部位产生了内应力,为内应力并提高链环整体的机械性能和延伸效果,对链环进行热处理,热处理由调质炉中完成。
2.2 调质炉的基本构造
调质炉由淬火炉和回火炉组成,两炉近靠,都是立式结构,整个炉体高约12m,线高约10.5m。炉体的容量较大,下方设有大容积容器,存放热处理冷却介质。淬火过程要求加热升温快,但温度控制精度要求不是很高,回火过程要求升温速度较慢,保温时间较长,而且温度控制精度高,因此淬火炉采用油加热,回火炉采用电加热。由于调质炉体容积大,为提高温度控制精度和调节方便,回火炉的电加热采取炉中分区布置大功率电阻丝方式。根据热处理工艺测算,由上而下共分8个区,其中1区~4区,每区电功率90kw,计360kw;5区~8区,每区电功率75kw,计300kw,共660kw。链条从淬火炉下方由传送机构传送进炉,在炉体内向上运动,经过炉导轮,再在炉体内向下运动,然后出淬火炉,完成了淬火加热过程,出炉的同时在水介质中冷却,然后由传送机构再送入回火炉,在回火炉体内向上运动,经过炉导轮,再在炉体内向下运动,出回火炉后,在空气介质中自然冷却,完成了回火处理,整个热处理过程即完成了链条的调质。链条的运动速度由热处理工艺决定,并能够整定调节。淬火炉和回火炉的温度根据产品工艺调整,淬火炉温度误差不大于±10℃,回火炉温度误差不大于±5℃。一般淬火炉加热温度在1100℃左右,回火炉的加热温度在800℃左右,因此回火炉温度相对误差小于±1%,控制精度较高。
2.3 控制方式确定
实现温度控制的方式很多,根据对该调质设备温度控制要求分析,拟可采用以下方式:
(1) 采用两位控制(即开—关控制),即设定温度时开始加热,设定温度时停止加热,但因为炉体容积大、加热实施的电功率大,温度惯性大,温度实际波动幅度大,控制精度低,不能满足工艺要求;
(2) 采用pid调节,理论上可以提,考虑到链条在运动中,加热分区多,可能不同区域的温度相互影响,调节困难,效果难确定,而且控制系统构成成本高。
(3) 分析可编程序控制器强大的程序控制功能,结合温度控制特点,将温度控制范围区域进行细分,用逻辑功能实现细分的温度区域状态控制,实质上用可编程序控制器构成温度模糊控制系统。模糊控制不需要的公式,是基于经验得出控制规则。
2.4 模糊控制原理
可编程序控制器模糊控制是模糊控制的一种,其是利用模糊结合理论,将人的控制策略的自然语言转化为可编程序控制器的知识库和程序,在可编程序控制器实现控制时,能够模拟人的思维方式,对一些无法构造的数学模型被控对象达到有效控制。如图1为典型的模糊控制系统原理构成。
图1 模糊控制系统原理构成
在模糊控制器中,就是将确定输入模糊化,转化为相应的模糊子集,根据工艺要求及产品特性,我们将该模糊化过程按照偏差划分为7个子集,即表示为e={nl,nm,ns,ze,ps,pm,pl},其中nl,nm,ns,ze,ps,pm,pl分别表示负大偏差、负中偏差、负小偏差、零偏差、正小偏差、正中偏差、正大偏差。
调质炉中的温度通过大功率电阻丝加热获得,每个区域的电阻丝功率分别是60kw或75kw,调节电阻丝的发热功率,即可控制炉中的温度,而调节电阻丝发热功率的依据就是炉中的实际测量的温度与工艺设定温度之间的偏差,通过功率调整单元实现加热功率的调节,从而使炉中温度符合工艺要求。
2.5 控制系统构成与温度采样
结合工艺要求和现场的具体环境,确定用三菱fx2n-48mt可编程序控制器晶体管输出的基本单元和2台特殊功能单元fx2n-4ad-tc构成控制系统。
2.6 控制单元性能
fx2n-48mt是三菱可编程序控制器系列产品中具有代表性的一种,属于小规模系列产品但指令丰富,功能强,可以实现其他产品中大型规模档次的部分功能,使用十分方便,性强,可以适用于各种工业环境。fx2n-4ad-tc的功能是将4个热电偶(k型或j型)的信号输入到可编程序控制器,分辨率k型为0.4℃,j型为0.3℃,其中k型热电偶可以满足额定温度范围为-100~+1200℃,j型热电偶可以满足额定温度范围为-100~+600℃,选用正确的热电偶型号可以满足调质炉温度的测量。
调质炉的回火部分共分为8个加热区域,fx2n-4ad-tc单元有4路输入,因此用三菱fx2n-48mt基本单元和2台特殊功能单元fx2n-4ad-tc构成控制系统即能满足控制要求。不需要特殊的现场电源。
2.7 温度补偿
通过热电偶测量温度,存在温度误差,因此对热电偶冷端补偿。工艺温度在800℃左右,采用eu-2补偿导线即能满足要求,但长度不过50米。
2.8 温度采样设定
由于热处理现场环境恶劣,加热区域多,存在较多的干扰。为提高温度采样的精度,在进行数据处理和模糊控制前,先对数据进行滤波。
对8个加热区域中,每个区域安装一个测量热电偶,个fx2n-4ad-tc模块的4个热电偶测量加热1区~4区,二个fx2n-4ad-tc模块的4个热电偶测量加热5区~8区。fx2n-48mt和2台特殊功能单元fx2n-4ad-tc构成控制单元时,个fx2n-4ad-tc模块接于基本单元右端的,功能模块号为no.0,二个fx2n-4ad-tc模块接于个fx2n-4ad-tc模块的右端,功能模块号为no.1。控制单元的组成如图2所示。考虑到炉体空间较大,温度变化的大惯性,每个通道温度采样16次后再取平均值作为测量输入,8个k型测温热电偶全部选择k型, 作为温度测量输入,因此温度测量设定如图3所示。
图2 控制单元组成
图3 温度测量设定
2.9 温度测量输入
2个功能模块的8个测量输入通道的输入方式设为采样输入平均值。no.0模块4个加热区测量实时温度平均值送到d10~d13,no.1模块4个加热区测量实时温度平均值送到d20~d23。将实际温度与设定工艺温度比较,求出偏差e,并将该偏差e送入数据寄存器中。加热1区~4区,加热5区~8区的偏差分别存放于d50~d57中,如图4所示。
图4 温度测量输入
3 软件设计
3.1 模糊化量推理过程
为进行模糊化处理,根据调质炉的特点和热处理工艺要求,确定模糊控制器的偏差输入量e的范围为[-20℃,+20℃],模糊子集为{nl,nm,ns,ze,ps,pm,pl},也就是负大偏差、负中偏差、负小偏差、零偏差、正小偏差、正中偏差、正大偏差。
为分析方便,仅以no.0模块的通道为例。根据温度调整的实际,确定几个偏差点温度值存放于可编程序控制器数据寄存器d60~d65中,用实际测量的温度偏差e(即寄存器d50中的数据)与d60~d65中的值比较,比较得到的结果确定偏差的隶属度,可以得出相应的偏差模糊化量。因此得出区域的比较模糊化量、比较范围和偏差数据寄存器的示意如图5所示。图模糊控制规则推理如附表所示。
区域比较的模糊化量nl,nm,ns,ze,ps,pm,pl
偏差比较点的数据寄存器设定 d60、d61、d62、d63、d64、d65
图5 偏差比较范围示意图
3.2 程序设计
从析可知,模糊化量实际上就是不需要确定温度的数,而是确定了测量温度与设定温度之间的差值范围,将连续量转化为满足工艺要求的区域范围,通过编程语言,实现温度控制。
如果将区域范围看成一种状态,以上可以得到相应的不同状态,则利用可编程序控制器的辅助继电器,可以非常方便的将模糊化的量转化为辅助继电器的一一对应关系,实际上将温度连续的物理量转化为逻辑量运算,再利用可编程序控制器的强大的逻辑量运算功能实现自动控制。
状态是一个温度范围,fx2n系列可编程序控制器采用范围比较指令,即可完成状态的比较。如图6为模糊化的状态比较程序
1 引言
在冶金企业中,高炉槽下配料系统是高炉不可缺少的组成部分,只有配料系统能正常的将高炉所需的料按一定的比例配好装入左右矿斗中,通过上料小车将配好的料加入炉内,这样才能满足高炉的正常生产的需要,因此配料系统在整个高炉系统中尤为重要。能保证正常配料的前提就是各个称量斗的称达到一定的度、准确度。因此我公司一炼铁车间采用施耐德modicon系列自动化的concept编程软件和ifix2.5作为监控画面控制配料系统全程自动运行,从而真正能够发挥自动化的优越性。
concept是一种基于microsoft bbbbbbs编程软件包,concept也支持984梯形逻辑编程,并可输入已有的modsoft应用程序。我们可任意选择5种不同的iec语言和/或984梯形逻辑语言的组合,以适应不同应用的要求。ifix是一套实现现场数据采集和数据监控功能的的工业自动化软件。ifix可以帮助您地监视、控制生产过程,并优化生产设备和企业资源管理。它能够对生产事件快速反映,减少原材料消耗,提高生产率。
2 配料系统原理
2.1 料斗称
在每个称量斗下对称的安装三个压力传感器,每一个传感器相当于一个整流桥,三个并联于接线盒中,在接线盒中对三个整流桥信号进行处理,再将处理后的信号直接与称重控制器相连接。在称重控制器的输出端17、18端子与高炉系统的plc相接,以便于利用上位机对其进行监控和修改。操作工主要是在备料中监控各个称量斗对应的闸门所处的状态(开到位、关到位)和各个称量斗在放完料后的净料值情况。接下来按照设定值将所选的各秤斗备满,然后手动将前两车物料分别装入地坑矿斗,当所选秤斗物料未能装入地坑矿斗时,可手动用其它秤斗的同种物料将其补足,并点击“置满”按钮使地坑矿斗建立“满”信号。要注意备料前“应备料”的指针正确。将应装车物料的料车停在地坑,料坑控制开关打至自动,则闸门打开放料,料车上行,进入自动程序。
2.2 称重过程
称重过程针对1#仓某称量斗的配料进行说明。在称量设定中1#称主要包括设定值sp、实际值pv、余振值yzz、空值kz、控制值control、净料值jlz、累计值ljz等组成。设定值是指操作工根据配料单所需1#仓的料重量来设定;实际值指振动筛振动后装入称斗中料的实际重量;余振值指振动在筛停止振动后由于惯性所装入称斗中料的重量(人为设定);空值是指称斗放空后所余料的重量;控制值是用于控制实际值与设定值之间量的关系;净料值是称斗闸门打开后实际放到皮带上料的重量;累计值是指多次放到皮带上的料的累加。该累计值每个班清一次零。在备料期间如要改变料重设定值,应先将振筛打至停位,待秤斗放空后再作修改。
3 配料控制系统
3.1 plc配料功能块设计
针对称斗中各个值之间的计算关系,再根椐plc程序,对配料系统进行详细介绍,功能块设计如附图所示,配料系统功能块定义如附表所示。
3.2 plc配料控制
(1) 备料称重。当操作工将该称斗所需的称值设定好,并在周期料批中选中所对应的称量斗,当程序中执行到该批次时,中该称斗上的振筛,即振筛开始启动,高炉系统中plc点00001输出,该点对weight块输入一个信号,在振筛振动过程中,能时时称出称斗中已装入料的重量,即为实际值,当称斗中的实际值大于等于控制值的95%或实际值等于控制值时,称斗就可以建立满信号,即点mxh有输出;建立满信号后,振动筛便能停止振动,在13s延时后形成满延时mys,当满延时来一脉冲时实际值pv付给了满稳值mwz 。
(2) 斗空备料。在高炉程序中选中该称斗备料时,在闸门开到位后,开到位点100005对该功能块有一个输入信号,并能时时称出称斗中还剩料的重量;当称斗中的实际值小于等于所设定的空值时认为是斗空,斗空后延时2s便形成画面中的空信号;在建立空信号后,就给高炉系统一个空信号,使该称斗的闸门关闭,只有在闸门关到位后,该称斗才具备“斗空备料”的条件。
(3) 放料。在称量斗闸门打开放料过程中,只有建立空信号并且放空后闸门关到位才可建立“采空稳值ckwz”信号;“采空稳值ckwz”信号来一脉冲时,将会有以下几项结果 :
● 将目前的实际值给于了空稳值kwz ;
● 将会有净料值出现即:满稳值mwz-空稳值kwz=净料值 ;
● 将本次希望值xwz-bc给于上次希望值xwz-sc ;
● 在每次放空料后会出现一个累计值,即 :净料值+初始累计值=后累计值 。
以上各个量之间还存在一定的运算关系 :上次希望值xwz-sc+设定值-净料值=本次希望值xwz-bc 。
本次希望值xwz-bc-余振值yzz=控制值;在改变设定值与余振值时出现的控制值,只有在满足大于70%小于130%的范围时将本次控制值覆盖上次的控制值 ;当累计值的复位信号r-ljz来一脉冲时,将累计值清零 ;因此,以上各个量,只需操作工来改变设定值、空值、余振值来合理的调整控制值,才能使振动筛在振动时所装入称的料的重量比较合理,从而能达到配料的度。
4 结束语
采用自动补偿的方式,振动筛向称量斗内自动备料,再都装入左右矿斗中,利用上料小车能自动的加入炉内,来满足高炉生产的要求,实现一切自动的目的。劳动生产率、利用系数及铁水合格率得到明显的提高:工人实物劳动生产率由原来的239.68t/人提高到262.13t/人,高炉利用系数由原来的3.56t/m3·d提高到3.71t/m3·d,铁水合格率由原来的96.73%提高到98.69%。通过地监视、控制生产过程,并优化生产设备和企业资源管理。它能够对生产事件快速反映,减少原材料消耗,提高生产率。从而实现高炉自动配料,并通过人性化智能设置,使操作方式方便灵活。
1 引言
自动架用于完成自动换功能,是数控车床的关键执行部件。每一台架需要作上千次的性运转试验才可出厂。为了提高生产效率,提出plc实现自动架例行试验系统项目,项目可以同时对c616-c620型数控车床多台多工位的立式、卧式架做试验。
2 原理设计
项目要求plc自动架试验系统,可完成一至多台,四工位、八工位或十二工位的立式、卧式架做循环的性换运转试验。
2.1 自动架工作原理
不管是哪一类架,其工作原理基本是一致的。架电机得电,电机正转,架完成上升、正向转位(盘前凸、正向转位:卧式架)功能,转至所需位(由探头),电机反转,架完成旋转到位后的台下降锁紧(盘缩回锁紧:卧式架)功能,锁紧后锁紧开关接通,电机断电,至此架一个换运动周期结束。
2.2 自动架电控原理
以四工位自动架为例,自动架电气原理图如图1所示。根据架电气原理图和架探头的结构,可分析,架探头位的检测相当于一个一四位的波段开关,换控制电路由k1、k2及架探头组成,k1架是否旋转到位, k2及探头位分别与t0~t3四个号的信号并联,达到区分架旋转到位后是否与信号的号一致。四个二管并联达到区分不同号有用同一继电器k2检测目的。
图1 自动架电气原理图
架电机顺序控制器受k2触点控制接通,km1得电令电机正转,同时km1常开触点闭合,k3得电,k3常开触点闭合,保电机正反转期间延续闭合,一旦k2断开,电路顺序转入km2线圈得电闭合,电机反转,架锁紧后断电,架运动才能终结。
3 plc电控系统设计
由于试验系统控制对象是四工位、八工位或十二工位的架,先由plc产生循序脉冲,提供四工位、八工位或十二工位的位信号;根据架的工作原理和架位检测电路及电机顺序控制的继电器电路。采用plc取代继电器控制电路,组合成plc自动架试验系统。本系统以四工位自动架为例,八工位、十二工位可根据四工位系统增加循序脉冲信号和位检测电路。
3.1 循序脉冲的产生
图2 循序脉冲发生器波形图
循序脉冲发生器的脉冲信号波形如图2所示。脉冲信号的宽度可根据架一个换周期来定,由于c616-c620数控车床一个换周期为3.5s,在本系统中脉冲信号的宽度设定为5s。
3.2 循序脉冲发生器编程设计
图3 循序脉冲发生器梯形图
图3为循序脉冲发生器的梯形图。用习惯的继电器来描述,当输入继电器x0闭合时,输出继电器mo、m1、m2、m3按顺序产生脉冲信号;当x0断开时,所有输出复位。工作过程如下:
(1) 当x0接通时,计时器t0开始计时,同时产生m0脉冲,计时时间到,t0常闭触点打开,m0线圈断电;m0常开触点闭合,m1开始计时,同时m1输出脉冲。
(2) t1计时时间到,常闭触点打开,m1断电;同时常开触点闭合,t2开始计时,同时m2输出脉冲。
(3) t2计时时间到,常闭触点打开,m2断电;同时常开触点闭合,t3开始计时,同时m3输出脉冲。
(4) t3计时时间到,m3输出断开。接着重新开始产生顺序脉冲,即为循序脉冲发生器的工作机理。对于5s的输出脉冲宽度,以三菱fx2n微型可编程序控制器,t0~t199定时器的时钟脉冲是100ms,须对定时器进行累加至50次。
3.3 plc试验系统
(1) 换控制梯形图:循序脉冲换信号m0~m3加在位检测电路端口与架探头各位处,换控制检测构成了与或关系,与电机顺序控制电路转换成plc的梯形图如图4所示。
图4 换顺序控制梯形图
(2) plc试验系统梯形图:即将循序脉冲发生器梯形图与换控制梯形图串接,就构成plc自动架试验系统的梯形图。
3.4 plc电控图设计
plc产生的循序脉冲换信号为内部继电器或辅助继电器,不占用输入输出接点,对于四工位架的plc外部接线如图5所示。
图5 plc的外部接线图
4 结束语
选用输入24点的plc微型可编程控制器,就可同时对四台四工位架做试验,取代以555时基器为信号源的单台架试验仪。可大大提高生产效率,提高产品性,提高企业经济效益,这是设计plc自动架试验系统的目的。