張麗,呂霞,王鵬
(萊鋼集團有限公司 , 山東萊蕪 271104)
隨著工業(yè)過程自動化水平的提高,以及工廠級信息集成的要求,需要高速、高精度的采集和處理大量過程數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速率在1~1 000 ms 連續(xù)可調(diào),不但能滿足對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高速性能的要求,同時提供方便且功能強大的數(shù)據(jù)分析功能。近幾年在我國過程自動化數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用越來越廣泛。本文以寬厚板為例,分析探討PDA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的具體應(yīng)用。
PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于PC 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),由于其可以以統(tǒng)一及同步的方式處理大量數(shù)據(jù),并且對不同數(shù)據(jù)格式及通信方式都提供很好的解決方案,因此非常適用于分布式多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)組成大致可分為數(shù)據(jù)源、通信和應(yīng)用程序3部分,如圖1 所示。
圖1 PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
(1) 數(shù)據(jù)源為PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供數(shù)據(jù),可以是智能設(shè)備中存儲區(qū)的數(shù)據(jù),PLC、變頻器、儀表等數(shù)據(jù);也可以是控制流程中的模擬與數(shù)字信號,如按鈕、指示燈狀態(tài),變送器的輸出等;也可以是通過OPC 方式所獲取的數(shù)據(jù)。
(2) 通信鏈路是指數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換,即將數(shù)據(jù)源以某種通信協(xié)議通過VME、PCI、PCI Express 或PCMCIA 等總線接入計算機。PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)支持TCP/IP、OPC、Profibus DP,Modbus等多種通訊協(xié)議,根據(jù)不同的通訊協(xié)議,可以有多種鏈接方式接入計算機。
(3) PDA 數(shù)據(jù)采集服務(wù)器,用于運行數(shù)據(jù)采集服務(wù)器端應(yīng)用程序ibaPDA,可以對采集信號在線顯示,并完成對數(shù)據(jù)采集設(shè)備參數(shù)配置,同時將生成的*.dat 數(shù)據(jù)文件存儲于存儲器中。如果加入了與數(shù)據(jù)庫的接口,還可以將數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)庫中。
對于寬厚板軋線來說,需要進(jìn)行采集的模擬量和數(shù)字量信號總數(shù)較大,包括加熱爐區(qū),粗精軋區(qū)等,每個區(qū)域需要進(jìn)行采集的信號總數(shù)大概有一兩千個,每套PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量較大。而Profibus DP采用的令牌控制適用于重通信負(fù)荷的應(yīng)用環(huán)境。
再者,寬厚板控制系統(tǒng)在L1 基礎(chǔ)自動化級與現(xiàn)場級之間大量采用Profibus DP 現(xiàn)場總線連接,若采用Profibus DP 方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,幾乎不需要對硬件進(jìn)行改動,只需要在主站中完成網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和通信接口的編程,因此,我們決定采用Profibus DP 的通信方式連接控制器和PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過Profibus DP 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,其主要工作原理是在不改變原PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下,加入第三方Profibus DP 從站設(shè)備,通過對主站進(jìn)行PLC 編程,將PLC 變量地址內(nèi)的數(shù)據(jù),也就是需要被采集的信號發(fā)送至該從站,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集;或者加入第三方Profibus DP 總線監(jiān)聽設(shè)備,監(jiān)聽Profibus DP 總線上的數(shù)據(jù),只要用戶知道被采集信號的地址,就可以對該信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在該PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,應(yīng)用了型號為ibaL2B _S7 Direct Access 的通信卡。ibaL2B 通信卡是標(biāo)準(zhǔn)的PCI 接口板卡,通過PCI 總線來連接數(shù)據(jù)采集計算機和Profibus DP 主站設(shè)備,其系統(tǒng)連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 ibaL2B 通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
ibaL2B 板卡相當(dāng)于Profibus DP 的標(biāo)準(zhǔn)從站,通過在Profibus DP 網(wǎng)絡(luò)中組態(tài),可以讓Profibus DP 主站將需要采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至該板卡所代表的從站中,從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。
寬厚板控制系統(tǒng)采用的編程組態(tài)軟件是西門子的PCS7,我們利用PCS7 來完成對Profibus DP 網(wǎng)絡(luò)的硬件組態(tài)和相關(guān)程序編制工作。首先,需要在系統(tǒng)硬件組態(tài)中加入PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對應(yīng)的Profibus DP 從站,組態(tài)的全部工作在PCS7中的對應(yīng)HW config(Hardware configuration)窗口中完成。
裝入iba 提供的 ibaL2B _S7 Direct Access 對應(yīng)的GSD文件IBA_0F05.GSD,將對應(yīng)ibaL2B _S7 Direct Access 從站拖入硬件組態(tài)窗口,掛接到 Profibus DP 總線上。以切頭剪區(qū)域為例,由于采集信號數(shù)量較多,且考慮到采集的信號類型,在切頭剪區(qū)中 Profibus DP 總線網(wǎng)絡(luò)上組態(tài)4個IBA_0F05.GSD 從站,其 Profibus DP 總線PDA硬件組態(tài)畫面如圖3所示,網(wǎng)絡(luò)組態(tài)畫面如圖4所示。
圖3 切頭剪 PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Profibus DP 硬件組態(tài)畫面
圖4 切頭剪 Profibus DP 總線PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)畫面
PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有功能強大的離線分析能力,其離線分析功能獨立于數(shù)據(jù)采集功能,利用由ibaPDA 數(shù)據(jù)采集軟件所生成的數(shù)據(jù)文件,可以在任何一臺計算機上用離線分析軟件ibaAnalyzer 來打開,對數(shù)據(jù)離線分析以及完成生成報表、打印輸出等功能。由PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)文件后綴名為.dat,數(shù)據(jù)文件中集成了不同信號的數(shù)據(jù)測量值,每個采樣點的數(shù)據(jù)都加蓋時間戳記。對于調(diào)試及故障分析,可以以從L1 級基礎(chǔ)自動化獲得的過程數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行分析,同時,也可以以L2 級過程自動化或L3 生產(chǎn)自動化級獲得的產(chǎn)品品質(zhì)數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行分析,從而定量的分析影響其品質(zhì)的因素,為改進(jìn)或優(yōu)化生產(chǎn)加工工藝提供一個簡單易行的量化參考工具。
對于故障分析,通常用時序因果分析法對多個相互關(guān)聯(lián)的信號進(jìn)行分析,可以快速確定故障原因,減少故障持續(xù)時間。以某次粗軋機軋制第二道次時不擺位為例,分析故障原因。圖5是粗軋PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中截取的軋機擺位的相關(guān)信號曲線,其中從上往下信號依次為:
Actual Step RM Roll:粗軋程序?qū)嶋H進(jìn)程
RM AGC:FrRef(AGC)(tons):粗軋 AGC軋制力設(shè)定值(噸)
RM AGC:FrAct(tons):粗軋AGC軋制力實際值(噸)
RM Actual Counter(For Setpoints):粗軋機實際道次計數(shù)
RM Next Counter(For Setpoints):粗軋機下一個道次計數(shù)
RM Preset Request to L2:粗軋向二級預(yù)請求信號
Preset L2 RM Receive:二級接收信號
分析IBA,如圖Actual Step RM Roll曲線可以看出,鋼板在第二道次軋制時,軋制力出現(xiàn)異常波動,如RM AGC:FrRef(AGC)(tons)所示,導(dǎo)致模型認(rèn)為此道次軋制力為600多噸,同時造成粗軋機道次計數(shù)沒有變化如圖 RM Actual Counter(For Setpoints)和RM Next Counter(For Setpoints)曲線所示,認(rèn)為第二道次沒有軋制完成二級設(shè)定值無法下發(fā)。因此軋機第二道次不擺位。再由圖RM Preset Request to L2可看出,操作人員手動請求二級設(shè)定值,但因為此時道次計數(shù)仍保持為第二道次,二級認(rèn)為此申請無效,如 Preset L2 RM Receive 所示,因此仍不擺位。操作工手動軋制幾道次后,道次計數(shù)正常,軋制恢復(fù)正常。
圖5 粗軋PDA軋機擺位的相關(guān)信號曲線
PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能通過多種通信方式與控制系統(tǒng)連接,擴展性好,而且數(shù)據(jù)采集速率高,能滿足數(shù)據(jù)分析對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高速性能的要求,目前已在寬厚板軋線上成功應(yīng)用,同時PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)離線數(shù)據(jù)分析功能強大,為控制系統(tǒng)前期調(diào)試以及故障原因查找提供依據(jù),同時也為數(shù)據(jù)報告的生成以及生產(chǎn)決策系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。該系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。
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