工業(yè)石灰窯MVC架構(gòu)的PLC控制系統(tǒng)＊

楊盛泉，荊 心，楊洪波，王勁松，羅清道

（1．西安工業(yè)大學 計算機科學與工程學院，西安710021；2．黃岡市華窯中興窯爐有限責任公司，黃岡438000）

石灰的主要成分是氧化鈣（CaO），是非常重要的建筑材料和工業(yè)原料，廣泛用于鋼鐵、農(nóng)藥、醫(yī)藥、皮革、紡織等行業(yè)的產(chǎn)品．石灰品質(zhì)的好壞直接影響著其相關(guān)聯(lián)產(chǎn)品的質(zhì)量．石灰窯是生產(chǎn)石灰的重要熱工設備，目前國內(nèi)外石灰窯都基于傳統(tǒng)的方式生產(chǎn)過程控制，即采用人工操作或者部分設備相對獨立的半自動化控制．這種控制方式的缺點是石灰窯各設備工作協(xié)調(diào)性差，工人勞動強度大，易受主觀因素的影響，從而導致石灰產(chǎn)品質(zhì)量時常不穩(wěn)定，過生燒率高，煙塵污染大，生產(chǎn)效率低．

可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一種具有微處理器（CPU）的數(shù)字電子控制器，可以將控制指令隨時加載內(nèi)存內(nèi)儲存與執(zhí)行，它是專為工業(yè)設備進行底層控制的核心裝置．PLC它不僅能實現(xiàn)復雜的邏輯控制、算術(shù)運算、PID閉環(huán)控制功能，而且具有很強的抗干擾能力與高可靠性，它的集成度高、體積小，能在惡劣環(huán)境下長時間連續(xù)不間斷地運行［1］．MVC（Model、View、Controller）模式把一個系統(tǒng)的輸入、控制處理、輸出流程按照模型、視圖、控制器的方式進行分離［2］，他是當下一種流行的軟件設計模式，將他應用到工控系統(tǒng)可以使得系統(tǒng)的分析、設計到實現(xiàn)的復雜度大大降低，同時使得系統(tǒng)的可維護性、健壯性得以提高．

文中基于MVC模式，利用PLC自控控制技術(shù)的優(yōu)勢結(jié)合傳統(tǒng)PC機的圖形人機界面的特長研究與開發(fā)新型的石灰窯自動控制系統(tǒng)．

1 石灰窯工藝運行原理與系統(tǒng)控制硬件設計

石灰窯在運行過程中，其生產(chǎn)經(jīng)歷從原料配料、混料、提升加料、燒成、出灰一系列工序，這些工序環(huán)環(huán)相扣，任何一個環(huán)節(jié)出問題對石灰的產(chǎn)量、質(zhì)量都會產(chǎn)生重大影響［3］．根據(jù)石灰窯的運行工藝流程特點設計出分層的集散控制系統(tǒng)，它具有集中管理分散控制的特點［4］．

1．1 石灰窯生產(chǎn)工藝運行原理

石灰窯煅燒生產(chǎn)首先是選擇優(yōu)質(zhì)的石料和煤料分別存放到石料倉和煤料倉中，經(jīng)過振動篩去除細小雜質(zhì)傳送到各自的電子秤按照設定的配比稱量后，通過混料皮帶均勻混合，其混合需要按照事先設定的比例混合，如果當次有偏差，則需要到下一次稱量時自動補償；繼而由窯底的卷揚機將裝滿混料的料斗通過斜拉提升架至窯頂布料器，布料器完成給石灰窯混料均勻布料輸送到窯內(nèi)．

混料靠自重克服窯內(nèi)熱氣流的浮力而緩慢向下運動，相繼通過石灰窯的預熱帶、煅燒帶、冷卻帶．在此期間，混料中的石料在下降過程中，經(jīng)過熾熱的煤料與助燃空氣和二次風燃燒產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物進行復雜的煅燒化學反應，從而導致石灰石的分解和生石灰的晶粒的發(fā)育成長，當全過程完成時，也被底部的助燃空氣冷卻降溫至40～60℃．然后由石灰窯的圓盤出灰機和兩段密封閥在不泄漏助燃風的情況下，將石灰卸至窯外皮帶機上．再經(jīng)顎式破碎機破碎并篩分，最后經(jīng)過斗提機輸送到石灰成品庫倉［3，5］．

1．2 系統(tǒng)控制硬件設計

根據(jù)石灰窯生產(chǎn)的工藝運行機理，設計的石灰窯控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，為典型的集散控制系統(tǒng)模式，主要包含三層，每一層包含內(nèi)容與作用均不同．其描述為

① 應用層（Application layer）．它為系統(tǒng)的外圍連接層，主要由石料電子秤、煤料電子秤、工業(yè)控制計算機人機界面組成．石料電子秤與煤料電子秤通過RS485通信將配料采集數(shù)據(jù)送入到控制層．人機界面為最終系統(tǒng)與操作人員交換的界面，它通過TCP／IP協(xié)議連接到控制層，它可以實時地顯示系統(tǒng)的實際工藝畫面、運行曲線、動態(tài)數(shù)據(jù)等信息．

② 決策層（Policy layer）．它為系統(tǒng)的的核心層，其由電源模塊、CPU模塊，開關(guān)量（I／O）模塊、A／D采集模塊、D／A控制模塊等單元以積木式方式組合成．

③ 設備層（Device layer）．它為系統(tǒng)的最底層，為石灰窯各個設備的采集與動作單元，其由溫度傳感信號、壓力傳感信號、料位傳感信號、助燃風閥輸出、二次風閥輸出、窯出灰閥輸出、窯出灰閥輸出、窯設備運行狀態(tài)、電子秤運行狀態(tài)、電子秤控制動作等組成．

基于工業(yè)控制計算機和儀器儀表、PLC、外部信息采集單元與執(zhí)行機構(gòu)這種分層開發(fā)方式充分利用集散系統(tǒng)多種設備通訊技術(shù)和各部分相對獨立分布式工作的特性，由于其良好的可移植性、健壯性、可重用性和安全性以及靈活的軟硬件組態(tài)機制等優(yōu)點而廣受工業(yè)控制行業(yè)開發(fā)人員的歡迎．

圖1 基于PLC控制的系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)Fig．1 System hardware architecture based on PLC control

2 MVC模式軟件系統(tǒng)設計

MVC框架是Xerox PARC在20世紀80年代為編程語言Smalltalk-80發(fā)明的一種系統(tǒng)設計模式，已被廣泛使用到各行各業(yè)的軟件設計開發(fā)當中．使用MVC將系統(tǒng)開發(fā)的整體被分成三種核心部件：模型（Model）、視圖（View）、控制器（Controller），它們相對獨立地并協(xié)同處理程序任務［6］．由于MVC框架是一種系統(tǒng)設計設計思想而不是具體軟件實現(xiàn)技術(shù)，不同行業(yè)系統(tǒng)設計開發(fā)人員對于不同的系統(tǒng)其MVC框架模式的描述往往不同，其基于MVC思想的技術(shù)方案表現(xiàn)為多種多樣［7］．本系統(tǒng)考慮到工業(yè)石灰窯控制工作的涉及到工控機、電子秤儀表、PLC以及其他外部設備等多接口特性，這些接口的設備要根據(jù)產(chǎn)品工藝曲線要求協(xié)同完成生產(chǎn)控制，系統(tǒng)設計的基于MVC架構(gòu)的石灰窯軟件功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是由若干個Model、View、Controller組成．本系統(tǒng)的軟件主要由應用層工業(yè)控制計算機PC程序、決策層PLC程序組成，這些程序中完全按照MVC架構(gòu)思想設計，它們聯(lián)合起來內(nèi)部形成若干邏輯上的MVC組合體，針對石灰窯不同的控制要求完成不同的控制或者管理工作．

2．1 登 陸

系統(tǒng)的操作人員通過工業(yè)控制計算機的登陸、注冊入口界面（PC View），系統(tǒng)的新用戶需要注冊，已注冊的用戶則需要輸入用戶名、口令信息給View，然后經(jīng)過基于角色訪問控制管理（PC Controller），按照實現(xiàn)設定的不同的角色所見到的用戶界面不一樣，完成的工作也不一樣策略模型（PC Model），最后進入其具體的石灰窯多媒體人機交互操作界面（PC View）．在此PC Model中石灰窯系統(tǒng)設計了四級登陸MVC角色權(quán)限，具體為：系統(tǒng)管理員（Right＝0）、石灰工藝員（Right＝1）、燒成班長（Right＝2）、操作人員（Right＝3），它們分別對應不同的操作PC View．

圖2 基于MVC架構(gòu)的石灰窯軟件系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設計Fig．2 Design of the lime kiln software system functional structure based on the MVC architecture

2．2 石灰窯燒成控制

石灰窯的燒成機制是連續(xù)生產(chǎn)的方式，石灰窯形狀為花瓶裝樹立著，所以也稱豎窯、筒窯或者立窯，它的從上向下燒成過程分成：預熱段、煅燒段、冷卻段、出灰段．其過程要控制不同階段的溫度和壓力，不同的石灰產(chǎn)品往往有著不同的燒成溫度曲線模型（PC Model）和壓力曲線模型（PC Model），控制溫度一般可以調(diào)整燃料配比和助燃風的流量，控制壓力一般可以調(diào)整助燃風和二次風的流量，在PLC內(nèi)部通過石灰窯溫度與壓力曲線控制（PLC Controller）來調(diào)控D／A閥門實現(xiàn)．石灰窯溫度與壓力曲線控制（PLC Controller）工作時采用特定的PID算法參數(shù)模型（PLC Model）進行運算使得窯內(nèi)采集溫度、壓力與實際產(chǎn)品工藝曲線設定值一致，PLC通過以太網(wǎng)口TCP／IP協(xié)議將運算調(diào)控結(jié)果反映到石灰窯多媒體人機交互操作界面（PC View）；整個石灰窯燒成控制運行過程反映了PLC動態(tài)地調(diào)整外部設備使得窯爐工控跟隨產(chǎn)品工藝設定參數(shù)的MVC過程．

2．3 石灰窯開關(guān)量邏輯控制

石灰窯開關(guān)量邏輯控制MVC主要為稱重邏輯控制MVC、上料邏輯控制MVC、窯頂布料邏輯控制MVC、出灰邏輯控制MVC等．稱重邏輯控制MVC通過石灰窯開關(guān)量邏輯控制（PLC Controller）采集電子秤測量數(shù)據(jù) （PLC View）PV與設定的石料與煤料參數(shù)模型（PLC Model）配比參數(shù)SV進行比較運算進行控制振動篩與下料閥．上料邏輯控制MVC通過PLC Controller采集I／O模塊中的皮帶狀態(tài)以及提升機的狀態(tài)與預設的參數(shù)模型（PLC Model）中的上料規(guī)則實現(xiàn)給窯頂送料邏輯控制．窯頂布料邏輯控制MVC通過PLC Controller采集A／D模塊中料位PV數(shù)值與工藝曲線參數(shù)模型（PLC Model）中的加料SV進行運算從而決定是否需要加料控制．出灰邏輯控制MVC根據(jù)PLC Controller采集I／O模塊中的出灰機狀態(tài)通過PLC Model中的出灰規(guī)則進行控制．

這些邏輯控制策略存放在邏輯控制參數(shù)模型（PLC Model）庫中，它由若干產(chǎn)生式規(guī)則（if…then…）形成．如：石灰窯開關(guān)量邏輯控制（PLC Controller）通過PLC的RS-485通信口實時采集電子秤測量數(shù)據(jù)（PLC View）中的石料與煤料的重量為PV，通過邏輯控制參數(shù)模型（PLC Model）中的稱重邏輯控制參數(shù)為SV，e位稱重閾值，其產(chǎn)生式規(guī)則如下：

if abs（PV-SV）＜e then CloseWeight；／／關(guān)閉稱重系統(tǒng)

if abs（PV-SV）＞＝ethen OpenWeight；／／打開稱重系統(tǒng)

2．4 石灰窯數(shù)據(jù)、圖形與曲線

這一部分MVC完全是針對PC機采集數(shù)據(jù)存儲后的查詢、瀏覽、分析控制．石灰窯系統(tǒng)PC機通過TCP／IP可以采集PLC中的稱重上料布料出灰開關(guān)量、電子秤數(shù)據(jù)、加料數(shù)據(jù)、各個部件運行狀態(tài)等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過控制器定期儲存到數(shù)據(jù)庫 （PC Model）中．當用戶通過石灰窯多媒體人機交互操作界面（PC View）發(fā)出數(shù)據(jù)請求后，記錄數(shù)據(jù)、動態(tài)曲線、圖表瀏覽（PC Controller）通過數(shù)據(jù)篩選、統(tǒng)計、優(yōu)化模型（PC Model）執(zhí)行相應的方法，從工藝配方、數(shù)據(jù)儲存與參數(shù)數(shù)據(jù)庫 （PC Model）以圖形或者曲線、目標變換數(shù)據(jù)返回到用戶操作界面（View），供用戶進一步分析或者二次決策．

在石灰窯控制系統(tǒng)中進行這種顯示與行為分離的MVC設計可以帶來很多好處，一方面使得各子系統(tǒng)的功能相對簡單，從而易于實現(xiàn)，也降低了維護的難度；另一方面，又進一步的隔離了工藝配方與歷史數(shù)據(jù)存儲資源庫，從而提高了后臺數(shù)據(jù)的安全性．

3 石灰窯MVC架構(gòu)軟件系統(tǒng)實現(xiàn)

軟件系統(tǒng)實現(xiàn)包含下位PLC程序與上位機PC機程序．針對國內(nèi)某鋼鐵企業(yè)石灰窯控制要求，選取國際知名品牌Siemens S7-300PLC，其硬件組態(tài)配置結(jié)構(gòu)如圖3所示，它一共由兩個機架組成，包含了 PS 307 5A 電源模塊、CPU 315-2PN／DP模塊、DI與DO系列開關(guān)量模塊、AI與AO系列模擬量模塊以及CP340串口通信模塊等．PLC工作時通過PLC的PN太網(wǎng)口與工控機通信，同時通過PLC的CP340串口RS485遵循標準Modbus協(xié)議與托利多稱重儀表通信．

PLC中核心代碼使用SCL語言編寫了若干FC、FB、DB等功能塊．PLC中的這些功能塊分別實現(xiàn)系統(tǒng)中設計的 MVC中的PLC Model、PLC Controller功能．PLC主程序OB1通過定期掃描執(zhí)行若干任務功能塊FC35，其主要代碼為

｛SCL＿OverwriteBlocks：＝ ‘y’｝／／功能塊內(nèi)部寫保護

FUNCTION FC35：VOID／／定期掃描執(zhí)行FC塊

BEGIN

fPeriodRunFlag：＝not fPeriodRunFlag；／／定期執(zhí)行標志

FC05（）；／／系統(tǒng)AD與DA數(shù)據(jù)處理

FB41．DB11（）；／／01＃溫度儀表PID執(zhí)行

FB41．DB12（）；／／02＃溫度儀表PID執(zhí)行

FB41．DB13（）；／／03＃溫度儀表PID執(zhí)行

FB41．DB14（）；／／04＃溫度儀表PID執(zhí)行

FB41．DB21（）；／／01＃壓力儀表PID執(zhí)行

FB41．DB22（）；／／02＃壓力儀表PID執(zhí)行

FC10（）；／／稱重邏輯控制 MVC

FC11（）；／／上料邏輯控制 MVC

FC12（）；／／窯頂布料邏輯控制MVC

FC13（）；／／出灰邏輯控制 MVC

FC20（）；／／系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)處理

END＿FUNCTION

石灰窯上位機PC程序使用Borland Delphi 7．0進行設計開發(fā)，主要模塊包含：用戶注冊登錄模塊、下位網(wǎng)絡通信模塊、窯爐工藝畫面模塊、數(shù)據(jù)儲存管理模塊、曲線動態(tài)顯示模塊等．核心代碼運用組件與多線程的思想來設計實現(xiàn)，每個線程都有它自己的運行內(nèi)存、句柄和系統(tǒng)資源．每一個線程內(nèi)部都包含很重要的TTimer時間觸發(fā)器，它負責為上位機的 MVC內(nèi)部 PC Model、PC View、PC Controller之間的數(shù)據(jù)管理、事務處理、控制輸出等工作．本系統(tǒng)的實現(xiàn)的石灰窯上位機PC程序運行主窗口如圖4所示．

圖3 石灰窯S7-300PLC硬件組態(tài)配置結(jié)構(gòu)Fig．3 Lime kiln S7-300PLC hardware module configuration structure

圖4 基于MVC模式的石灰窯上位機主窗口Fig．4 Lime kiln PC main window based on the MVC architecture

該系統(tǒng)在國內(nèi)某鋼鐵企業(yè)320m3石灰窯MVC模式控制中得到了成功的實施并且已經(jīng)穩(wěn)定運行一年多．跟其同樣物理規(guī)模（320m3）傳統(tǒng)人工為主控制的石灰窯（Old System）生產(chǎn)歷史運行指標數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計評價對比，其結(jié)果見表1．其中活性度指標是表征生石灰水化反應速度的一個指標，即在足時間內(nèi)以中和生石灰消化時產(chǎn)生的Ca（OH）2所消耗的4mol·L-1鹽酸的毫升數(shù)表示；含CaO%表示石灰中有效氧化鈣含量，這個參數(shù)越高說明質(zhì)量越好；生過燒率為生燒與過燒的比例，生燒就是其中部分石灰石沒有完全分解，過燒是石灰石煅燒過渡，使生石灰致密，這一部分生石灰活性低，難于在后面的生產(chǎn)中起反應；環(huán)保指標主要指燃燒產(chǎn)物排放中的煙塵含量．

表1 兩種控制方式運行效果對比Tab．1 Contrast befween the two systems

通過表1可以看出，MVC System比Old System活性度高約21mL、有效氧化鈣含量高約3%、生過燒率低約2%，并且環(huán)保煙塵排放指標低了很多，遠低于國家環(huán)保硬性指標50mg·nm-3．

4 結(jié) 論

工業(yè)石灰窯MVC架構(gòu)的PLC控制系統(tǒng)硬件上由應用層、決策層、設備層等三層組成，其軟件又由若干個Model、View、Controller組成．本系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)簡單易行，具有很強的通用性，該系統(tǒng)在具體的企業(yè)運行實驗對比表明，其可以很大程度上改變了石灰窯傳統(tǒng)控制過程中表現(xiàn)出的產(chǎn)品質(zhì)量差、生過燒率高、環(huán)保指標差、工人勞動強度高等落后狀況．本系統(tǒng)為工業(yè)石灰窯控制行業(yè)提供了較好的模型和方法，具有良好地實際應用推廣價值．

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