基于以太網(wǎng)的工業(yè)石灰窯PLC自動控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計

楊盛泉，楊洪波，王勁松，羅清道

（1.西安工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710021；2.黃岡市華窯中興窯爐有限責(zé)任公司，湖北 黃岡438000）

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基于以太網(wǎng)的工業(yè)石灰窯PLC自動控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計

楊盛泉1，楊洪波2，王勁松2，羅清道2

（1.西安工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710021；2.黃岡市華窯中興窯爐有限責(zé)任公司，湖北 黃岡438000）

針對當(dāng)前石灰窯傳統(tǒng)方式控制運行中存在的工藝設(shè)備分散、控制精度差、工人勞動強度高、出現(xiàn)故障不能及時響應(yīng)解決等缺點，提出了基于工廠以太網(wǎng)的石灰窯PLC自動控制系統(tǒng)。首先介紹了工業(yè)石灰窯生產(chǎn)線上工藝流程運行機理。其次結(jié)合現(xiàn)場PLC、本地IPC以及以太網(wǎng)客戶端控制的各自優(yōu)點，給出了系統(tǒng)4層硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)：設(shè)備層、控制層、操作層與擴展層。詳細(xì)論述了石灰窯系統(tǒng)中PLC控制子系統(tǒng)、本地IPC子系統(tǒng)、以太網(wǎng)遠(yuǎn)程子系統(tǒng)等3個子系統(tǒng)的模塊內(nèi)容與設(shè)計要點。說明了本系統(tǒng)在企業(yè)中成功實際開發(fā)應(yīng)用情況。

以太網(wǎng)；石灰窯；PLC；自動控制

石灰的主要化學(xué)成分為CaO，它是鋼鐵企業(yè)煉鋼過程中重要的輔助材料，石灰是在石灰窯（也稱豎窯、立窯）中通過將石灰石進行煅燒產(chǎn)生的，其工藝包含稱重、配料、加料、煅燒、出灰、破碎、倉儲等一系列過程［1］。傳統(tǒng)的石灰窯爐產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)時常不穩(wěn)定，同時容易造成嚴(yán)重的煙塵、粉塵污染以及生產(chǎn)效率低下。

PLC（可編程控制器）是一種作為傳統(tǒng)繼電器的替換產(chǎn)品而出現(xiàn)的采用現(xiàn)代先進自動化控制技術(shù)開發(fā)的適應(yīng)工業(yè)惡劣環(huán)境的新型通用自動控制裝置，因此本系統(tǒng)研究采用現(xiàn)場PLC（可編程控制器）、本地IPC（工業(yè)控制計算機）與工廠以太網(wǎng)對石灰窯實現(xiàn)本地與遠(yuǎn)程聯(lián)合控制，它對于提高石灰的產(chǎn)品品質(zhì)、保證工序設(shè)備協(xié)調(diào)安全運行、方便用戶遠(yuǎn)程操作管理、提高工作效率與降低生產(chǎn)成本等具有重要的意義。

1　石灰窯生產(chǎn)工藝運行流程

石灰窯生產(chǎn)石灰的過程需要經(jīng)歷一系列的工序，這些工序環(huán)環(huán)相扣，其工藝運行流程原理如圖1所示，其主要包含：石料倉、煤料倉、振動篩、電子秤、混料皮帶、提升料斗機、布料器、煅燒、出灰機、破碎機、斗提機以及成品庫等［2］。

圖1　石灰窯生產(chǎn)工藝運行流程圖

首先是選擇優(yōu)質(zhì)的石頭和煤炭分別存放到生產(chǎn)線的石料倉和煤料倉中，它們分別經(jīng)過各自的振動篩去除細(xì)小雜質(zhì)傳送到各自的電子秤按照設(shè)定產(chǎn)品配方要求的配比重量稱量后，通過混料皮帶均勻混合送入提升料斗機，繼而由窯底的卷揚機將裝滿混料的料斗機通過斜拉提升架至窯頂布料器，最后布料器完成給石灰窯均勻布料并從頂部滑落到石灰窯窯內(nèi)。

石頭與煤炭的混料依靠自身重力從頂部下落，先后經(jīng)歷石灰窯的預(yù)熱帶預(yù)熱、煅燒帶煅燒、冷卻帶降溫過程，在這整個過程中，混料中的煤炭與助燃風(fēng)和窯爐鼓風(fēng)機的二次風(fēng)進行混合燃燒，其燃燒產(chǎn)物對石頭進行復(fù)雜的煅燒化學(xué)反應(yīng)后，從而導(dǎo)致石頭中的石灰石得到充分的分解形成新的石灰晶體，最后到達窯爐底部被風(fēng)機吹來的冷風(fēng)降溫冷卻。繼而通過石灰窯的星型出灰機送到顎式破碎機進行破碎并細(xì)化篩分，最后經(jīng)過斗提機運送到工廠石灰成品倉庫中。

2　石灰窯控制系統(tǒng)硬件宏觀設(shè)計

根據(jù)石灰窯工藝流程運行特點，設(shè)計的硬件系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。本系統(tǒng)硬件設(shè)計基于集散控制理論的一種擴展應(yīng)用，集散控制系統(tǒng)英文全稱為Distributed Control System，簡稱DCS，也稱為“分布式計算機控制系統(tǒng)”，近年來在化工、機械、窯爐等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。DCS采用集中管理、集中操作、分散測量、分散控制的基本設(shè)計思想，采用多層分級、相互通信的結(jié)構(gòu)形式［3］。

圖2　石灰窯控制系統(tǒng)硬件宏觀結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)采用分層設(shè)計的方式，本系統(tǒng)設(shè)計為四層，從下而上分別為設(shè)備層、控制層、操作層與擴展層。其具體描述如下：

（1）系統(tǒng)的最底層為石灰窯測控的溫度、壓力、料位傳感信號輸入、風(fēng)機設(shè)備控制以及各開關(guān)量輸入輸出，稱為設(shè)備層；

（2）系統(tǒng)的中下層為PLC的CPU單元與連接的模擬量A/D與D/A單元以及開關(guān)量I/O單元，通過測控端子直接連接到石灰窯設(shè)備層，稱為控制層；

（3）系統(tǒng)的中上層為IPC人機操作界面，它位于石灰窯本地控制，體現(xiàn)對石灰窯集中式管理操作模式，它通過MPI連接到PLC，稱為操作層；

（4）系統(tǒng)的最上層為石灰窯企業(yè)遠(yuǎn)程操作設(shè)計做準(zhǔn)備的，它是IPC通過企業(yè)局域網(wǎng)LAN向上拓展的遠(yuǎn)程客戶端，由于石灰窯一般處于廠區(qū)偏遠(yuǎn)地方，石灰窯工藝員或者領(lǐng)導(dǎo)通過其可以遠(yuǎn)程查看與操作設(shè)備，實現(xiàn)了石灰窯操作管理高效化，稱為擴展層。

這種分層設(shè)計的方式，將石灰窯復(fù)雜的測量控制問題劃分成不同的部分，它們上下通過軟件或者硬件接口API進行銜接，這些不同的層次形成相對獨立的子系統(tǒng)，需要進一步細(xì)化設(shè)計與管理，同時需要分別單獨設(shè)計其軟件子系統(tǒng)。

3　石灰窯控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件同硬件分層相適應(yīng)需要分別設(shè)計現(xiàn)場PLC控制子系統(tǒng)、本地IPC控制系統(tǒng)、以太網(wǎng)遠(yuǎn)程子系統(tǒng)。

3.1石灰窯軟件PLC控制子系統(tǒng)設(shè)計

子系統(tǒng)選用在工業(yè)控制領(lǐng)域里面廣泛使用的Siemens公司的S7-300 PLC作為主控制器。其軟件開發(fā)使用Step 7 V5.5集成開發(fā)環(huán)境，使用IEC-SCL語言規(guī)范進行高效率的代碼編寫，子系統(tǒng)設(shè)計了6個循環(huán)控制程序以及全局共享一個PLC數(shù)據(jù)組織塊DB，其設(shè)計原理關(guān)系如圖3所示。

圖3　PLC控制循環(huán)控制程序共享數(shù)據(jù)塊的原理圖

其工作原理以及各個循環(huán)控制程序具體完成內(nèi)容描述如下：

（1）PLC主調(diào)度控制循環(huán)程序OB為子系統(tǒng)主控調(diào)度程序，它負(fù)責(zé)S7-300 PLC上電初始化工作，系統(tǒng)正常運行后，負(fù)責(zé)調(diào)度管理5個下級工作循環(huán)程序的啟動、并發(fā)、同步、停止等調(diào)度管理工作。

（2）原始數(shù)據(jù)采集程序完成采集多個SM 331 AD模塊模擬量數(shù)據(jù)、SM 321 I/O模塊開關(guān)量數(shù)據(jù)，模擬量數(shù)據(jù)包含石灰窯的預(yù)熱帶、煅燒帶、冷卻帶的溫度壓力數(shù)據(jù)以及電子秤的稱量數(shù)據(jù)，開關(guān)量數(shù)據(jù)包含稱重系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、出灰系統(tǒng)的實時狀態(tài)信息等，原始數(shù)據(jù)采集后實時存放到PLC數(shù)據(jù)組織塊DB中去供數(shù)據(jù)分析處理程序使用。

（3）數(shù)據(jù)分析處理程序定時PLC數(shù)據(jù)組織塊DB中取出各種原始采集數(shù)據(jù)，根據(jù)石灰窯實際運行情況運用模擬量方差漂移過濾算法、開關(guān)量穩(wěn)態(tài)避抖過濾算法對原始數(shù)據(jù)進行分析處理，從而剔除外界環(huán)境干擾產(chǎn)生的假象數(shù)據(jù)以及抖動量，最后對原始數(shù)據(jù)根據(jù)實際的工程量進行線性變換再存入到PLC數(shù)據(jù)組織塊DB中供其他控制程序調(diào)用。

（4）窯爐邏輯控制程序在本子系統(tǒng)處于非常重要的位置，它從DB中獲取石灰窯各個設(shè)備的運行狀態(tài)，根據(jù)工藝運行機理進行各種邏輯運算，其包含設(shè)備時序控制邏輯、稱重控制補償邏輯、動態(tài)提升控制邏輯、加料布料控制邏輯、出灰控制邏輯等，這些控制邏輯對應(yīng)于不同F(xiàn)C函數(shù)，函數(shù)的控制參數(shù)、數(shù)據(jù)動態(tài)在DB中進行存取。

（5）溫度壓力控制程序為過程控制塊，石灰窯的各帶必須維持一定的溫度和壓力才能使得石灰石得到充分地煅燒分解生產(chǎn)石灰晶體，因為需要PID算法輸出調(diào)控助燃風(fēng)、二次風(fēng)閥門控制。

PLC中使用PID控制算法的微分方程為：

式中：e（t）=SV（t）-PV（t），t表示時間；TI是積分時間參數(shù)；TD是微分時間參數(shù)；Kp是比例項參數(shù)。

本子系統(tǒng)在S7-300PLC中利用SCL語言實現(xiàn)了連續(xù)型控制的PID控制塊FB，它需要主循環(huán)控制程序精確定時調(diào)用運算，其調(diào)用時間間隔為100 ms，當(dāng)然也可以使用OB35來調(diào)用［5］。

（6）通信響應(yīng)處理程序為根據(jù)用戶層（User-layer）協(xié)議被動完成與上位機通信數(shù)據(jù)交換工作，它預(yù)先將外部共享數(shù)據(jù)實時傳送到DB指定區(qū)域供上位機IPC讀取，同時循環(huán)分析IPC的發(fā)送過來控制指令并執(zhí)行，指令類型以及指令數(shù)據(jù)都由IPC通過MPI協(xié)議寫入到DB區(qū)域。

3.2石灰窯軟件本地IPC子系統(tǒng)設(shè)計

石灰窯本地上位機IPC子系統(tǒng)主要完成人機界面操控功能。IPC子系統(tǒng)通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)將石灰窯的各個設(shè)備運行數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)等實時在工藝畫面上顯示出來。IPC子系統(tǒng)運行的操作系統(tǒng)為Windows 7，后臺數(shù)據(jù)庫使用SQL Server 2005，其軟件采用面向?qū)ο蟮腅mbarcadero RAD Studio XE集成開發(fā)環(huán)境設(shè)計?？紤]到石灰窯在工廠里為特種設(shè)備，其系統(tǒng)操作的用戶有生產(chǎn)管理人員、普通操作工人、窯爐工藝員、設(shè)備安全員等，他們在石灰窯運行中都有不同的任務(wù)，因此IPC系統(tǒng)設(shè)計采用基于角色的訪問機制，不同角色根據(jù)其完成的工作不同，需要設(shè)置不同的操作權(quán)限，進入系統(tǒng)后所操作的人機界面也不同。設(shè)計的子系統(tǒng)的功能層次框圖如圖4所示，主要由石灰窯IPC用戶角色管理模塊、基于角色權(quán)限界面選擇模塊、MPI通信采集控制管理模塊、窯爐數(shù)據(jù)記錄控制管理模塊、人機界面實時顯示管理模塊、溫度壓力動態(tài)曲線顯示模塊、PLC模塊參數(shù)顯示設(shè)置模塊等組成。

圖4　本地IPC子系統(tǒng)功能層次圖

IPC跟后臺S7-300 PLC主要通過CP5611進行高速通訊，其協(xié)議為Siemens公司的標(biāo)準(zhǔn)MPI（多點接口）協(xié)議，MPI的物理層為工業(yè)RS-485模式。通過MPI網(wǎng)絡(luò)的S7基本通信，S7-300可以用系統(tǒng)功能X_GET和X_PUT來讀，其優(yōu)點是使用PLC自帶的MPI通信接口，不需要增加通信用的硬件，編程簡單，容易實現(xiàn)［4］。

在Embarcadero RAD Studio XE設(shè)計子系統(tǒng)中，使用的Siemens公司提供的Pradave V5.6 API函數(shù)庫編寫訪問MPI通信采集控制管理模塊，其核心代碼如下：

procedure TMPIThread.fDoThreadWork；//MPI通信過程

var plcadr：array［0.5］of plcadrtype；//定義連接結(jié)構(gòu)體

res：int4；//定義返回類型數(shù)據(jù)

begin

res：=Load_Tool（1，'S7ONLINE'，@plcadr）；//創(chuàng)建PLC連接

if res=0 then exit；//如果連接失敗，則退出

PLCCommReady；//通信準(zhǔn)備代碼

PLCCommCommandExe；//根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行通信函數(shù)

PLCCommDataSave；//通信數(shù)據(jù)存儲管理

Unload_Tool；//通信完畢，釋放PLC通信資源

end；

3.3石灰窯軟件以太網(wǎng)遠(yuǎn)程子系統(tǒng)設(shè)計

石灰窯以太網(wǎng)遠(yuǎn)程子系統(tǒng)根據(jù)工廠局域網(wǎng)的實時性要求以及專用性要求，其設(shè)計采用Client/Server架構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)，IPC本地子系統(tǒng)為中心服務(wù)器節(jié)點，它為工廠內(nèi)所有的遠(yuǎn)程訪問以太網(wǎng)客戶機提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，它們的通信采用主流的TCP/IP協(xié)議［6］。該子系統(tǒng)的運行環(huán)境與開發(fā)工具跟IPC子系統(tǒng)的要求完全相同，兩端通信編程使用同樣規(guī)范的Server Socket與Client Socket控件，兩端的算法程序代碼類似，客戶端的通信過程算法流程如圖5所示。

圖5　遠(yuǎn)程客戶端子系統(tǒng)通信流程圖

其兩端Socket應(yīng)用層數(shù)據(jù)包協(xié)議格式統(tǒng)一設(shè)計如表1所示。

表1　兩端Socket應(yīng)用層通信數(shù)據(jù)包協(xié)議格式

各個部分解釋如下：

（1）幀頭（HED）以太網(wǎng)通信時標(biāo)志一個數(shù)據(jù)命令幀的開始。長度為一個字節(jié)，內(nèi)容固定為0x02。

（2）數(shù)據(jù)長度（LEN）發(fā)送數(shù)據(jù)從幀頭到數(shù)據(jù)域長度，不包括數(shù)據(jù)塊校驗值和幀尾，在本協(xié)議中固定為0x10。

（3）源節(jié)點地址（SAD）該地址為以太網(wǎng)中發(fā)送端節(jié)點地址，節(jié)點地址編號在網(wǎng)絡(luò)中唯一，占據(jù)2個字節(jié)，可以設(shè)置成IP地址的第4個字節(jié)數(shù)值等同。

（4）目標(biāo)端節(jié)點地址（DAD）該地址為以太網(wǎng)中接收端節(jié)點地址，節(jié)點地址編號在網(wǎng)絡(luò)中唯一，占據(jù)2個字節(jié)，可以設(shè)置成IP地址的第4個字節(jié)數(shù)值等同。

（5）數(shù)據(jù)域信息（DAT）該項為信息內(nèi)容載體，包含發(fā)送控制指令信息2個字節(jié)和數(shù)據(jù)信息8個字節(jié)，總共長度10字節(jié)。

（6）數(shù)據(jù)塊校驗值（CHK）該數(shù)據(jù)幀校驗方式為異或校驗，即由幀頭到數(shù)據(jù)域信息所有字節(jié)異或XOR得到。CHK為一個字節(jié)。

（7）幀尾 （TAL）通信時標(biāo)志一個數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。長度為一個字節(jié)，內(nèi)容固定為0x03。

為了提高用戶使用的方便性和開發(fā)的效率，石灰窯以太網(wǎng)遠(yuǎn)程子系統(tǒng)的人機界面跟本地IPC子系統(tǒng)設(shè)計成統(tǒng)一角色管理和用戶操作界面，限于篇幅這里不再詳述。

4　結(jié)語

本文論述的基于以太網(wǎng)的工業(yè)石灰窯PLC自動控制系統(tǒng)在國內(nèi)多個鋼鐵企業(yè)得到了成功的實施應(yīng)用，其系統(tǒng)實際開發(fā)的以太網(wǎng)客戶端運行的工藝人機界面如圖6所示，石灰窯系統(tǒng)運行的多個實際動態(tài)跟蹤曲線如圖7所示，通過多個企業(yè)里面實際運行指標(biāo)數(shù)據(jù)考核反映，它在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、工人勞動強度高、出現(xiàn)故障響應(yīng)性差、生產(chǎn)管理效率低下等落后狀況。

圖6　基于以太網(wǎng)的工業(yè)石灰窯客戶端工藝人機界面

圖7　基于以太網(wǎng)的工業(yè)石灰窯客戶端動態(tài)跟蹤曲線圖

本文論述的采用層次化方式設(shè)計DCS系統(tǒng)簡單易行，將復(fù)雜的現(xiàn)場控制與遠(yuǎn)程監(jiān)控問題簡單分解化，具有很強的通用性與適應(yīng)性，為類似的運行環(huán)境惡劣的工礦設(shè)備管理控制行業(yè)提供了較好的設(shè)計模型和實現(xiàn)方法，具有較高的實用推廣價值。

［1］許洪瑋，劉春雷，劉洋，等．新型石灰窯自動化控制生產(chǎn)線［J］．自動化與儀器儀表，2014（1）：96-97．

［2］陸景寶，劉偉，常海斌．石灰窯自動化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．自動化應(yīng)用，2014（5）：58-60．

［3］魏艷紅，許昌，王桂榮，等．基于PLC的加熱爐溫度曲線控制系統(tǒng)設(shè)計［J］．計算機測量與控制，2015，23（11）：3635-3640．

［4］王寧，虎恩典，王志剛．基于S7-300 PLC與觸摸屏的燒結(jié)爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計［J］．制造業(yè)自動化，2014，36（11）：115-117．

［5］王超，徐力生，徐蒙，等．基于PLC的灌漿壓力自動控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗研究［J］．中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，44（10）：4055-4061．

［6］WEI Zhang，WANG Xiaowen.Research on hot-pressing machine control system based on PLC and Kingview［C］//Proceedings of the 2015 27th Chinese Control and Decision Conference.Yinchuan：CCDC，2015.

Research and Design of Industrial Lime Kiln PLC Automatic Control System Based on Ethernet

YANG Shengquan1，YANG Hongbo2，WANG Jinsong2，LUO Qingdao2
（1.College of Computer Science and Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an 710021，China；2.Huanggang Hua Kiln Zhongxing Kiln Co.，Ltd，Huang'gang 438000，China）

In view of the disadvantages in lime kiln conventional control manner such as very scattered process control equipment，poor control accuracy，very high labor intensity，a big failure to respond and solve the kiln run fault in time and so on，the lime kiln PLC automatic control system based on factory Ethernet is proposed.Firstly，the production line operation mechanism of industrial lime kiln flow process is described.Secondly，according to their merit that combined with on-site PLC，local IPC and Ethernet clients，the four-tier system hardware structure which consists of the device layer，the control layer，the operation layer and the spreading layer is given.And then the module contents and design elements of the three sub-systems：the PLC control subsystem and the local IPC subsystem in the lime kiln control system are discussed in detail.Finally，the successful application development description of the kiln system in the certain enterprise is given.

Ethernet；lime kiln；PLC；automatic control

TP273

B

1001-6988（2016）02-0065-05

2016-01-11

陜西省教育廳自然科學(xué)類資助項目（編號：09JK503）

楊盛泉（1974—），男，工學(xué)碩士，副教授，主要研究方向為智能控制、專家系統(tǒng)、軟件工程.