基于PLC的冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)研究

王宜利

（中鋼石家莊工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050021）

基于冶金高爐大型化以及復(fù)雜化的特點(diǎn)，冶金高爐在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種各樣的故障，這就要求對于冶金高爐生產(chǎn)的監(jiān)控能力也必須隨之提高。監(jiān)控冶金高爐生產(chǎn)，是確保冶金高爐安全、穩(wěn)定工作的重要前提條件?？紤]到冶金高爐生產(chǎn)中出現(xiàn)的情況多種多樣，無法以一個(gè)定性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行監(jiān)控。國內(nèi)學(xué)者對冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的研究較多，但在實(shí)際應(yīng)用過程中普遍存在監(jiān)控效率低的問題，無法達(dá)到預(yù)期的應(yīng)用效果。PLC又稱為可編程控制器，具有靈活性高、操作方便、可靠性高以及拓展性強(qiáng)等眾多優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到控制、監(jiān)控、管理等多個(gè)領(lǐng)域中。因此，本文將PLC引進(jìn)到冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，以PLC為核心技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種新的冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，致力于通過PLC技術(shù)，利用調(diào)制解調(diào)，讀取冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控命令信號(hào)，從根本上提高冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控效率，為冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控提供技術(shù)支持。

1 PLC技術(shù)概述

PLC技術(shù)作為自動(dòng)化控制方法中應(yīng)用最廣的可編程控制器，主要應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境下，在本質(zhì)上是一種數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)[1]。PLC已經(jīng)具備成熟的控制技術(shù)，以其優(yōu)異的傳輸性能和可編程性，能夠通過可編程控制器，可靠、穩(wěn)定地控制系統(tǒng)功能，進(jìn)而提高系統(tǒng)的工作效率[2]。為此，本文基于PLC設(shè)計(jì)冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。

2 基于PLC的冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分

在設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)中，首先設(shè)計(jì)硬件部分。本文設(shè)計(jì)的硬件在傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)高性能傳感器，再通過設(shè)計(jì)三相電調(diào)理電路作為高性能傳感器的補(bǔ)充，致力于提高監(jiān)控硬件綜合性能。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容，如下文所述。

2.1 高性能傳感器選型

結(jié)合實(shí)際冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控的需要，本文設(shè)計(jì)的高性能傳感器設(shè)備型號(hào)為ME3-458798，用于監(jiān)控冶金高爐生產(chǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。傳感器內(nèi)置MPU-90120芯片，MPU-90120芯片作為一個(gè)封裝的復(fù)合型芯片，能夠有效提高冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳感精度。ME3-458798高性能傳感器，具體參數(shù)指標(biāo)，如表1所示。

表1 ME3-458798高性能傳感器設(shè)備參數(shù)

結(jié)合表1所示，ME3-458798高性能傳感器設(shè)備工作電壓為2.8V～6.5 V，所承受電流值小于40 mA。ME3-458798高性能傳感器設(shè)備能夠監(jiān)控冶金高爐生產(chǎn)狀態(tài)下的各項(xiàng)參數(shù)，多種維度監(jiān)控冶金高爐生產(chǎn)中的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，滿足冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性要求。

2.2 設(shè)計(jì)三相電調(diào)理電路

在高性能傳感器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)三相電調(diào)理電路主要用于防止由于缺相問題，導(dǎo)致高性能傳感器無法正常運(yùn)行。通過該三相電調(diào)理電路感知電壓情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)高性能傳感器中的相序錯(cuò)亂問題，有效避免相序錯(cuò)誤。在三相電調(diào)理電路中，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，立即斷開高性能傳感器內(nèi)部繼電器并報(bào)警。通過三相電調(diào)理電路的設(shè)計(jì)最大程度上提高本文設(shè)計(jì)高性能傳感器的可操作性，保障系統(tǒng)硬件安全。

3 基于PLC的冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分

3.1 基于PLC建立PPI高級(jí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集協(xié)議

為提高冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控效率，通過PLC可編程控制器建立PPI高級(jí)協(xié)議，允許一個(gè)設(shè)備與另一個(gè)設(shè)備之間建立邏輯連接[2]?；赑LC通過RS 232或USB接口采集冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)采集速率控制在1.0kbps至110.5kbps之間。以PPI高級(jí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集協(xié)議中所支持的最大連接個(gè)數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，限制監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)交換信息量。在冶金高爐實(shí)際生產(chǎn)過程中，監(jiān)控產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量不大，因此PLC所需交換的信息量也在控制范圍內(nèi)?；诖?，將PPI高級(jí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集協(xié)議發(fā)送和采集的數(shù)據(jù)字節(jié)均控制在2個(gè)以下即可。本文通過將PLC技術(shù)應(yīng)用在冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中，保障冶金高爐生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)采集的智能化調(diào)頻功能。利用PLC控制網(wǎng)絡(luò)，將實(shí)時(shí)采集的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送至前端顯示區(qū)域。這樣一來，既能夠保證冶金高爐的穩(wěn)定生產(chǎn)，還能夠通過調(diào)頻通信模塊監(jiān)控冶金高爐生產(chǎn)效率。與此同時(shí)，監(jiān)控冶金高爐生產(chǎn)中的電流、電壓，根據(jù)電流、電壓的具體變化情況，判斷監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集信號(hào)是否出現(xiàn)波動(dòng)，一旦出現(xiàn)波動(dòng)幅度過大的情況，立即調(diào)整變頻參數(shù)，不斷調(diào)整傳輸速度確保監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能的穩(wěn)定運(yùn)行，保護(hù)系統(tǒng)中的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)不會(huì)丟失，保障冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集過程中的安全性。在此基礎(chǔ)上，基于PLC的可編程性標(biāo)簽信息，提高監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集效率。

3.2 讀取冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

在基于PPI高級(jí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集協(xié)議采集監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，讀取冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。讀取冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的具體流程為：首先，利用PLC控制監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的通行通道，將監(jiān)控點(diǎn)得到的冶金高爐生產(chǎn)應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為應(yīng)力值。具體轉(zhuǎn)換公式，如公式（1）所示。

在公式（1）中，σcd指的是監(jiān)控點(diǎn)讀取應(yīng)力；E指的是冶金高爐生產(chǎn)工作溫度；ε指的是監(jiān)控點(diǎn)應(yīng)變值[3]。為獲得更加精準(zhǔn)的監(jiān)控成果，還需在得到的應(yīng)力值中剔除初值誤差、徐變誤差以及溫度誤差，進(jìn)而得到冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控真實(shí)數(shù)據(jù)。設(shè)冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控真實(shí)數(shù)據(jù)為σ，則其計(jì)算公式，如公式（2）所示。

在公式（2）中，σxb指的是初始值誤差；σss指的是監(jiān)測點(diǎn)徐變應(yīng)力誤差值；σwd指的是溫度差引起的應(yīng)力誤差值。通過公式（2）計(jì)算得出的結(jié)果，就是冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控的成果。在此基礎(chǔ)上，利用SVDE/SEFV指令讀取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，按照冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控狀態(tài)字節(jié)的表現(xiàn)方式，描述此系統(tǒng)的監(jiān)控功能；最后，將讀取的冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)寫入端口數(shù)據(jù)中，完成冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控。

4 實(shí)例分析

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

表2 冶金高爐具體參數(shù)

構(gòu)建實(shí)例分析，選取K冶金高爐生作為實(shí)驗(yàn)對象。冶金高爐具體參數(shù)，如表2所示。

結(jié)合表2冶金高爐具體參數(shù)，設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量為3個(gè)，本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為測試兩種監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控波特率，監(jiān)控波特率指的就是監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)每秒的波形振蕩數(shù)，監(jiān)控波特率數(shù)值越高，證明該監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控效率越高。設(shè)置監(jiān)控實(shí)時(shí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)為17:50、18:00以及18:10，首先使用本文設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)，利用PLC監(jiān)控冶金高爐生產(chǎn)狀態(tài)，采用Hadoop-1.0.3穩(wěn)定版記錄監(jiān)控波特率，設(shè)其為實(shí)驗(yàn)組；再使用傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控冶金高爐生產(chǎn)狀態(tài)，同樣記錄監(jiān)控波特率，設(shè)其為對照組。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

根據(jù)上述設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對比兩種監(jiān)控系統(tǒng)下得到的監(jiān)控波特率，整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖1所示。

圖1 監(jiān)控波特率對比圖

通過圖1可得出如下的結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)在相同的測試時(shí)間中監(jiān)控波特率明顯高于對照組，監(jiān)控效率更高，能夠?qū)崿F(xiàn)冶金高爐生產(chǎn)高效監(jiān)控。通過實(shí)例分析的方式可以證明，所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控方面。

5 結(jié)語

通過實(shí)例分析證明，PLC在冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中的具體優(yōu)勢已經(jīng)顯現(xiàn)出來。冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控波特率的高低是保證冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控效率的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)，而針對冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行基于PLC的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以大幅度提高冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控效率。綜上所述，通過本文進(jìn)行的基于PLC的冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)研究，能夠取得一定的研究成果，有理由在實(shí)際應(yīng)用中對其進(jìn)行大力推廣?；赑LC的冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)不但能夠完成傳統(tǒng)系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)，還能以PLC為核心，為冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控領(lǐng)域的研究提供學(xué)術(shù)意義，促進(jìn)冶金高爐生產(chǎn)監(jiān)控方面的研究能夠有更好的發(fā)展。