中頻爐自動(dòng)化系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集過程分析

吳俊杰，楊丁山

（江西銅業(yè)集團(tuán)(德興)鑄造有限公司，江西 德興 334224）

由于現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，作用于金屬熔煉方面的中頻爐使用更加頻繁，為了有效提升工作效率，中頻爐的各項(xiàng)功能也越來越完善[1]。中頻爐的全稱是中頻感應(yīng)電爐，和傳統(tǒng)的鑄造設(shè)備不同，它在熔煉過程中具有更多的優(yōu)點(diǎn)，例如：時(shí)間短、材料損失少、作用范圍廣、環(huán)境污染小等等。這些優(yōu)勢(shì)使其得到更多應(yīng)用，同時(shí)其各項(xiàng)功能也得到了更多提升，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，中頻爐的自動(dòng)化也開始普及開來[2]。自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用，在中頻爐的工作、監(jiān)測(cè)過程中，都取得了較好的效果[3]。目前，中頻爐自動(dòng)化系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集過程開始成為了關(guān)注重點(diǎn)。本文通過對(duì)中頻爐自動(dòng)化系統(tǒng)的研究，展現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸詳細(xì)流程[4]。

1 中頻爐自動(dòng)化系統(tǒng)

自動(dòng)化控制系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展之下，中頻爐的自動(dòng)化應(yīng)用也帶來了明顯優(yōu)勢(shì)[5]。在中頻爐的工作過程中，很多系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行工作。在中頻爐系統(tǒng)這個(gè)最大的整體之下，其實(shí)還包含很多細(xì)小的子系統(tǒng)沒有展示出來，例如：爐體控制系統(tǒng)、送料系統(tǒng)等等，每個(gè)子系統(tǒng)都有對(duì)應(yīng)的自動(dòng)化監(jiān)視[6]。除此之外，還有總體的監(jiān)視系統(tǒng)，方便進(jìn)行工作的調(diào)控[7]。目前簡(jiǎn)要分析中，將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要分為三部分，如圖1所示。其一是主控室板塊，其中最主要的就是計(jì)算機(jī)操作站、數(shù)據(jù)交換與報(bào)表系統(tǒng)計(jì)算機(jī)；其二是基礎(chǔ)自動(dòng)化板塊，爐體控制系PLC、水系統(tǒng)PLC都在內(nèi)；其三就是高壓配電系統(tǒng)，包含高壓配電綜保通訊機(jī)以及現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)操作站處于其中。

這里高壓配電系統(tǒng)最為重要，它承擔(dān)一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的作用，決定著整個(gè)項(xiàng)目的運(yùn)行，在高壓配電系統(tǒng)工作的時(shí)候，監(jiān)測(cè)工作影響巨大，掌握了它的產(chǎn)能、耗能，對(duì)于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的掌握才能準(zhǔn)確。為了保證監(jiān)視數(shù)據(jù)記錄工作的準(zhǔn)確性，對(duì)于高壓配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方面，自動(dòng)化系統(tǒng)形成了一個(gè)數(shù)據(jù)交換與報(bào)表子系統(tǒng)，在高壓通訊系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集后，向基礎(chǔ)自動(dòng)化進(jìn)行傳達(dá)，并生成報(bào)表。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖

2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集過程

中頻爐自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集工作，需要注重安全性、實(shí)時(shí)性、可靠性等特點(diǎn)，因此采集工作步驟繁多，各系統(tǒng)配合才能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集工作，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)流向圖

2.1 高壓配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

由于動(dòng)力系統(tǒng)生產(chǎn)中所處位置重要，這部分的數(shù)據(jù)采集需要更精準(zhǔn)、也更復(fù)雜一些。首先，在高壓配電系統(tǒng)中，以太網(wǎng)起到一個(gè)連接的作用，是數(shù)據(jù)采集與交換的基礎(chǔ)。以客戶端、服務(wù)器端作為溝通方式，同TCP進(jìn)行聯(lián)系。對(duì)高壓系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和監(jiān)視。當(dāng)軟件開始啟動(dòng)后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行連接工作。提前對(duì)高壓配電系統(tǒng)的TCP、IP地址、端口號(hào)進(jìn)行設(shè)置。并且，預(yù)設(shè)對(duì)應(yīng)的超時(shí)參數(shù)。然后，在連接成功后，對(duì)于采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行自動(dòng)傳輸。隨后，開始報(bào)文監(jiān)視的流程，在規(guī)定的監(jiān)視時(shí)間之內(nèi)，系統(tǒng)沒有收到報(bào)文，那么超時(shí)之后即使收到報(bào)文，也會(huì)以另一種格式響應(yīng)，而不是收到的原格式；當(dāng)系統(tǒng)一段時(shí)間內(nèi)都沒有報(bào)文的收發(fā)任務(wù)，那么，會(huì)出現(xiàn)發(fā)送測(cè)試報(bào)文的情況。系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸后，將總召命令進(jìn)行開啟，并且監(jiān)測(cè)其是否正常工作。值得注意的是，總召命令一旦啟動(dòng)，只有工作完成或超時(shí)的情況下才能再次開啟。隨后就可以等待各種數(shù)據(jù)上傳，進(jìn)行接收。接收數(shù)據(jù)按照全遙信單點(diǎn)信息、全遙測(cè)短浮點(diǎn)數(shù)、電量累計(jì)值三種分類，分別將數(shù)據(jù)保存到遙信量數(shù)據(jù)表、遙測(cè)量數(shù)據(jù)表、以及電量累計(jì)值數(shù)據(jù)表。

2.2 基礎(chǔ)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集

高壓配電系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集后，以TCP、IP網(wǎng)絡(luò)接口作為傳播方式。通過一些自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)訪問，其訪問對(duì)象就是高壓綜保通訊機(jī)，經(jīng)過這一系列流程，最終對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，并傳遞給基礎(chǔ)自動(dòng)化PLC。采用SIMATIC NET OPC通訊的形式，得到中頻爐工作信息、其他系統(tǒng)運(yùn)行信息，這些數(shù)據(jù)的來源都是基礎(chǔ)自動(dòng)化PLC中所包含的。其他的，例如：爐體控制數(shù)據(jù)、電力相關(guān)信息、冷卻水的工藝方法等等，也可以使用SIEMENS S7 PROTOCOL中的TCP接口，面向自動(dòng)化PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取工作。

2.3 生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)采集

一般情況下，生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)監(jiān)視人員進(jìn)行人工輸入，其中包括：開爐動(dòng)作、鋼種信息、鋼次信息以及停爐動(dòng)作。在計(jì)算機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的幫助下，同樣以TCP、IP網(wǎng)絡(luò)接口作為傳播途徑，將本需要人工輸入的生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)，經(jīng)由SIEMENS S7 PROTOCOL中的TCP接口獲取，將其傳達(dá)到PLC。之后由數(shù)據(jù)交換與報(bào)表計(jì)算機(jī)進(jìn)行獲取，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與自動(dòng)化輸入。

2.4 生產(chǎn)流程數(shù)據(jù)采集

關(guān)于生產(chǎn)流程的數(shù)據(jù)采集工作，需要從每一爐的生產(chǎn)流程進(jìn)行觀察。數(shù)據(jù)從開爐時(shí)間開始記錄，除此之外，一方面要記住對(duì)生產(chǎn)過程中，電力方面的電流、功率等數(shù)據(jù)，以此作為依據(jù)計(jì)算單爐的耗電能；另一方面，還要記錄機(jī)器運(yùn)行的相關(guān)信息，包括運(yùn)行頻率、電壓等項(xiàng)目。信息記錄的停止，在于系統(tǒng)接收到停爐信號(hào)的瞬間，在生產(chǎn)工作停止后，對(duì)時(shí)間信息、數(shù)據(jù)信息同樣進(jìn)行記錄，和生產(chǎn)開始信息產(chǎn)生對(duì)照關(guān)系。

2.5 OPC通訊控制數(shù)據(jù)

在一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集過程中，對(duì)于數(shù)據(jù)的控制能力也是不可缺少的，足夠的數(shù)據(jù)控制能力，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的靈活配置。OPC通訊技術(shù)在數(shù)據(jù)控制中可以發(fā)揮極大作用。為了應(yīng)用軟件的開放性和可靠性的提升，硬件開發(fā)商設(shè)置了通用的數(shù)據(jù)接口，以此來實(shí)現(xiàn)軟件讀取硬件設(shè)備信息的目標(biāo)。OPC通訊技術(shù)可以從不同服務(wù)器中獲取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多種系統(tǒng)的集成以及數(shù)據(jù)的靈活運(yùn)用。當(dāng)計(jì)算機(jī)連接網(wǎng)絡(luò)后，可以通過OPC通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。這種用于數(shù)據(jù)交換的系統(tǒng)，也可以用來獲取各類生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)的。通過自動(dòng)化系統(tǒng)所采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可以通過OPC的DATACHANGE功能，對(duì)標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。將這些更新數(shù)據(jù)放置到內(nèi)存信息中，針對(duì)任務(wù)所需要的信息進(jìn)行配置數(shù)據(jù)，形成生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄。生產(chǎn)流程的數(shù)據(jù)采集后，可以提前進(jìn)行信息提取，通過計(jì)算機(jī)控制執(zhí)行命令。針對(duì)OPC通訊設(shè)立的各種信息形式，例如：標(biāo)簽信息、任務(wù)信息、對(duì)應(yīng)信息等等，開發(fā)其連接功能。OPC通訊中標(biāo)簽變量、相關(guān)索引號(hào)等所有配置信息，在程序啟動(dòng)后進(jìn)行初始化操作，將其存儲(chǔ)至內(nèi)存變量中。當(dāng)有所需要時(shí)，根據(jù)給出的相關(guān)信息提示，OPC通訊自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將其保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，以供歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)查詢以及數(shù)據(jù)報(bào)表生成。

2.6 IEC104規(guī)約監(jiān)視數(shù)據(jù)

在生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集的過程中，為了保證獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)于數(shù)據(jù)的監(jiān)視工作不可或缺。在這方面IEC104規(guī)約以及SCADA 系統(tǒng)作用顯著。IEC104規(guī)約的全稱是IEC60870-5-104規(guī)約，由國(guó)際電工委員會(huì)所制定，主要在電力系統(tǒng)方面應(yīng)用廣泛，包括能源管理系統(tǒng)(EMS)、安全監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)、配電自動(dòng)化系統(tǒng)、其他公用事業(yè)等等。以這些系統(tǒng)作為目標(biāo)制定的傳輸規(guī)約。利用IEC104規(guī)約為網(wǎng)絡(luò)傳輸遠(yuǎn)動(dòng)信息提供規(guī)約支撐，對(duì)規(guī)約的標(biāo)準(zhǔn)化、通信的可靠性進(jìn)行了很好的保證。IEC104規(guī)約在中頻爐自動(dòng)化系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集過程中發(fā)揮主要作用的是SCADA 系統(tǒng)。在自動(dòng)化系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)獲取過程中，SCADA 系統(tǒng)的監(jiān)視和控制功能面向現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備，在數(shù)據(jù)采集、參數(shù)調(diào)節(jié)、各類信號(hào)報(bào)警等方面都起著巨大作用。作為一個(gè)應(yīng)用廣泛、技術(shù)發(fā)展成熟的子系統(tǒng)，具備多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，在提高生產(chǎn)效率、提升生產(chǎn)水平方面無法替代。對(duì)于高壓配電系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行監(jiān)視，從而了解高壓配電系統(tǒng)有沒有進(jìn)行有效的通訊。數(shù)據(jù)交換與報(bào)表系統(tǒng)計(jì)算機(jī)在進(jìn)行以太網(wǎng)連接之后，以IEC104通訊協(xié)議作為依據(jù)，向高壓配電系統(tǒng)發(fā)出任務(wù)，使其進(jìn)行報(bào)文的查詢工作。收到任務(wù)之后，高壓配電系統(tǒng)做出相關(guān)數(shù)據(jù)回復(fù)。在實(shí)時(shí)采集開啟工作之后，高壓配電系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)采集到的本地進(jìn)行儲(chǔ)存，然后經(jīng)過OPC通道，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下載，并保存至中頻爐本地計(jì)算機(jī)TCP IP地址中。之后，通過通訊設(shè)備連接、數(shù)據(jù)發(fā)送、信息確認(rèn)完成。對(duì)于高壓配電系統(tǒng)所有涉及到的信息做出集中處理，也就是通過一臺(tái)通訊機(jī)對(duì)10個(gè)配電柜的信號(hào)收集。配電柜信號(hào)傳輸內(nèi)容豐富，包括各種電壓信號(hào)、電流信號(hào)、開關(guān)狀態(tài)信號(hào)、斷路器位置信號(hào)、故障跳閘信號(hào)等等。

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)中頻爐自動(dòng)化系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集過程分析，基于中頻爐自動(dòng)化系統(tǒng)的研究，提出生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集過程，并且對(duì)數(shù)據(jù)整理與監(jiān)視做出解釋。通過本文的研究，將中頻爐自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集工作詳細(xì)展現(xiàn)，提生了生產(chǎn)自動(dòng)化水平和效率，提高生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，同時(shí)對(duì)員工的工作壓力也有所降低。