胡國清
（武漢中控南方科技有限公司，武漢430070）
 

內(nèi)容提要：文章以棒材連續(xù)退火爐為例，敘述了同類產(chǎn)品過程控制系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)技術(shù)，包括系統(tǒng)配置與連接、數(shù)據(jù)通訊、自動打印、過程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控等。
關(guān)鍵詞： 退火爐 過程控制系統(tǒng) 數(shù)據(jù)通訊 自動打印 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控
 

Application & development in process control system

·         of bar material continuous annealing furnace
 
HU Guoqing
（Wuhan ZoControl South Science & Technology Co., Ltd.，Wuhan 430070，CHN）
Abstract：This text is from an example of one bar material continuous annealing furnace，normal function devolopment and application in process control system on the congener machine are described. Such as system configuration & connection，data communication，autoprinting，Supervisory Control and Data Acquisition，etc..
Keywords：annealing furnace；process control system；data communication；autoprinting；Supervisory Control and Data Acquisition.
 
連續(xù)退火爐廣泛用于鋼材深加工行業(yè)，可對型材、棒材、線材、板材以及其它類型鋼材進(jìn)行熱處理加工，提高鋼材性能，滿足個性化的應(yīng)用需求。
筆者以一臺棒材連續(xù)退火爐為例，闡述同類產(chǎn)品過程控制的應(yīng)用開發(fā)技術(shù)，包括電氣控制系統(tǒng)的配置與連接、溫度過程控制、設(shè)備整體邏輯控制、過程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控等，供同行參考。
1.      設(shè)備概況
該設(shè)備全長130米，主要包括3個加熱區(qū)、2個保溫區(qū)、1個快冷區(qū)、4個等溫區(qū)、2個緩冷區(qū)、2個交換區(qū)共14個區(qū)段，其中12個區(qū)段溫度可控，帶有兩個真空室、4個自動門、上下料裝置以及輔助設(shè)備等，整個設(shè)備裝機功率約1100kW，采用電加熱智能溫控方式，節(jié)能環(huán)保，全程變速輥道自動輸送，全自動生產(chǎn)流程控制，生產(chǎn)效率高，整個設(shè)備生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制實現(xiàn)實時記錄與歸檔，歷史數(shù)據(jù)可追溯，設(shè)備操作傻瓜式和智能化。
 
2.      系統(tǒng)配置
控制系統(tǒng)采用永宏FBS系列PLC、昆侖通態(tài)15”TFT觸摸屏、人中工控功率控制器、廈門宇電溫度控制器、丹佛斯變頻器等作為主要控制器件，采用封閉式熱電偶和防塵光電開關(guān)、大功率接近開關(guān)等進(jìn)行溫度采集和物料跟蹤，PLC和溫度控制器（共12個）、變頻器（2臺）、電力綜合儀表之間采用RS485串行總線通訊，觸摸屏與PLC、編程器之間通過以太網(wǎng)通訊。
設(shè)備具有溫度曲線實時打印和定時打印功能，以便將數(shù)據(jù)記錄與產(chǎn)品配套交付。
工藝設(shè)計的12個區(qū)段的加熱功率分別為192kW、144kW、120kW、97.5kW、97.5kW、30kW、60kW、90kW、75kW、45kW、30kW、30kW，選型配置各區(qū)段的功率控制器為KTH3/3*380V型，容量分別為230kVA、164kVA、131kVA、105kVA、105kVA、39kVA、72kVA、105kVA、85kVA、52kVA、39kVA、39kVA，通過各區(qū)段的AI526系列溫控器輸出4～20mA直流電流作為給定控制信號，其中快冷區(qū)溫控器選用雙向輸出型，其中一個反向輸出作為快冷變頻器的速度給定。設(shè)置溫控器有關(guān)作用方向、熱電偶類型、輸出信號類型等主要參數(shù)，調(diào)試時需對每個區(qū)段的溫控器和功率控制器進(jìn)行在線自整定，以達(dá)到最佳響應(yīng)周期。另有兩塊僅顯示與傳輸溫度值的溫控器配置到兩個交換區(qū)（不帶加熱電阻絲），各區(qū)段的實時溫度、三相加熱電流均在控制柜門上實時顯示，實時溫度及曲線在HMI界面上記錄并歸檔。
系統(tǒng)配置兩臺變頻器，其中一臺一拖二作為主傳動輥道兩臺電機的調(diào)速裝置，另一臺作為快冷風(fēng)機的調(diào)速裝置，控制風(fēng)量，兩臺變頻器的實際速度和實際電流值通過RS485傳輸給PLC，以便在HMI界面上直接顯示輥道的實際運行速度（單位m/min）和風(fēng)量換算值。電力綜合表也通過RS485連接至PLC，以使整個設(shè)備的有功功率、無功功率、功率因素、電壓、電流等實時數(shù)據(jù)和累計數(shù)據(jù)可直接在觸摸屏HMI界面上顯示，便于生產(chǎn)管理。
整個設(shè)備邏輯控制的I/O點數(shù)量共132個，選擇永宏FBS-60MAR2-AC型CPU，另增加數(shù)字量I/O擴展模塊FBS-60EXYR和FBS-20X，。
控制系統(tǒng)配置與連接如圖1所示：

圖1 棒材連續(xù)退火爐過程控制系統(tǒng)配置圖

HMI界面用觸摸屏選用昆侖通態(tài)TPC1561Hi型，帶以太網(wǎng)通訊接口，HMI界面功能主要有設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控（總圖式實時動態(tài)顯示）、歷史數(shù)據(jù)查詢與打印（最長1年的歷史數(shù)據(jù)查詢、即時/定時打?。囟葘崟r跟蹤曲線、溫度設(shè)定（溫度工藝數(shù)據(jù)設(shè)定）、報警與故障診斷、生產(chǎn)管理及運行記錄（進(jìn)/出料時間記錄、各區(qū)段停留時間與延時時間設(shè)定）、系統(tǒng)管理（操作安全管理）、用戶登錄管理（多用戶多權(quán)限等級管理）等，圖2是歷史數(shù)據(jù)查詢與打印界面。

圖2 歷史數(shù)據(jù)查詢與打印界面

3.      功能實現(xiàn)
3.1  數(shù)據(jù)通訊
RS485通訊是非常通用的通訊方式，很多控制器件都具有這個功能，硬件連接方式都相同，但各廠商的通訊協(xié)議都不同，需要對各種產(chǎn)品的通訊協(xié)議編制相應(yīng)的解碼程序。本項目中廈門宇電的AI526溫控器的通訊協(xié)議為AIBUS（Ver7.0），它基于RS485硬件接口，最多允許串聯(lián)81個站點。設(shè)置每個溫控器Addr參數(shù)從1～14作為通訊地址，并設(shè)置通訊波特率9600bps。
AI526溫控器采用16進(jìn)制數(shù)據(jù)格式來表示各種指令代碼及數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)的通訊指令只有兩條，一條為讀指令，一條為寫指令，兩條指令即可使上位機軟件能100%完整地對儀表進(jìn)行操作，標(biāo)準(zhǔn)讀和寫指令分別如下：
讀：地址代號+52H（82）+要讀的參數(shù)代號+0+0+校驗碼
寫：地址代號+43H（67）+要寫的參數(shù)代號+寫入數(shù)低字節(jié)+寫入數(shù)高字節(jié)+校驗碼
地址代號為兩個相同的字節(jié)，數(shù)值為（儀表地址+80H）。例如：儀表參數(shù)Addr=12（16進(jìn)制數(shù)為0CH，0C+80H=8CH），則該儀表的地址代號為：8CH 8CH。
無論是讀還是寫指令，儀表都返回以下10個字節(jié)的數(shù)據(jù)：
測量值PV+給定值SV+輸出值MV及報警狀態(tài)+所讀/寫參數(shù)值+校驗碼
其中PV、SV及所讀參數(shù)值均各占2個字節(jié)，代表一個16位二進(jìn)制有符號補碼整數(shù)，低位字節(jié)在前，高位字節(jié)在后，整數(shù)無法表示小數(shù)點，要求用戶在上位機處理；MV占一個字節(jié)，按8位有符號二進(jìn)制數(shù)格式，數(shù)值范圍-110～＋110，狀態(tài)位占一個字節(jié)，校驗碼占2個字節(jié)，共10個字節(jié)。
FBS PLC通訊程序編制：
通訊口Port2初始化：賦值5651H（9600bps波特率、8bit數(shù)據(jù)位、2bit停止位）→R4158（Port2的設(shè)定緩存器），利用Port2就緒的內(nèi)部繼電器M1962來觸發(fā)FUN151（CLINK）指令，設(shè)置MD1讀方式，并對不同的站點分別設(shè)置不同的R地址，以便從指令返回數(shù)據(jù)里取出PV、SV等數(shù)據(jù)，再利用FUN151的完成信號觸發(fā)采集對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)計算處理，作為HMI界面系統(tǒng)將要讀取的數(shù)據(jù)。
3.2  自動打印
自動打印用于定時打印歷史趨勢曲線，記錄每個班或特定時間的設(shè)備狀態(tài)，以作為產(chǎn)品交付的隨機資料。可根據(jù)需求設(shè)置打印間隔時間，例如8小時、24小時等，打印的時間長度也可以設(shè)置，如圖2所示直接在相應(yīng)的數(shù)據(jù)域內(nèi)輸入即可。
要實現(xiàn)這個功能，需在HMI軟件MCGSE Ver7.6中添加一個循環(huán)策略，設(shè)置策略條件屬性：變量“打印條件_C”——表達(dá)式的值非0時條件成立。然后添加一個定時器，設(shè)置定時器參數(shù)如下：
設(shè)定值——打印條件_設(shè)定值（變量名）
計時條件——打印條件_C（變量名）
計時狀態(tài)——打印條件_狀態(tài)（變量名）
復(fù)位條件——打印條件_復(fù)位（變量名）
新建一個名為“打印策略”的事件策略，設(shè)置打印策略的觸發(fā)條件：“打印條件_狀態(tài)”變量上升沿，即定時器計時完成瞬間觸發(fā)一次打印任務(wù)。
添加策略腳本程序：
用戶窗口.溫度曲線.print（ ）  ；溫度曲線窗口的屏幕打印
打印條件_復(fù)位=1
Isleep(1000)                  ；暫停1000ms
打印條件_復(fù)位=0
最后設(shè)定“自動打印”按鈕的操作屬性：取反——打印條件_C，即每按一次對變量“打印條件_C”的值進(jìn)行取反一次。
 
4.      結(jié)語
同類設(shè)備的過程控制技術(shù)有許多，如溫度慣性控制、邏輯控制等，本文僅以一例說明了系統(tǒng)配置及一些通用技術(shù)的實現(xiàn)，并就經(jīng)常不好解決的數(shù)據(jù)通訊等問題作較詳細(xì)的闡述，希望能起到拋磚引玉的作用。