串口通信在電熱前床控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

丁小麗 張壽明

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650000)

0 引言

電熱前床是鉛鋅冶煉生產(chǎn)中的大型關(guān)鍵設(shè)備，它依靠三相交流電弧起爐，通過調(diào)節(jié)石墨電極插入熔渣池的深度來改變電極電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)熔渣池加熱保溫的目的［1］。

某冶煉廠的原系統(tǒng)采用了歐姆龍的PLC和InTouch7.0組態(tài)軟件，同時(shí)利用封裝的VB程序來實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間的DDE串口通信。本文介紹了基于串口的電熱前床控制系統(tǒng)的通信升級(jí)。20世紀(jì)90年代后期，該冶煉廠實(shí)現(xiàn)了基于PLC的電熱前床的自動(dòng)控制。

本文根據(jù)前床工藝和生產(chǎn)的要求，對(duì)串口通信和I/O Server驅(qū)動(dòng)程序在前床控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。為減小對(duì)生產(chǎn)的影響，在原電熱前床控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，更換了新一代的歐姆龍CQMIH型PLC，并結(jié)合I/O Server和InTouch軟件的組合優(yōu)勢(shì)，對(duì)控制系統(tǒng)的通信進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、快捷的技術(shù)改造。電熱前床控制系統(tǒng)的升級(jí)增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

1 電熱前床工藝控制流程

本冶煉廠采用火法煉鋅。礦石先經(jīng)鼓風(fēng)爐化料后形成鼓風(fēng)爐熔渣，注入電熱前床熔池內(nèi)進(jìn)行加熱或保溫;然后將液態(tài)的熔渣提供給煙化爐進(jìn)行進(jìn)一步的吹煉，讓鋅得到充分的揮發(fā)和富集，以達(dá)到冶煉鋅的目的。

電熱前床的工藝就是依靠強(qiáng)大的電流通過熔渣時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱維持熔池內(nèi)溫度，以確保溶液的液態(tài)性和流動(dòng)性。因此，三相電極的電流大小是控制前床溫度的關(guān)鍵。

當(dāng)電壓一定時(shí)，電流隨電極插入熔渣的深度的增加而增大，一般通過升降三相電極插入熔渣的深度來調(diào)節(jié)電流，以達(dá)到調(diào)整爐溫的目的。只有當(dāng)電極插入深度還不能滿足所需溫度時(shí)，才改變電壓。當(dāng)鼓風(fēng)爐熔渣不斷進(jìn)入前床時(shí)，熔渣溫度比前床熔池內(nèi)的溫度高，無需給前床池加溫，電極插入熔渣的深度要淺，電極電流減小;當(dāng)前床溶池內(nèi)溫度下降時(shí)，為保持熔渣的液態(tài)性和良好的流動(dòng)性，必須增加前床熔池內(nèi)溫度，電極插入熔渣的深度要深，電極電流增大。因此，溫度控制變成了位置控制［2－3］。

電熱前床工藝流程如圖1所示。

圖1 電熱前床工藝流程圖Fig.1 The technological process of the electric heating fore-hearth

2 通信的硬件系統(tǒng)

2.1 串行數(shù)據(jù)通信

電熱前床控制系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，它由兩個(gè)PLC站和中心控制站組成簡(jiǎn)單的DCS集散控制。為節(jié)約成本，采用串口通信方式將工控機(jī)的COM端口與歐姆龍的PLC的RS-232端口連接。RS-232采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，通信距離最遠(yuǎn)只有15 m，最高速率為20 kbit/s，不能用于遠(yuǎn)距離的網(wǎng)絡(luò)通信;RS-422采用主從點(diǎn)對(duì)多雙向通信，從設(shè)備之間不能通信;RS-485是從RS-422升級(jí)而來的，其不同之處在于它可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、雙向通信。RS-422和RS-485的通信距離可達(dá)120 m，最高速率為10 Mbit/s，如果其采用較低速率通信，最遠(yuǎn)通信距離可達(dá) 1 200 m［4］。

2.2 通信硬件鏈接

系統(tǒng)硬件由兩臺(tái)歐姆龍CQM1H控制器(RS-232口)、一臺(tái)研華工控機(jī)、三個(gè)ICP 7520A系列的RS-232轉(zhuǎn)RS-485/422轉(zhuǎn)換模塊、四組三線的數(shù)據(jù)線和RS-232串口相配的九針串口公、母端口(兩組備用)組成［5］。ICP 7520A轉(zhuǎn)換器是泓格科技生產(chǎn)的RS-232轉(zhuǎn)RS-422/485通信總線轉(zhuǎn)換模塊。該模塊支持RS-422和RS-485兩種轉(zhuǎn)換。由于本系統(tǒng)中兩個(gè)PLC控制站是相互獨(dú)立的，不需要互訪數(shù)據(jù)。因此，電熱前床通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)采用RS-422接線方式，用來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)距離為500 m左右的PLC控制站與中心控制室的通信網(wǎng)絡(luò)。九針串口通信接線圖如圖2所示。

圖2 九針串口通信接線圖Fig.2 Wirings of the 9-pin serial communication

圖2中，電熱前床進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)連線時(shí)，首先需要自制帶有九針串口的公、母端口的數(shù)據(jù)通信線;然后將兩個(gè)九針串口的5號(hào)GND相連接、2號(hào)RXD與3號(hào)TXD交叉連接［6］。通信網(wǎng)絡(luò)圖如圖3所示。

圖3 通信網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 The communication network

圖3中，首先將數(shù)據(jù)線公端與CQMIH型PLC的RS-232口相連，數(shù)據(jù)線母端與PLC控制站轉(zhuǎn)換模塊的RS-232端口相連;再從PLC控制站轉(zhuǎn)換模塊的RS-422端口引出雙絞線，連接到中心控制室轉(zhuǎn)換模塊的RS-422端口;最后從中心控制室轉(zhuǎn)換模塊的RS-232端口輸出到工控機(jī)的串口，從而完成通信網(wǎng)絡(luò)的硬件連接。

3 軟件系統(tǒng)改造方案

3.1 InTouch 組態(tài)方案

本系統(tǒng)的電熱前床上位機(jī)采用的是Wonderware公司的InTouch組態(tài)軟件，它是整個(gè)電熱前床控制系統(tǒng)的中樞，用來實(shí)現(xiàn)前床生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)的可視化、監(jiān)控、操作和管理等功能。該上位機(jī)需要操作員24 h進(jìn)行監(jiān)視和操作，所以設(shè)計(jì)的界面要求具有良好的人機(jī)界面［7］。

監(jiān)控系統(tǒng)的界面結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)界面結(jié)構(gòu)Fig.4 Interface structure drawing of monitoring system

系統(tǒng)利用InTouch軟件開放的組態(tài)環(huán)境WindowMaker，靈活地實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)組態(tài)和工藝結(jié)構(gòu)的畫面組態(tài)設(shè)計(jì)，并定義了電熱前床的三相電流、電壓、溫度、張力等系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制任務(wù);在運(yùn)行環(huán)境WindowViewer下，主畫面可以完整地監(jiān)控電熱前床車間的工藝流程，各子畫面與現(xiàn)場(chǎng)的自控設(shè)備、電氣設(shè)備等進(jìn)行連接，執(zhí)行各類組態(tài)任務(wù)和監(jiān)控電極的電流值、電壓值、張力值和溫度值等;同時(shí)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)報(bào)警、運(yùn)行記錄，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳輸給本站其他任務(wù)。

3.2 軟件配置方案

InTouch支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(dynamic data exchange，DDE)，能夠用作DDE和SuiteLink通信協(xié)議客戶和服務(wù)器。DDE和SuiteLink使InTouch能與其他Windows程序、I/O Server以及第三方 I/O Server程序進(jìn)行通信。InTouch組態(tài)軟件與現(xiàn)場(chǎng)PLC通信時(shí)，需要設(shè)定系統(tǒng)配置、I/O點(diǎn)組態(tài)及接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等。該系統(tǒng)采用Wonderware公司的通信驅(qū)動(dòng)程序I/O Server，實(shí)現(xiàn) InTouch與 PLC之間的通信。I/O Server支持FastDDE、NetDDE、Suitelink和OPC協(xié)議。考慮到系統(tǒng)兼容性的問題，該系統(tǒng)選用的是Wonderware公司的DDE協(xié)議。安裝有I/O Server程序的上位機(jī)可以獨(dú)立工作，并作為服務(wù)器與多臺(tái)PLC通信，其運(yùn)行速度快、占用空間?。?－9］。

電熱前床下位機(jī)的CQMH1型PLC選擇了I/O Server中的OMRON Host Link軟件，用來方便快捷地實(shí)現(xiàn)InTouch與外界自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。OMRON Host Link必須進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，才能與PLC進(jìn)行通信。設(shè)置過程中，先設(shè)置OMRONHL的COM口，該系統(tǒng)COM口的參數(shù)設(shè)置為波特率9 600 bit/s、7位數(shù)據(jù)位、1位停止位、偶校驗(yàn);然后定義OMRONHL的主題，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的兩組PLC控制系統(tǒng)，需要定義HLPLC0和HLPLC1兩組主題名，它們分別對(duì)應(yīng)于前床系統(tǒng)的1#PLC和2#PLC，物理地址設(shè)為0和1;最后，串口選擇COM1口，設(shè)備類型選擇歐姆龍C-Series PLC，模塊選擇C200H，更新間隔時(shí)間為1 000 ms，其他的為默認(rèn)設(shè)置。

InTouch要與I/O Server進(jìn)行通信和獲取PLC中的數(shù)據(jù)，必須先在 InTouch中新建兩個(gè)訪問名為HLPLC0和HLPLC1來識(shí)別I/O Server程序中與主題名一致的數(shù)據(jù)元素。其次，建立InTouch中的I/O標(biāo)記名與訪問名之間的聯(lián)系。訪問名包括了應(yīng)用程序名、主題名和節(jié)點(diǎn)名。本系統(tǒng)在進(jìn)行訪問名設(shè)置時(shí)，將指定數(shù)據(jù)值的應(yīng)用程序名取為OMRONHL、訪問名與I/O Server主題名保持一致、節(jié)點(diǎn)名為空。系統(tǒng)通過設(shè)置以上三項(xiàng)來打開通往服務(wù)器程序的通道［10］。

3.3 上下位變量整定

上下位變量地址對(duì)應(yīng)關(guān)系是整個(gè)數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵。電熱前床上下位機(jī)控制變量有96個(gè)，包括了I/O離散、I/O整型、I/O實(shí)型等數(shù)據(jù)類型。根據(jù)CQM1H操作說明書的變量地址的規(guī)范和地址范圍，將上下位的地址一一對(duì)應(yīng)。特別需要指出的是，前床PLC控制系統(tǒng)使用4～20 mA模擬量輸入模塊AD041，接收現(xiàn)場(chǎng)傳感器、變送器輸入的三相電流、電壓、張力、溫度的標(biāo)準(zhǔn)模擬量(4～20 mA)，模擬量進(jìn)入PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊后轉(zhuǎn)換成數(shù)字量十六進(jìn)制的00FA0h(十進(jìn)制的0～4 000)，并與物理量數(shù)值呈線性關(guān)系。同時(shí)，在InTouch軟件上進(jìn)行I/O組態(tài)時(shí)，電流、電壓、張力等物理量必須進(jìn)行標(biāo)度變換，才能正確表征現(xiàn)場(chǎng)儀表的讀數(shù)。電熱前床物理變量整定如表1所示。

表1 物理變量整定表Tab.1 The tuning table for physical variables

4 結(jié)束語

由于原系統(tǒng)控制方案較單一，而現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境較惡劣，為提高工作效率，降低環(huán)境污染，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通信升級(jí)改造力求簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，以減少對(duì)生產(chǎn)的影響;同時(shí)，利用串口通信的便捷、通信速度快、可靠性高等特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了電熱前床的監(jiān)控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，達(dá)到了電熱前床控制系統(tǒng)今后的擴(kuò)充和升級(jí)的目的。試運(yùn)行表明，該系統(tǒng)提高了現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的維護(hù)效率，給公司帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益;上下位機(jī)間數(shù)據(jù)通信效果良好。

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