维普资讯 http://www.cqvip.com ８ 基于工业以太网的冶炼控制系统设计 基于工业以太网的冶炼控制系统设计 Ｍｅｌｔｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ 杨恩然 严 洁 （西安建筑科技大学机电学院，陕西西安７１ＯＯ５５） 摘 要 以基于工业以太网的、由工控机和Ｑｕａｎｔｕｍ ＰＬＣ构成的冶炼控制系统为例，描述了该系统的工作原理，给出系统的 硬件组成框图，介绍了利用ｉＦＩＸ组态软件设计人机界面的方法，并讨论了系统的通讯方式以及控制方式等问题。 关键词：工业以太网，ＰＬＣ，ｉＦＩＸ组态软件，冗余功能 、 Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｍａｉｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｓｍｅｌｔ ｆａｃｔｏｒｙ ｏｆ ａ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ，Ｑｕａｎｔｕｍ ＰＬＣ ａｎｄ ｃｏｎ－ ｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉＦＩＸ． ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ，ＰＬＣ，ｉＦＩＸ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ｆｕ『ｎｃｔｉｏｎｓ 工业以太网采用统一的ＴＣＰ／ＩＰ协议，避免了不同总线协 议间互不兼容的困扰。它可以直接利用现有局域网而不需添加 额外的硬件设备。它方便数据在局域网内的共享。它可以通过ＩＥ 浏览器访问终端数据，而不需增加专门的软件。正因为工业以太 网具有上述的诸多优点，因而在国内外迅速地普及。 １ 控制原理 本文作者在某冶炼集团炼 锌控制过程中，设计并调试通 过了由工控机、ＰＬＣ组成的工 业以太网控制系统，利用ｉＦＩＸ 组态软件实现了系统的实时监 控、实时报警、历史曲线、历史 报表等功能，控制原理如图１。 ２冶炼流程 炼锌炉内充满原料，从炉 图１控制原理图 底持续地吹入６００－８００￣Ｃ的高温空气进行冶炼。原料熔化后，成 品锌沉积在炼锌炉的底部，废料上浮。经除渣后成品锌从炼锌炉 图２热风炉总貌 离远，因此须选用大型ＰＬＣ使用工业以太网通讯。 现在市场上的ＰＬＣ种类比较多，例如三菱、西门子、ＯＭ－ ＲＯＮ、ＭＯＤＩＣＯＮ、ＧＥ、ＡＢ等等。Ｑｕａｎｔｕｍ系列ＰＬＣ功能强大， 性能稳定，价格相对西门子同系列产品便宜，同时它可以通过 １４０ＮＯＥ７７１０１模块方便地接入以太网。根据控制的需要，Ｄ Ｊ量 ２９０个，ＤＯ量１３Ｏ个，ＡＩ量３２个，ＡＯ量１６个，选用Ｑｕａｎｔｕｍ ＰＬＣ １套。包括１个主站和４个子站，主站的配置为１个 底排出，完成一次生产过程。 在生产过程中，关键是持续地吹入高温、清洁的空气，为此， 使用了３台热风炉加热空气。热风炉为储热性能非常好的炉子， 内壁由储热砖做成。用煤气将其烧到１ＯＯＯ℃左右，然后使常温 下的洁净的空气在一定的压力下通过热风炉，为炼锌炉提供高 温空气。 如图２所示，三台热风炉通过送风、排风管道相连。为了提 供温度恒定的高温空气，生产过程中它们的工作模式为：热风炉 起动初期，１号炉大烧（炉内温度高些），２号、３号炉小烧（炉内 温度低些）；待１号炉温度达到１０００℃时，１号炉转为送风，２号 １４ＯＣＰＳ１１４００模块，１个１４０ＣＰＵ４３４１２Ａ模块，１个１４０ＮＯＥ－ ７７１０１模块，５个１４０ＤＡ１７５３００模块，３个１４０ＤＡＯ７８３００模 块。前三个子站的配置相同，配置为１个１４０ＣＲＡ２１１１Ｏ模块，１ 个１４０ＸＣＰ５１０００底板，２个１４０ＤＡ１７５３００模块，１个 １４ＯＤＡＯ８５３００模块，１个１４０ＸＣＰ５１０００模块。第四个子站的 配置为１个１４０ＣＲＡ２１１１Ｏ模块，１个１４０ＸＣＰ５１０００底板，２ 个１４０ＡＣ１０４０００，１４０ＡＣＯ１３０００模块。最后需对ＰＬＣ系统硬 炉大烧，３号炉小烧；当１号炉温度降到不能满足要求时，２号炉 转换为送风，３号炉转换为大烧，１号炉转换为小烧。通过调节煤 件进行地址设置。把主站地址设定为１，其它四个子站的地址依 次设定为２、３、４、５。（调ＰＬＣ背板的地址调定螺钉）。如果不设 定则会出现地址混乱。 ４人机界面设计 气与空气的混合比进行小烧、大烧转换。如此循环从而持续地为 炼锌炉提供清洁的高温空气。上述所有转换均通过ＰＬＣ控制自 动实现。 ３控制系统的硬件配置 当前流行的组态软件较多，如ＩｎＴｏｕｃｈ、ｉＦＩＸ、组态王、Ｌａｂ－ 软硬件的配置是评价系统优劣的一个重要参数。本系统硬 件部分为工控机两台（１台运行，１台热备），Ｑｕａｎｔｕｍ ＰＬＣ １ 套，交换机１台。由于生产过程中需要控制的点比较多，相互距 ＶＩＥＷ等，选用性价比较高的ｉＦＩＸ。ｉＦＩＸ功能强大，实现控制简 单，便于书写程序，图形库丰富。根据生产的需要制作了“热风炉 总貌（图２）”、“１号热风炉监控画面”、“２号热风炉监控画面”、 “３号热风炉监控画面”、“温度曲线”“压力曲线”、“流量曲线”、 维普资讯 http://www.cqvip.com 《工业控制计算机｝２００７年２Ｏ卷第６期 “报警”、“报表”等几个组态界面。在设计人机界面中，ｉＦＩＸ与以 太网相连接是非常关键的一个方面，否则人机界面中的所有监 ９ ｌＰ地址设定后，ｉＦＩＸ软件上与ＰＬＣ的通讯设置就设定完成。如果 与有多个ＰＬＣ通讯，只需继续添加Ｄｅｖｉｃｅ即可。 ５ ＰＣ机与ＰＬＣ的通讯方式 控都没有任何意义。连接的方法为：在启动ｉＦＩＸ前装上ＭＢＥ （Ｍｏｄｂｕｓ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ）驱动软件，启动ｉＦＩＸ后双击系统配置图标， 就会出现图３所表示的系统配置图，然后单击ＳＣＡＤＡ图标出 现ＳＣＡＤＡ组态图后，点击ｌ／Ｏ驱动器右边的问号，选择Ｍｏｄ— 在用以太网使上位机与ＰＬＣ通讯时，设置简单方便，只需 把上位ＰＣ机和下位ＰＬＣ设置在一个网段内即可，假定上位 ＰＣ１地址设为１２８．１２８。１．６４，上位ＰＣ２地址设为１２８．１２８．１．６５， ＰＬＣ的地址设为１２８．１２８．１．１０５，它们之间就可以相互通讯。扩 ｂｕｓ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｖ７．１７，单击确定，回到ｉＦＩＸ编辑界面。 展也很方便，只需要把新加入的设备设置在此网段内并给它分 配一个ｌＰ地址即可。 ６冗余的设定 为了实现系统的安全可靠性我们设定上位机的冗余功能， 每个上位机需配置两个网卡，通过设定ｉＦＩＸ冗余配置，就可实现 冗余功能。当主节点出现故障时，备用自动节点启动。 ７ ＰＬＣ编程 帆塑ＰＬＣ程序主要包括三个部分，一是ＰＬＣ的ｌＰ地址的设定， 二是ＰＬＣ系统的组态，最后一部分是控制程序的编写。 一般使ＰＬＣ的ｌＰ地址和ＰＣ机的ｌＰ地址在同一个网段 内，并且和ｉＦＩＸ软件中设置的ＰＬＣ的ｌＰ地址相同。 注意ＰＬＣ系统软件的组态与硬件的组态相对应，即主站的 地址软件默认为１，把４个子站的地址对应地依次设置为２、３、 ４、５即可。 图３系统配置图 控制程序注意两个方面：一是判断是否需要换炉，如果送风 炉温度的低于要求的温度就应开始换炉，二是换炉时炉阀的控 双击ｌ／Ｏ驱动器，就会出现ＭＢＥ图标，再双击ＭＢＥ图标， 就可以设置需要控制的ＰＬＣ的ｌＰ地址。假如ＰＬＣ主站的ｌＰ地 址为：１２８．１２８．１．１Ｏ５，就把图３上的ｌＰ地址设为：１２８．１２８．１．１Ｏ５。 制，比如送风转为小烧，大烧转为送风，小烧转为大烧等。 ［收稿日期：２００６．１０．１９］ （上接第７页） 扰十分晋严重，执行机构简陋。困此如采用常规的开关控制，效 矩阵的运算又比较复杂，因此我们为本系统专门设计了一套工 业控制机，主ＣＰＵ是三星公司的ＡＲＭ７嵌入式微处理器 Ｓ３Ｃ４４ＢＯ，配有１５”ＶＧＡ ＬＣＤ显示器、打印机和操作键盘等外 果是不理想的，便是由于采用上述综合的Ｆｕｚｚｙ控制方式，使整 个系统得到了很好的控制，且具有较好的鲁棒性，当对象在非线 性范围内变化很大时，系统仍然能满意地工作，充分显示了 围设备，使整个系统有很好的实时操作性能，可以通过键盘方便 地选择恒电流、恒电压、恒电导（电流／电压）三种控制方式，因此 本系统具有很好的通用性，可适用于各种埋弧治炼电炉。为提高 Ｆｕｚｚｙ控制的优越性。并为在较大，较复杂的工业过程中实行 Ｆｕｚｚｙ控制积累了经验。 和线性系统相比，非线性系统更能体现出Ｆｕｚｚｙ控制优越 性。事实上，对于一般二阶以下的线系统。Ｆｕｚｚｙ控制并不比常 规ＰＩＤ控制有多少优越的地方，然而在非线性领域，就不是这样 速度，全部软件均由汇编语言写成，共占内存１２Ｋ，其中控制算 法约５Ｋ该系统已有３Ｏ余台在线使用，取得了很好的节能降耗 的效果，同时也大大改善了操作工人的工作条件。系统的框图如 图２。 了，我们知道，非线性领域的系统稳定性不仅与系统的内部结构 有关而且与系统的初态和挠动的性质有关，而这些正是常规控 制方式所难以处理的。 参考文献 ［１］Ｚａｄｅｈ，Ｌ．Ａ，Ｆｕｚｚｙ Ｓｅｔｓ，【ｎｆｏｒｍ．Ｃｏｎｔｒｏｌ，【Ｊ］８［１９６５】 ［２］Ｋａｕｆｍａｎ，Ａ，Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｆｕｚｚｙ Ｓｅｔ Ｔｈｅｏｒｙ，Ａｃａｄｅｍｉｃ ｐｒｅｓｓ 回Ｈ键盘 ［Ｍ】，Ｎ，Ｙ １９７５ ［３］楼世博，孙章，等．模糊数学［Ｍ】．北京：科学出版社，１９８３ ［４］冯德，等．模糊数学方法及其应用【Ｍ］北京：地震出版社，１９８３ ［５］Ｔ．Ｊ ｐｒｏｃｙｋ，Ｅ．Ｈ．Ｍａｍｄａｎｉ．Ａ ｌｉｎｇｕｉｓｔｉｃ Ｓｅｌｆｏｒｇｒａｎｉｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，Ａｕｔｏ［，／】１ ５，１ ９７９ ［６］Ｅ．Ｈ．Ｍｃｖｍｄａｎｉ，Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｕｚｚｙ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｎｊ机 Ｓｉｍｐｌｅ Ｄｙｎａｍｉｃｓ ｐｌａｎｔ，ｐｒｏｃ［Ｊ］。ＩＥＥＥ，１２１，１９７４ ［７］Ｅ．Ｈ．Ｍａｍｄａｎｉ，Ｓ．Ａ．Ａｓｓｉｌｉａｎ，Ｆｕｚｚｙ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｅｒ ｆｏｒ Ａ Ｄｙｎａｍ— 图２系统结构 ｉｃ Ｐｌａｎｔ［Ｊ】，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｍａｎｍａｃｈｉｎｅ Ｓｔｕｄｙ，７，１９７５ ｆ收稿日期：２ｏＯ７．１２．２７］ ６结束语 由于不知道非线性对象精确的数学模型，加之过程随机干
