（控制理论与控制工程专业论文）称量配料冗余系统的研究与实现.pdf

硕士论文 称量配料冗余系统的研究与实现 摘要 本文以某铸铁公司电炉加配料称量系统项目为背景，设计了称量配料冗余系统。本 文主要研究和实现了以下几点内容： 1 根据项目的生产工艺和控制要求，构建了称量配料系统。系统包括下位机p l c 控 制和上位机w i n c c 监控两部分：p l c 主要对现场设备进行控制和采集称量仪表数据并进 行处理；w i n c c 监控程序主要设计了监控界面实现对现场的监控。 2 以称量数据作为主要研究对象，根据现场控制信号和检测信号对其进行分析处 理，将称量数据分解为生铁、废钢、回炉铁三种料酌实际重量，计算出误差重量等相关 参数，进行误差补偿处理以减少总的称量误差；并将所有称量参数在w i n c c 界面上显示， 方便操作工进行配料操作。 3 针对项目对归档数据高可靠性的要求，分析了双机冗余系统的可靠性和可用性， 并使用w i n c c 的冗余功能设计了双机冗余。双机冗余的建立使得数据在归档过程中不会 因为一台计算机软件或者硬件的故障而出现丢失的现象，保证了归档数据的安全可靠。 4 为方便对过程数据的管理，设计了数据管理系统。利用w i n c c 用户归档实现了 数据存储；采用a d o 数据接口对w i n c c 数据库进行访问，实现了数据的查询和统计功能； 利用v b s 脚本实现报表及打印功能，并将访问结果在可视化界面中显示输出。用定时维 护和定容量维护的方式对数据库进行维护，保证数据库的安全。 本系统现已在现场正常使用半年，经运行表明；其稳定可靠，效果良好。 关键词：称量配料，双机冗余，过程数据管理，p l c ，w i n c c a b s t r a c t a st h eb a c k g r o u n dt ot h ef u r n a c e i n g r e d i e n t sw e i g h i n gs y s t e mp r o j e c to fa l li r o n c o m p a n y , aw e i g h i n gi n g r e d i e n t sr e d u n d a n c ys y s t e mi sd e s i g n e d s e v e r a l 渊f e d 括a r e s t u d i e da n di m p l e m e n t e di nt h ed i s s e r t a t i o n ： ( 1 ) a c c o r d i n gt o t h ep r o d u c t i o np r o c e s sa n dc o n t r o lr e q u i r e m e n t so ft h ep r o je c t ， w e i g h i n gi n g r e d i e n t ss y s t e mi sc o n s t r u c t e d t h e r ea r et w op a r t si nt h es y s t e mw h i c ha r ep l c c o n t r o la n dw i n c cm o n i t o r i n g p l ci su s e dt oc o n t r o ls c e r l ee q u i p m e n ta n dc o l l e c tt h ed a t a f r o mw e i g h i n gi n s t r u m e n tt od e a lw i t h ；w i n c ci su s e dt od e s i g ns u r v e i l l a n c ea n dc o n t r o l i n t e r f a c et om o n i t o rt h es c e n ee q u i p m e n t ( 2 ) a st h em a i n l ys t u d yo b j e c t ，t h ew e i g h td a t ai sa n a l y z e da c c o r d i n gt ot h es c e n ea n d c o n t r o ls i g n a ld e t e c t i o ns i g n a l 。t h ea c t u a lw e i g h to ft h ep i g - i r o n 、d o r m a n t s c r a pa n d f o u n d r y - r e t u mi sp i c k e du pf r o mt h ew e i g h td a t a e r r o rw e i g h ta n do t h e rr e l e v a n tp a r a m e t e r s a r ec a l c u l a t e d e r r o rc o m p e n s a t i o ni sa c t u a l i z e dt or e d u c et h et o t a lw e i g h i n ge r r o r a l lo f w e i g h i n gp a r a m e t e r sa r ed i s p l a y e di nt h ei n t e r f a c eo fw i n c c ，s ot h a tt h ew o r k e r se a s yt o o p e r a t e ( 3 ) i ti st om e e tt h ea r c h i v i n gd a t ar e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t sd o u b l er e d u n d a n ts y s t e m s r e l i a b i l i t ya n da v a i l a b i l i t ya r ea n a l y z e da n dd o u b l er e d u n d a n ti sd e s i g n e db yt h er e d u n d a n c y f u n c t i o no fw i n c c a r c h i v i n gd a t a ss e c u r i t yi sg u a r a n t e e db yd o u b l er e d u n d a n ta n dt h ed a t a o f a r c h i v i n gw i l ln o tl o s eb e c a u s eo fo n ec o m p m e r sm a l f u n c t i o n ( 4 ) d a t am a n a g e m e n ts y s t e mi sd e i g n e dt om a n a g et h ep r o c e s sd a t a d a t as t o r a g ei s r e a l i z e db yt h eu s e ra r c h i v eo f w i n c c t h r o u g hv i s i t i n gt ot h ew i n c cd a t a b a s eb ya d o ，t h e f u n c t i o n so ft h ed a t aq u e r ya n ds t a t i s t i c sa r er e a l i z e d r e p o r tf o r m sa n d p r i n ta r ea l s or e a l i z e d b yv b s t h er e s u l t so fq u e r ya r ed i s p l a y e di nt h ei n t e r f a c eo fw i n c c t h e r ea r et w om e t h o d s f o rd a t am a i n t e n a n c ew h i c ha r er e g u l a rm a i n t e n a n c ea n dm a i n t e n a n c eo ff i x e d c a p a c i t y t h es y s t e mh a sb e e nu s e da b o u ts i xm o n t h sa tt h es c e n e t h er e s u l to fr u n n i n gs h o w s 廿l a tt h es y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l e k e y w o r d s ：w e i g h i n gi n g r e d i e n t s ，d u a lr e d u n d a n t ，p r o c e s sd a t am a n a g e m e n t ， p l c ，w i n c c l l l 硕士论文 称量配料冗余系统的研究与实现 图表目录 图2 1 1 称量配料现场立面图7 图2 。1 2 称量配料现场平面图8 图2 1 3 终称量装置：9 图3 2 1 称量配料系统整体结构：1 6 图3 2 2 本地连接属性1 6 图3 2 3i n t e r n e t 协议( t c p 口) 属性1 7 图3 2 4 ：硬件组态界面1 7 图3 2 5 ：c p 3 4 3 1 属性界面j 18 图3 2 6 ：c p 3 4 3 1 以太网属性界面1 8 图3 2 7 ：“i n s t a l lg s df i l e s ”界面1 9 图3 3 1 s t e p7 和p l c 软、硬件组合示意图2 2 图3 3 2 s t e p7 创建项目的步骤一一2 3 图3 3 3对准信号模块流程图2 5 图3 3 4 生成加料标志流程图2 6 图3 3 5 屏灯控制流程图2 7 图3 3 ，6 料仓选择信号2 8 图3 3 7 料仓对准信号一2 8 图3 3 8 料仓报警信号2 9 图3 3 9 二次料斗对准信号2 9 图3 3 1o 数据处理流程图。3 0 图3 3 1 1误差判断模块流程：3 1 图3 3 1 2 误差判断子程序流程一3 2 图3 3 1 3 生成a b 炉配好信号流程一：3 2 图3 3 1 4闸门控制流程图3 3 图3 3 1 5 闸门开程序流程图3 3 图3 3 1 6闸门关程序控制流程3 4 图3 4 1 添加新的驱动程序3 6 图3 4 2t c p i p 系统参数。3 6 图3 4 3 驱动程序连接属性3 7 图3 4 4t c p m 连接参数3 7 图3 4 5 监控界面组态结构图3 8 v 1 f 图表目录硕士论文 图3 4 6 称量系统主界面。3 8 图3 4 7 称量重量显示界面3 9 图3 4 8 称量重量修改界面。3 9 图3 4 9 演示界面：4 0 图4 。1 1 双纲冗余系统框图- j 4 2 图4 1 2 主从机切换流程图4 2 图4 2 1 双机冗余设计流程4 4 图4 2 2 时间同步设置界面4 4 图4 2 3 冗余设置界面- 4 5 图4 2 4w i n c c 项目复制器界面4 5 图4 3 1 双机冗余正常运行时主机运行界面4 6 图4 3 2 双机冗余正常运行时从机运行界面4 6 图4 3 3从机接管主机工作运行界面- 4 7 图4 。3 4 主机恢复正常后主机工作运行界面4 7 图4 3 5 主机恢复正常后从机工作运行界面一4 8 图5 1 1 用户归档数据传递流程。5 0 图5 1 2 用户归档界面一：5 1 图5 1 3 唯一键设定界面5 2 图5 2 1s q ls e r v e re n t e r p r i s em a n a g e 界面j 5 3 图5 2 2 两种查询方式设定界面5 4 图5 。2 3 查询过程流程图5 7 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 玲8年月药日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 加孑年多月务日 硕士论文 称量配料冗余系统的研究与实现 1 绪论 1 1 选题的背景和意义 在现代工业生产中，经常需要将多种原料按一定的比例混合来制造某种产品，这种 将一种原料和其它多种原料按事先设定的比例进行混合配料的过程称为称量配料过程。 称量配料在工业生产过程中有着广泛的应用，它根据事先设定的配料单，将各种不同的 原料放在不同或者同一称量设备中进行称量【l j 。 在建筑、饲料加工、食品加工、化工、冶金等行业中，称量配料过程是生产过程的 重要组成部分，其配料过程是否按照规定配料比进行是企业产品质量高低的关键【2 1 。在 许多称量配料过程中，尤其是在操作工起主要作用的配料过程中，能否将称量的实际重 量和配料的称量误差实时准确的反馈出来，是十分必要的。因此，为提高操作工的配料 质量，节约资源以及提高管理效率，设计一套称量配料系统，将称量数据和配料误差实时 的反馈给操作工，能够对称量数据进行实时存储，能够对历史数据进行访问操作，是本 课题研究的主要内容之一。 称量配料的实际重量等参数是企业进行产品成本计算、对操作工考核等的一个重要 的参考标准，因此，称量数据的存储是十分重要的一个环节。存储到数据库中的数据必 须安全可靠，不会因计算机故障而造成数据丢失的现象；所以，数据的存储对计算机系 统的可靠性要求很高。因此，建立双机冗余系统，提高计算机系统的可靠性和可用性也 是本课题研究的主要内容之一。 1 2 称量配料系统的发展过程 称重技术自古以来就被人们所重视，在传说的黄帝“设五量 中，权衡即为五量之 首。从古代起直至中世纪，各国容量和重量即我国谓之为“权度”的管理权，是同市场 权力不可分割的【3 1 。 衡器是确定物体的质量或者作为质量函数的其它参数的一种计量仪器。古希腊最早 开创了衡器理论，公元前3 8 9 3 2 2 年的阿里斯多德、约公元i 1 1 f 3 0 0 年的欧几里德和公元前 2 8 7 3 1 2 年的阿基米德研究了等臂杠杆的平衡问题、天平的稳定性问题、天平的灵敏性 与杠杆臂长的关系等问题。到了近代j 衡器的制造才出现了进步先后出现了如架盘天平、 不等臂平台秤、吊车秤、倾斜象限杆秤和弹簧秤等等。1 9 世纪后期，随着工业化的迅猛 发展，出现了大量迅速称量散装物品的自动秤，每次约可称量5 0 0 k g 。这种自动秤的称 量过程分以下几个阶段【3 1 ： ， ， ( 1 ) 打开装满散料的容器： i 绪论硕士论文 ( 2 ) 把散料输入到秤斗里进行称量； ( 3 ) 到达平衡位置时，关闭进料闸门； ( 4 ) 自动卸空料斗； ( 5 ) 秤斗和气动联动装置回到初始位置，自动启动下一个称量过程。 随着第二次世界大战后的经济繁荣，为了把衡器引入生产工艺过程中去，对衡器提 出了新的要求，希望称重过程自动化，为此电子技术不断渗入衡器制造业。近1 0 年来， 电子衡器已经越来越多地参与到数据处理和过程控制之中，出现了采用电子衡器作为称 重计量系统的能实现配料称重过程自动化的配料称重系统 1 】。 在我国，作为配料称重系统核心部分的衡器，2 0 世纪4 0 年代以前还全是机械式的， 4 0 年代开始发展了机电结合式的衡器，5 0 年代开始出现了以称重传感器为主的电子衡器 ( 俗称电子秤) 。由于称重传感器( 特别是电阻应变式称重传感器) 的各项性能不断有新的 突破，为电子秤的发展奠定了基础。国外如美国、西欧等一些国家在2 0 世纪6 0 年代就出 现q - 0 1 称量准确度的电子秤，并在7 0 年代中期约7 5 的机械秤进行了机电结合式的电 子化改造【4 】。电子秤的发展向着群控、程控和智能化猛进。我国电子秤技术在7 0 年代中 由于电阻应变式称重传感器技术上的突破，也取得了历史性的进展。各种电子秤如雨后 春笋般出现，逐步被国民经济各部门应用。工艺流程中的现场称重、配料定量称重、以 及产品质量的检测等工作，都离不开能输出电信号的电子衡器。近年来，电子衡器已经 愈来愈多地参与到数据处理和过程控制之中，现代称重技术和数据系统己成为工艺技 术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售等领域中不可缺少的组成部分【5 】。 1 3 数据采集与监控系统简介 数据采集与监控的英文名称是s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，简称 s c a d a 。s c a d a 系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对 现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各 类信号报警等各项功能。s c a d a 系统在电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数 据采集与监控以及过程控制等诸多领域都有着广泛的应用f 7 1 。 s c a d a 系统作为生产过程和事物管理自动化最为有效的计算机软硬件系统之一， 它包含两个层次的含义：是分步式的数据采集系统，即智能数据采集系统，也就是通 常所说的下位机；另一个是数据处理和显示系统，即上位机h m i ( h u m a nm a c h i n e i n t e r f a c e ) 系统【8 】。 下位机一般意义上通常指硬件层上的，即各种数据采集设备；如各种r t u 、f t u 、 p l c 及各种智能控制设备等。这些智能采集设备与生产过程和事务管理的设备或仪表相 结合，实时感知设备各种参数的状态，并将这些状态信号转换成数字信号，通过特定 数字通信网络传递到h m i 系统中。同时，这些智能系统也可以向设备发送控制信号。上 硕士论文称量配料冗余系统的研究与实现 位机h m i 系统在接受这些信息后，以适当的形式如：声音。图形、图像等方式显示给用 户，以达到监视的目的，同时数据经过处理后，告知用户设备的各种参数的状态，这些 处理后的数据可能会保存到数据库中，也可能通过网络系统传输到不同的监控平台，还 可能与别的系统( j z i m i sg i s ) 结合形成功能更加强大的系统；h m i 还可以接受操作人 员的指示，将控制信号发送到下位机，以达到控制的目蒯引。 s c a d a 系统自诞生之日起就与计算机的发展紧密相关，其发展到今天已经经历了 三代 9 】： 一 ，第一代是基于专用计算机和专用操作系统的s c a d a 系统，如电力自动化研究院为 华北电网开发的s d l 7 6 系统以及日本日立公司为我国铁道电气化远动系统所设计的 h 8 0 m 系统。这一阶段是从计算机运用到s c a d a 系统是开始到7 0 年代。 第二代是8 0 年代基于通用计算机的s c a d a 系统，在第二代中，广泛采用v a x 等其 它计算机以及其他通用工作站，操作系统般是通用的u n i x 操作系统。在这一阶段， s c a d a 系统在电网调度自动化中与经济运行分析、自动发电控制( a g c ) 以及网络分 析结合到一起构成了e m s 系统( 能量管理系统) 。第一代与第二代s c a d a 系统的共同特 点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而系统维护、升级以及与其它 联网具有很大的困难。 9 0 年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库的能够实现大范围 联网的e m s s c a d a 系统称为第三代。这一阶段是我国s c a d a e m s 系统发展最快的阶 段，各种最新的计算机技术都汇集进s c a d a e m s 系统中。 第四代s c a d a e m s 系统的基础条件已经或即将具备。该系统的主要特征是采用 i n t e m e t 、面向对象、神经网络以及j a v a 等技术，继续扩大s c a d a e m s 系统与其它系统 的集成，综合安全经济运行以及商业化运营的需要。 可编程控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) ，简称p c ，因早期主要应用于开关量的逻辑 控制，因此也称为p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，即可编程逻辑控制器 8 】。现代的 可编程控制器是以微处理器为基础的、高度集成化的新型工业控制装置，是计算机技术 与工业控制技术相结合的产品0 1 。 可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计 的工业控制器。它采用了可编程序的存储器，用来在其内存储执行逻辑运算、顺序控制、 定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种 类型机械的生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个 整体、易于扩充其功能的原则设计【l o 】。 可编程控制器发展很快，全世界有几百家工厂正在生产几千种不同型号的p l c 。从 组成结构形式上可以将这些p l c 分成两类：类是一体化整体式p l c ，另一类是模块式 结构化的p l c 。o m r o n 公司的c 2 0 p ，c 4 0 p ，c 6 0 p ；三菱公司的f 1 系列；东芝公司的 1 绪论 硕士论文 e x 2 0 4 0 系列都属于前者。其特点是电源、c p u 、i o 接口都集成在一个机壳内。o m r o n 公司的c 2 0 0 h ，c 1 0 0 0 h ，c 2 0 0 0 h 西门子公司的s 5 1 1 5 u ，s 7 3 0 0 ，s 7 4 0 0 系列等则属 于后者。它们的电源模块、c p u 模块、开关量i o 、模拟量i o 模块等在结构上是相互独 立的，可根据具体的应用要求，选择合适的模块，安装在固定的机架或导轨上，构成一 个完整p l c 应用系统【l o 】5 按i o 点数及内存容量可将p l c 分为以下几类【1 0 】 1 1 】： ( 1 ) 超小型p l c ：i o 点数小于6 4 点，内存容量在2 5 6 b y t e l k b ； ( 2 ) 小型p l c ：i o 点数在6 5 1 2 8 ，内存容量在1 3 6 k b ； ( 3 ) 中型p l c ：i o 点数范围在1 2 9 5 1 2 点，内存容量在3 6 1 3 k _ b ： ( 4 ) 大型p l c - i o 点数范围5 1 3 8 9 6 点，内存容量在1 3 k b 以上； ( 5 ) 超大型p l c ：i o 点数在8 9 6 点以上，内存容量在1 3 k b 以上。 p l c 之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，还有许多独特的优点。它较 好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。其主要 特点如下【1 1 】【1 2 】： ( 1 ) 可靠性高、抗干扰能力强； ( 2 ) 编程简单、使用方便； ( 3 ) 设计、安装容易、维护工作量少； ( 4 ) 功能完善、通用性强； ( 5 ) 体积小、能耗低； ( 6 ) 性能价格比高。 组态软件是数据采集监控系统s c a d a 的软件平台工具，是工业应用软件的一个组 成部分。它具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。组态软件由早先单一的人 机界面面向数据处理机方式发展，管理的数据量越来越大。随着组态软件自身以及控制 系统的发展，监控组态软件部分地与硬件发生分离，为自动化软件的发展提供了充分发 挥作用的舞台。o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 的出现，以及现场总线尤其是工业以太网 的快速发展，大大简化了异种设备间的互连，降低了开发i o 设备驱动软件的工作量。i o 驱动软件也逐渐向标准化的方向发展【1 3 】。 实时数据库的作用进步加强。实时数据库是s c a d a 系统的核心技术。从软件技 术上讲，s c a d a 系统的实时数据库，实质上就是一个可统一管理的、支持变结构的、 支持实时计算的数据结构模型。在实时数据库技术中，还有对工业标准的支持( 如o p c 规范等) 对分布式计算的支持和对实时数据库系统冗余的支持等【1 3 】。 社会信息化的加速是组态软件市场增长的强大推动力。在最终用户的眼里，组态软 件在自动化系统中发挥的作用逐渐增大，甚至有的系统根本不能缺少组态软件。其中的 主要原因是软件的功能强大，用户也存在普遍的需求，广大用户逐渐认识了软件的价值 4 硕士论文称量配料冗余系统的研究与实现 所在。 目前看到的所有组态软件都能实现类似的功能：几乎所有运行于3 2 位w i n d o w s 平台 的组态软件都采用类似资源浏览器的窗口结构，并对工业控制系统中的各种资源( 设备、 标签量、画面等) 进行配置和编辑；处理数据报警及系统报警；提供多种数据驱动程序； 种类报表的生成和打印输出；使用脚本语言提供二次开发的功能；存储历史数据并支持 历史数据的查询等【1 3 】。 1 4 论文研究的内容和结构 本文以泰宁铸铁公司电炉加配料称量系统项目为背景，根据项目生产工艺和控制要 求而设计该监控系统，本文主要研究以下几点内容： 1 构建称量配料系统，实现对现场设备的监控。 2 以称量数据作为研究对象，编写p l c 程序，对称量数据进行采集、分析和误差 补偿的处理，并对现场设备进行控制； 3 设计w i n c c 监控界面，将称量参数通过监控界面反馈给操作工，方便操作工进 行配料操作，并实现对现场的监控； 4 分析双机冗余的原理和可靠性，以w i n c c 冗余功能为基础设计双机冗余系统； 5 设计数据库管理系统，实现对称量数据的归档、查询、统计及报表打印，同时 对数据库的定时维护，防止因数据过多而造成数据溢出； 下面是本文的主要结构： 第二章主要对称量配料系统现场设备和配料系统的工艺流程做了简要的介绍，同时 总结了配料系统的控制要求。 第三章主要根据项目的工艺要求详细分析了整个系统的结构，介绍了系统的硬件搭 建过程，详细分析p l c 控制程序的实现过程，对w i n c c 监控界面的设计做了详细说明。 第四章介绍了双机冗余的工作原理，分析了双机冗余的可靠性和可用性，并以 w i n c c 冗余功能为基础设计了双机冗余。 第五章设计了数据管理系统，详细介绍了数据归档、查询、统计及报表打印的实现 过程。 第六章主要对本文研究的内容做了简要的总结。 5 硕士论文称量配料冗余系统的研究与实现 2 配料系统的生产工艺及控制要求 2 1 配料系统的生产工艺 本项目为电炉称量配料系统( 简称为“配料系统”或“称量配料系统”) ，用于泰宁 公司新工厂熔化工部电炉的给料。操作工在操作室操作加料行车从料仓中吸取料，加入 到终称量铁料斗中，当加料行车多次从料仓中取料达到配方要求后，给出料配完信号， 炉前操作工此时可将终称量装置的料斗门打开，将料放到料斗下面的加料小车中，然后 操作工将加料小车开到电炉前，将料加入到电炉中，这样一次操作完成。 2 1 1 配料系统现场设备简介 称量现场立面图和平面图分别如图2 1 1 和图2 1 2 所示。 、， 、 r 形 3 i - 笠技ml ? 尘锻il t 盛钳il ：煳fi tf 畸妒llz h 妒lf 州炉lf 。网妒l 8 占 3 _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 3 幽 j lil 每 8k f 强、1 l 尘 tt t；名 5671 0 1 加料行车( 带电磁吸盘、初称量装置)2 初称量显示屏3 炉牌号显示屏4 操作室5 生铁料仓 6 废钢料仓7 回炉铁料仓8 终称量装置( 铁料斗)9 加料小车1 0 电炉 图2 1 1 称量配料现场立面图 1 ) 料仓和仓屏 称量配料现场一共有8 个料仓，分别用于存储生铁、废钢、回炉铁三种料。其中， 生铁占左边两个料仓，废钢占中间两个料仓，回炉铁占右边四个料仓，每种料的位置固 定，不能随便放置。在每个料仓上方的横梁上分别挂着一个显示字屏，字屏上分别显示： “1 生铁 、“2 、生铁”、“1 、废钢”、“2 废钢”、“1 、回炉”、“2 、回炉”、“3 、回炉”、 “4 、回炉”。 2 ) 加料行车( 一次称量装置) 7 2 - 配料系统的生产工艺及控制要求硕士论文 加料行车为悬挂电磁吸盘行车，其操作箱固定在操作室中。加料行车由大车和小车 组成，大车水平移动，负责将吸的料送到终称量装置( 铁料斗) 中，小车在大车上移动， 移动方向与大车移动方向垂直，小车用于调整吸盘位置，使其能够对准料仓，方便操作 工进行吸料操作。电磁吸盘为m w 5 1 3 0 t 1 型电磁吸盘，其吸重能力：钢球6 5 0 0 公斤、 铸铁锭1 0 0 0 8 0 0 公斤、废钢4 5 0 4 0 0 公斤；吸盘挂在小车的卷扬机上。一次称量装置由 安装在行车卷扬机定滑轮上的吸重称量传感器、大屏幕显示( 安装在行车上，在操作室 对面，方便操作工看) 、有称重模块的单独p l c 组成。吸重称量传感器用的是“托利多 产品，大屏幕显示为南京产品，所用的p l c 为“西门子产品 。 1 加料行军( 带电磁吸盘、初称量装置) 2 生铁料仓 3 废钢料仓4 回炉铁料仓 5 操作室6 加料小车 7 终称量装置( 铁料斗) 8 电炉 图2 i 2 称量配料现场平面图 3 ) 操作室 操作室距离地面约5 米，位于料仓的对面，方便操作工在操作室中对加料行车进行 操作。控制柜、继电器柜、行车操作箱等均放在操作室中。操作室正对仓料的一面全部 为玻璃窗，同时，在终称量装置的地方安装有摄像头，显示器放在操作工的旁边。这样， 操作工在进行吸料以及往终称量料斗里加料的时候，视线不会受到任务的干扰。 4 ) 终称量装置 终称量装置由铁料斗、四只荷重传感器、适配接线盒、称量仪表组成。其中，称重 传感器、适配接线盒、称量仪表为“托利多”配套产品。如图2 1 3 所示，四只荷重传 感器放在铁料斗的下方，正好支撑铁料斗的四个角；四只传感器的信号送到适配接线盒， 经过简单处理后再送到称量仪表，称量仪表处理后的重量信号仪表上显示出来，同时送 到p l c 中进行处理。铁料斗的底部由两扇对开闸门组成，当配料完成后，操作工将闸 硕士论文称量配料冗余系统的研究与实现 门打开，把料放到料斗下面的加料小车中，完成一次配料。 1 铁料斗2 荷重传感器3 适配接线盒4 称量仪表5p l c6 铁料斗闸门 图2 1 3 终称量装置 5 ) 加料车和电炉 加料车由加料小车和摆渡车组成，加料小车放在摆渡车上；加料车容量为3 吨，加 料小车料仓长度2 7 0 0 毫米、下底宽度8 0 0 毫米、上口宽1 7 3 4 毫米、高为2 5 5 0 毫米； 加料小车行进由电机驱动，加料小车向电炉加料由振动电机执行。摆渡车轨道中心3 7 0 0 毫米，由电机驱动，实现一对二给两台电炉加料，摆渡车安装在标高度2 米加料平台的 负4 0 0 毫米的地槽内，所以加料车上标高为2 5 5 0 毫米。 电炉一共有两个，位置如图2 1 2 所示，摆渡车在地槽内可左右移动调整，实现对 两个电炉的加料。 2 1 2 系统的工艺流程 下面以一次完整的配料过程来说明一下配料系统的生产工艺流程，其具体流程如 下： 1 ) 工作开始前，操作工将称量料斗中的料清空并将铁料斗闸门关上，并且通过系 统转换开关选择自动或者手动。选择好要进行吸料的料仓号，用键盘输入炉料配方和允 许误差( 假设炉料配方：生铁9 0 0 公斤；废钢：3 0 0 公斤；回炉铁1 3 0 0 公斤；误差范围： 2 ；5 ；1 0 ；如果误差小于2 ，表示误差很小，没有超差报警标志，如果误差大于 2 且小于5 ，表示误差较小，超差报警标志为“宰，如果误差大于5 且小于1 0 ， 表示误差较大，超差报警标志为“木木，如果误差大于1 0 ，表示误差很大，超差报警 标志为“料宰”) ，输入好炉料配方，点击确定以后，经过计算处理，模拟屏上显示各种 料的配方重量、目标重量、实际重量、称量误差重量、超差报警标志、批料总重量、批 次号( 首次显示目标重量即等于配方重量，实际重量为零、误差重量为负目标重量、超 差报警标志为“木，：木”，批料重量为零、批次为1 ) 。同时，转动a b 炉选择按钮，选择好 9 2 配科系统的生产工艺及控制要求硕士论文 是配a 炉还是b 炉的料( 假设此次配a 炉的料) ，设定好炉料配方和允许误差以及选择好 a 炉后，就可以开始进行配料了。 2 ) 开动行车从生铁料坑吸生铁略大于目标重量，如吸了1 5 0 0 公斤，然后点动脚踏 开关慢放料，由一次称量初步控制，如控制到了9 2 5 公斤，开到称量料斗上方，按下卷 扬机操纵杆上吸盘按钮；将料放到终称量装置的铁料斗中，行车返回；等到2 秒钟后， 生铁实际重量显示稳定显示9 2 5 公斤；通过实际重量与输入重量比较计算并显示出生铁 误差重量由9 0 0 公斤变化至u + 2 5 公斤；误差为2 7 ，报警标志为“木 ；实际重量累加到 批料总重量中并更新显示( 显示9 2 5 公斤) 。 ” 3 ) 开动行车再从回炉铁料坑吸回炉铁略大于目标重量，如吸满了也只有8 5 0 公斤， 此时不用点动脚踏开关进行慢放料，直接将行车开到称量料斗上方，通过按下卷扬机操 纵杆上吸盘按钮，将料放到铁料斗中，行车返回。等到2 秒钟后，回炉铁实际重量稳定 显示8 5 0 公斤。通过实际重量与输入重量比较计算，计算机显示出回炉铁误差重量由 - 1 3 0 0 公斤变化n - 4 5 0 公斤，因为- 4 5 0 公斤超过1 0 误差范围，报警标志为“宰木妒；实际 重量累加到批料总重量中并更新显示( 显示17 7 5 公斤) 。 4 ) 因为回炉铁超差，所以还要用同样的方法再吸回炉铁略大于误差重量，如果吸 了7 0 0 公斤，通过慢放料控制到4 3 0 公斤，行车开到称量料斗上方，通过按下卷扬机操 纵杆吸盘按钮放料，行车返回。等待2 秒钟，回炉铁实际重量稳定显示1 2 8 0 公斤，通 过实际重量与输入重量比较计算并显示出回炉铁误差重量由- 4 5 0 公斤变化到2 0 公斤； 因为2 0 公斤不超过2 误差范围，报警标志消失，实际重量累加到批料总重量中并更新 显示( 显示2 2 0 5 公斤) 。 5 ) 用同样的方法配废钢3 0 0 公斤，如果实际重量为2 9 0 公斤，误差为1 0 公斤，误 差率为3 3 ，报警标志显示为“妒，批料总重量则为2 4 9 5 公斤。 6 ) 三种料配完以后，如果三种料的误差都在2 以内，即三种料都没有超差报警标 志，则系统会自动结束配料，发出配料完成信号。如果某种料一次配后误差重量比较大， 超过2 ，计算机显示报警标志不消失，( 如上一条中主要是因为吸料重量不足报警) ，则 还可以再补充配一次，以尽量缩小误差重量。当补充吸一次后，达到目标值的允许误差 重量范围内，报警标志消失，配料自动结束，如果仍然超差，但不多，可以由操作工手 动结束配料，报警标志保存到数据库。 7 ) 配料结束以后，系统发出配料结束信号，此时炉前操作工看到信号后，知道配 已经配完，可以将料从铁料斗放到加料小车中，如果此时电炉中需要加料，则操作工按 下闸门开按钮，将铁料斗闸门打开，将料放到加料小车中；然后按下闸门关按钮，将铁 料斗闸门关上，同时，计算机自动将此次配料数据保存到数据库中，到此，一次配料过 程结束。 l o 硕士论文 称量配料冗余系统的研究与实现 2 2 配料系统的控制要求 根据上述配料系统的生产工艺流程，以及公司方面的要求，总结出以下几点配料系 统的控制要求： 1 ) 料仓选择和仓屏显示：操作工在开始配料前要选择从哪几个料仓进行吸料，选 择开关安装在控制柜的柜门上，操作将需要吸料的料仓对应的开关打开，控制要求与被 选中料仓相对应的仓屏要同时点亮，没有被选中的料仓仓屏不能被点亮，同时要求三种 料对应的料仓分别只能选择一个料仓，如果有一种料的料仓选择了多个，则要进行报警 提示。 2 ) 料仓对准信号检测：在每个料仓的两边各有一个传感器( 接近开关) ，当加料行车 靠近接近开关，接近开关就会产生高电平信号，要求系统能够检测到该信号，并且根据 该信号来自动判断当前行车对准的是哪个料仓及吸的是哪种料。 3 ) 手动配料与自动配料的选择：手动配料是指由操作工自己通过选择开关来手动 选择确定当前吸的是哪种料( l l 女i ：当前要吸生铁，则操作工将选择开关打到生铁的档 位，系统则识别当前吸的为生铁料) ；自动配料是指系统可以直接根据料仓对准信号来 。直接判断当前吸的是哪种料，不需要操作工每次吸料前都要选择一次料种( 比如：操作 工把加料行车开到2 号仓的正下方，因为2 号仓是生铁料仓，系统检测到接近开关自动 判断出当前吸的是生铁料) 。手动配料和自动配料由操作工通过引导使能按钮来选择。 在自动控制的情况下，当行车对准料仓并且该料仓已经被选中，则该料仓上的仓屏闪烁， 表示行车已经对准料仓，行车上的卷扬可以下放，否则卷扬无法下放。如果是在手动控 制的情况下，则不会有上述情况，料仓的对准以及卷扬的下放完全由操作工来判断操作。 4 ) 数据采集处理及存档：称量仪表与p l c 相连，实时的将称量数据送到p l c 进行 处理。称量仪表具有重量累加功能，但没有分类统计功能，要求系统能够根据上述各种 信号能够判断和计算出每种料的当前实际重量、批料的总重量、误差重量、误差率等， 并且在该次配料结束时将批料次数、批料总重量、每种料的实际重量、误差报警标志、 a b 炉的型号、操作工的i d 存储到数据库中去。同时计算出下批料的目标重量。计算 机在统计时要加料统计准备无误。 5 ) 计算机称量补偿控制：操作工每次吸的料都与目标值有一定的误差，要求系统 能够自动计算出误差值，并将误差自动补偿到下次目标值中，同时在本次配料结束后修 改更新目标值，方便操作工操作。计算机误差补偿要求要分项进行，即对三种不同的料 进行分别补偿，要求补偿结果使三种料的目标值逐渐接近标准值，从而使平均误差越来 越小。 6 ) 称量历史数据的管理与查询：要求计算机能够存储一定时间的历史数据，并且 操作工能够实时的查询每班每天每月每年的相关数据，同时可以根据操作工名称、误差 2 ，配料系统的生产工艺及控制要求硕士论文 报警标志、某一种料、某个时间段进行查询。并且查询界面方便操作工操作，易于上 手。同时要求系统能够将查询数据导出到e x c e l 表格中，方便打印。 7 ) 设计双机冗余保证数据安全存储：由于称量系统的历史数据对公司而言非常重 要，因此对于数据存储的安全性要求非常高，必须保证每批料都被记录存储下来，不能 丢失；因此，要求组建双机冗余系统，以保证数据的安全性。 。 ， 8 ) 监控界面：操作员能够通过显示界面对p l c 进行监控，同时实时显示称量重量， 当前目标重量、误差重量、误差率、批料次数、批料总重量等，从而使