以太網在布袋除塵系統(tǒng)中的研究與應用
摘要：通過對某煉鋼廠現(xiàn)有轉爐布袋除塵系統(tǒng)中的監(jiān)控部分的調查與研究，發(fā)現(xiàn)其采用工業(yè)現(xiàn)場總線進行通訊，協(xié)議較多且不統(tǒng)一，如opc協(xié)議、modbus協(xié)議、modbusmodbusplus協(xié)議等。整個系統(tǒng)分7個部分，分散且距離較遠，不便于對系統(tǒng)進行有效分析和控制，所以除塵效率比較低下。針對此問題，采用施奈德Quantum系列Plc，Mp7工業(yè)監(jiān)控軟件，將工業(yè)以太網作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)的通訊通道，采用TCP-IP協(xié)議作為統(tǒng)一的通訊協(xié)議，進行集中監(jiān)控，利用觸發(fā)方式對于事件進行激活，從而減少系統(tǒng)資源利用，有效減少網絡誘導延遲。通過系統(tǒng)的設計，提高了除塵效率，減少煙塵排放濃度，改善大氣環(huán)境質量。
關鍵詞：布袋除塵；網絡監(jiān)控；工業(yè)以太網；冗余；延遲
0 引言
　　鋼鐵冶煉過程中產生的大量粉塵對操作人員的健康及環(huán)境造成極大的危害，而布袋除塵在除塵治理方面效果良好而被廣泛采用。濟南某鋼鐵廠雖然采用布袋除塵系統(tǒng)，但由于缺乏完善的除塵器監(jiān)控系統(tǒng)，使得整個除塵器監(jiān)控工作分布比較分散、仍處于人工狀態(tài)，導致除塵器除塵效率低下、系統(tǒng)故障維護實時性差、工作任務繁重、信息不全。故人員配備較多造成浪費。為此，建立一個高性能的除塵器監(jiān)控系統(tǒng)非常必要。傳統(tǒng)采用vB或Vc++等高級語言編制監(jiān)控系統(tǒng)，雖然有從底層開發(fā)，靈活性大的優(yōu)點，但是有開發(fā)周期較長，系統(tǒng)可移植性差和擴充性差的缺點。針對此缺點，本系統(tǒng)采用施耐德（Schneider）公司研制的MonitorProV7．2工業(yè)控制組態(tài)軟件。
1 系統(tǒng)總體網絡拓撲結構
　　2群、3群轉爐除塵網絡監(jiān)控系統(tǒng)由7套子系統(tǒng)組成，其中包括：輔原料除塵系統(tǒng)；混鐵爐除塵系統(tǒng)；1群轉爐二次除塵系統(tǒng)：一期LF除塵系統(tǒng)；鐵水預處理除塵系統(tǒng)；2、3轉爐二次除塵系統(tǒng)；二期LF二次除塵系統(tǒng)，如圖1所示。

　　7套子系統(tǒng)分屬7地，均有除塵電機和除塵本體、除塵清灰控制系統(tǒng)、除塵卸灰系統(tǒng)，除塵輸灰系統(tǒng)構成。上位機與現(xiàn)場采用電儀一體化（電氣、儀表共用）的施耐德PLC控制系統(tǒng)進行順序控制、連續(xù)控制構成I級基礎自動化系統(tǒng)。II級過程計算機由2套服務器互備系統(tǒng)組成，主要功能包括工藝技術計算、生產指導、過程監(jiān)視、數(shù)據(jù)通信和生產報表等。現(xiàn)場就近設置一個HMI組態(tài)人機界面分站。分站系統(tǒng)采用10M／100M工業(yè)以太網與上位機通訊。現(xiàn)場分站分間距離比較遠，需另建立一個中央監(jiān)控室。將7套子系統(tǒng)集中到一個監(jiān)控室中來，數(shù)據(jù)采集到固定的服務器中，放置于SQL-server實時數(shù)據(jù)庫中，利用VisualBasic基本工具，自動進行報表的生成與打印功能，從而自動，實時地記錄現(xiàn)場運行、故障、曲線及人員值班情況。
　　電平的上升沿進行觸發(fā)，它的輸出僅僅決定邊沿時刻的輸入，所以抗干擾能力強，不會造成空翻。本系統(tǒng)中，由于設備比較復雜，要求不同，所以要針對各個不同的操作情況而選定不同的觸發(fā)方式。如一些數(shù)字量的翻轉操作中，則用電平觸發(fā)的方式就可完成所需操作；而對于設各的啟停這種比較重要的操作，則要用脈沖觸發(fā)，以確保其安全性和穩(wěn)定性。
2 系統(tǒng)功能介紹
2．1設備起停操作
設備起停操作有現(xiàn)場、本地、集中操作3種方式。本地和集中全部采用鼠標或鍵盤方式進行。設備起停由計算機集中操作實現(xiàn)，起動前首先需要查詢本地操作柜是否已經給予操作權限，在權限給予的情況下方可進行操作，以防引起誤操作。設備單動或調試狀態(tài)下，可以對某一臺設備進行操作進行自動＼手動操作選擇、設備起停控制操作、清灰，輸灰方式選擇等。
2．2顯示與報警提示
　　顯示部分需要顯示除塵風機的軸壓、工作油壓、振動烈度、定子溫度等參數(shù)；除塵本體倉室中噴吹電磁閥、料位狀態(tài)、振打等狀態(tài)，除塵倉室壓差。設備的運行狀態(tài)用不同的顏色來區(qū)分，過程的測控參數(shù)同時顯示于相應位置。設計多幅畫面來表示不同的生產工序，鼠標切換顯示流程中的總貌與細節(jié)。故障時，聲光報警，報警欄閃爍報警故障，并將故障位置、時間、記錄到后臺數(shù)據(jù)庫中以供事后追憶與分析。故障確認后，聲音和頻閃畫面可手動解除，但畫面繼續(xù)保持。
2．3參數(shù)歷史記錄
　　瞬時記錄和歷史記錄曲線和報表，對重要的工藝參數(shù)進行數(shù)據(jù)保存，以便生產調試和事故分析，查詢。
2．4系統(tǒng)安全管理
　　為防止非法用戶使用操作計算機和工作人員退出系統(tǒng)等違紀操作，保證整個監(jiān)控系統(tǒng)的安全，對不同用戶設計相應的級別和口令。本系統(tǒng)采用的用戶管理功能：普通用戶、高級用戶、超級用戶3種級別，對應的用戶操作權限不同。用戶只能在超級用戶賦予的操作權限范圍內操作，從而加強了系統(tǒng)的安全性和可靠性。
2．5報表打印功能
　　為了察看生產狀態(tài)，減輕操作人員工作量，設計自動報表系統(tǒng)。利用VisualBasic語言，從Sql數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)server據(jù)，自動生成報表并打印，打印方式分以下幾種：①定時打印：可定時打印T／R運行表、定時時間可以設定；②用戶打印：用戶可自定義打印當前或者歷史報表；③報警打印：當T／R發(fā)生故障時，自動記錄訊發(fā)生故障的時間、故障類型及故障發(fā)生時的運行參數(shù)。
3 系統(tǒng)軟件設計
　　本系統(tǒng)主要是基于施耐德公司的MonitorProV7-2工控組態(tài)軟件構建，通過該軟件的服務器SERVER端和下位PLC利用工業(yè)以太網，采用TCP／IP協(xié)議進行通訊，通過客戶端CLIENT使用戶進行方便的人機界面操作。
3．1MonitorProV7．2介紹
　　MonitorProV7．2是施耐德公司開發(fā)的一種工業(yè)組態(tài)軟件，旨在優(yōu)化生產管理過程。在各種領域——自動化行業(yè)、農業(yè)綜合部門、水處理等，該軟件都可以提供信息管理和處理方面的最佳技術。由于其模塊化的設計方法，可根據(jù)應用程序的要求來進行定制。其界面友好、結構靈活，可以方便地根據(jù)用戶要求來量身定制。用戶可以快速地創(chuàng)建自己的用戶界面，增加遠程維護功能，執(zhí)行更多的操作。
3．2工業(yè)以太網簡介
　　以太網是由美國Xerox公司于1975年推出的一種局域網。目前，由于因特網和工業(yè)以太網采用統(tǒng)一通訊協(xié)議——TCP／IP，以太網具有實時性、穩(wěn)定性與通用性比較強的優(yōu)勢，因此也不僅用于人機接口層、企業(yè)信息系統(tǒng)層外，也逐漸用于I／O層和人機接口層，享有“e網到底”的美譽。盡管具有所有網絡的固有弊端，如通信的實時性、確定性的問題，魯棒性和抗干擾能力的問題，但是綜合其利弊還是廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場中。
3.3系統(tǒng)監(jiān)控的顯示設計
　　雖然監(jiān)控中的顯示部分相對簡單，但為了達到畫面簡潔明了，標簽使用少，方便管理和維護的目的，采用了把相近或相同的設備用數(shù)組來定義，對這一類設備用一個標簽名并可代替，并且對系統(tǒng)中數(shù)量最多的數(shù)字量的定義，沒有采用逐一定義的方法，而是利用模擬量的二進制的每個位來定義多個數(shù)字量的0，1變化，從而大大減少了煩瑣的標簽定義過程。
3．4冗余服務器的設計與實現(xiàn)
　　現(xiàn)場要求系統(tǒng)無故障連續(xù)運行，這就需要一個主服務器，一個從服務器（后備服務器）進行冗余服務器運行。這需要兩個完全相同的服務器工作，主從服務器進行配置并支持主／從服務器的仲裁，實時數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫記錄、系統(tǒng)報警同步。現(xiàn)場Client同時連接到兩個服務器中，當任何一個服務器故障時，在10ms時間切換到另一個服務器中，這樣不影響現(xiàn)場系統(tǒng)的實時運行，從而達到無故障安全運行的目的。
3．5網絡中的誘導延遲解決
　　由于系統(tǒng)中的點數(shù)較多，距離較遠，而且由于網絡固有的特性有數(shù)據(jù)延遲的問題，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定性的增加，現(xiàn)在比較常用的是沖突碎片屏蔽的方法和時延補償?shù)姆椒ǎ紤]到網絡誘導延遲的原因是數(shù)據(jù)包排隊等待延遲、信息產生延遲、傳輸延遲。采用觸發(fā)的方式要求數(shù)據(jù)傳輸以減少數(shù)據(jù)等待時間，從而減少延遲。
　　一般傳輸分兩種觸發(fā)方式：電平觸發(fā)和脈沖觸發(fā)。不同的觸發(fā)方式，有著不同的優(yōu)缺點：①電平觸發(fā)：電平觸發(fā)是在當信號變成高電平或低電平的時候觸發(fā)，所以它的抗干擾能力不強。而且它有結構簡單，觸發(fā)速度快的特點。但它的缺點是容易造成空翻。②脈沖觸發(fā)：脈沖觸發(fā)是在信號變成高電平的上升沿進行觸發(fā)， 它的輸出僅僅決定邊沿時刻的輸入 ，所以抗干擾能力強，不會造成空翻。 
3．6報警點設計中的一種算法
　　在系統(tǒng)故障發(fā)生點和報警的設計中，由于涉及到一些閥門的聯(lián)動，所以設計了專門的算法，以達到正常和正確報警的目的。現(xiàn)以除塵器脈沖閥和提升閥的聯(lián)動，聯(lián)鎖關系為例，進行說明：清灰時，先關閉該清灰倉的提升閥，即該倉的提升閥通電工作。然后逐一的接通該倉的12個噴吹脈沖閥，壓縮空氣經脈沖閥和噴吹管向濾袋內噴射，使附在濾袋外的過濾粉塵脫落，清灰倉的12個脈沖閥噴吹完畢后，打開該倉提升閥，恢復過濾狀態(tài)。由于閥門的開／關是典型的數(shù)字量0／1切換，而且閥門較多，根據(jù)用一個模擬量的二進制的每個位來定義多個數(shù)字量的方法，一個倉中1個提升閥對應12個脈沖閥和12個噴嘴，定義為一個模擬量me，其二進制數(shù)的第1位到第12位分別代表著12個脈沖閥的狀態(tài)。
　　報警規(guī)則為：當除塵倉提升閥和脈沖閥都正常工作時（即都顯示綠色時），則除塵倉中的對應噴嘴才能工作正常（顯示為綠色，為1）。只要有任意一個出現(xiàn)故障（除塵倉提升閥或任一脈沖閥），則除塵倉中的對應噴嘴不能正常工作（顯示為紅色，為0）。為實現(xiàn)此規(guī)則，采用二進制的位操作，mc代表12個脈沖閥的開／關狀態(tài)，所以，對每個脈沖閥的狀態(tài)位進行與操作，再和提升閥狀態(tài)進行與操作，當提升閥狀態(tài)ts和脈沖閥狀態(tài)me都為I時，噴嘴pz的狀態(tài)就輸出1；提升閥狀態(tài)ts和脈沖閥狀態(tài)mc有一個不為1，則噴嘴pz的狀態(tài)就輸出就為0。這樣，這種算法即實現(xiàn)了上面所述的報警規(guī)則，又實現(xiàn)了脈沖閥和提升閥的聯(lián)鎖，聯(lián)動關系。提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性，保證了整個系統(tǒng)的正常運行。
4 系統(tǒng)的特點
　　（1）系統(tǒng)人機界面選用MP7軟件進行設計開發(fā)，界面友好，畫面形象直觀，操作方便靈活。
　　（2）利用聲光報警，能及時通知相關人員，以減少或避免事故的發(fā)生和擴大，并形成記錄以供查閱。
　　（3）生產運行中的主要工藝參數(shù)在硬盤中均有記錄，并生成生產報表，以便分析歸檔。
　　（4）系統(tǒng)可擴展性好，增建的工藝也可納入本系統(tǒng)中，再選配相應軟硬件資源可實現(xiàn)總調度室微機聯(lián)網。
5 結束語
　　綜上所述，我們通過對布袋除塵器和施耐德組態(tài)軟件MP7的敘述，對整個系統(tǒng)的軟硬件的配置和設計有了進一步了解，采用MP7工控組態(tài)軟件，采用工業(yè)以太網，利用TCP／IP協(xié)議，實現(xiàn)了PLC與上位監(jiān)控系統(tǒng)之間的實時數(shù)據(jù)傳遞，保證了管理人員和生產人員需求的實時數(shù)據(jù)，而且減少了原有數(shù)據(jù)傳遞失真現(xiàn)象，保障了機組經濟運行，提高了生產率，減少人員浪費，從而提高了工廠效益。
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