摘 要：本文介绍了一种基于现场总线的小型水泥生产配料控制系统的实现方法。该系统采用总线技术和智能模块,不仅实现配料自动控制,而且增加了磨机负荷和故障诊断功能。实践表明,该系统低成本,可靠性高,易于维护,操作方便,是一种较为实用的微机配料系统。
关键词：水泥;配料;现场总线;控制系统
Abstract:This paper introduces the realization method of the minitype cement material blending control system based on fieldbus. This system uses the fieldbus and intelligent model, not only realizes the automatic control of cement material blending, but also has the functions of milling machine load and fault diagnosis. Practice shows that this system has a lower cost, higher reliability, easiest maintenance and convenient operation. It is a practical cement material blending control system.
Key words:cement,material blending,fieldbus,control system
1 引言
目前我国中小型水泥厂在水泥生产中所占的比例越来越大，为达到节能降耗、提高质量的目的，采用现场总线技术和智能模块，设计一种低成本，可靠性高，易于维护，操作方便的新型微机配料系统，符合我国为数众多的中小水泥企业的要求。为此，我们开发了基于现场总线的小型水泥生产配料控制系统，并应用于实际生产。本系统不仅提高了生产的可靠性，提高了质量，同时为水泥企业带来了明显的经济效益。
2 系统组成
整个控制系统由两大部分组成——计算机和控制柜，通过工业以太网将计算机连接起来，系统组成结构如图1所示。配料控制计算机通过RS485通讯接口和电气控制柜内的远端数据采集模块进行通讯。RS485是一种简单的工业现场总线标准，具有良好的抗干扰性和可扩展性，在微机的标准RS232串口上插接光电隔离的RS232/RS485转换模块，就构成了微机的RS485接口，采用这种通讯结构后，微机和它所控制的设备只有简单的总线连接，避免了将过多的连线引入微机造成的干扰，配料控制计算机可采用工业控制计算机或通用型微机。
在总线式工控机中，STD总线已较少实用，PC总线工控机价格便宜，软件、硬件开发环境好、用户界面好等优点而得到广泛的应用，影响极大，使PC总线成为事实上的标准总线。工业控制计算机使用工业级电源，采用密封机箱、正压送风技术，用橡胶垫作防震缓冲，采用模块化结构，同时配置了能适应工业控制要求的实时多任务操作系统，对工控领域的吸引力是很大。因此本系统采用工业控制计算机作为过程控制计算机。
图1 基于总线的微机配料控制系统的组成结构
选择模块作为检测与控制信号方式时，模拟信号检测采用IOM4017L模块，电磁振动给料机和开门电机等由IOM4050控制。
IOM4017L是便携的、模拟量检测到计算机的接口单元，用于模拟量的检测。IOM4050是开关量到计算机的接口单元，用于开关量的输出如电动机起停、开关门等。它们都具有抗干扰能力强，可靠性高，传输距离远等特点。内置微处理器，只需二根导线通过RS485网络与控制主机相互通讯，基于ASCⅡ码的命令/底层协议，可以用高级语言编写应用程序，且可以使用组态软件如INTONCH、FIX等组态成为各种监控网络。模块的地址存储在模块的EEPROM中，可由控制计算机进行修改，内置看门狗功能，保证可靠运行。
使用多个模块可以方便的构成RS485网络，每个网络最多可串接255个模块，最大传输距离为1200米，该网络通过RS232/RS485转换即连到主计算机。
3 系统功能
所设计的系统要求成本低廉，可靠性高，易于使用和维护，容易为现场运行人员接受，便于推广应用。为此，该系统具备如下功能：
1）数据显示、编辑和统计功能：可显示、编辑台时、配比、调整系统和皮重;对班产量、日产量、月产量和年产量自动进行累计。
2）工况图动态显示：如电振机的振动，电机的开关门，出料，动作过程真实生动，且有文字提示。
3）检测与故障诊断功能：如料位检测、轴温检测与磨机故障诊断;自动识别缺料、卡秤，启动报警并全线自动停机，屏幕指示故障内容。
4）磨机负荷、钙铁仪在线专家控制功能。
5）计算机辅助标秤功能和方便的手动控制功能，操作方便准确可靠。
4 系统软件设计
微机配料系统广泛应用于水泥厂的生熟料配料，早期开发的配料系统的微机采用DOS操作系统，由C语言开发。随着Windows 操作系统的广泛应用，我们用Visual C++对原系统进行了重新设计。微机配料系统采用单文档界面，使用静态链接库，形成一个可执行文件。
监控的“实时”要求由定时器方法实现，定时时间为0.5秒。每个周期完成数据通讯、输入输出检测、控制算法、输出刷新、报警输出、画面显示操作。数据通讯的实现采用多线程。命令及数据的输入由Windows操作系统提供的命令及数据输入方法实现。菜单功能实现命令输入，如运行、暂停、打印等，对话框用来进行数据的输入。使用位图进行工况图的显示，通过周期调用不同画面产生动画效果，图2为工况图的动画效果图。
磨机负荷的控制采用模糊与专家系统相结合的控制方法，由专家系统确定模糊参数，模糊算法确定下料量的大小。使用的模糊控制主要函数有：模糊化void fuzzylize （）;模糊规则推理 void fuzzyRule（）;反模糊化void refuzzylize （）;模糊化修正void modifyFuzzy（）等。使用的专家控制主要函数有：推理函数int what（struct TREE ＊root,char ＊relate,char ＊name1,char ＊name2）; 规则匹配int matchRule（struct TREE ＊root,char ＊relate,char ＊name1,char ＊name2）;事实查找struct FACT ＊factFind（char ＊relate,char ＊name1,char ＊name2）;
图2 工况图动画效果图
5 用OPC接口实现网络数据交换
OPC（OLE for Process Control）是一个工业标准，采用Client/Server模式，OPC软件的开发包括OPC Server软件和OPC Client软件的开发。
VB中的OPC自动化接口为OPC Client软件的编制提供了方便快捷的编程方式，本系统的智能控制VB软件按Client模式编写OPC接口软件。OPC Client软件必须能实现与OPC Server的连接、断开，必须理解OPC服务器各对象间的相互关系。OPC 服务器包括三类对象：服务器（Server）、组（Group）和数据项（Item）。
图3 OPC Server开发工具包使用流程图
5.1 OPC 服务器与 OPC 客户的通信机制
OPC 客户要连接到 OPC服务器上，并建立OPC组和OPC数据项。为了访问过程数据，OPC客户需要事先指定计算机名、OPC数据访问服务器名和该服务器提供的的OPC项的定义。
客户通过对其建立的OPC组与OPC项进行访问实现对过程数据的访问，客户选择设备Device作为其访问的数据源。客户的过程数据访问包括过程数据的读取、写入等，过程数据的读/写采用同步读/写。
5.2 OPC服务器应用程序的编制
服务器程序的编写需调用工具包接口,其流程图如图3所示。
5.3 OPC客户应用程序的编制
客户端和服务器的交互主要分为：创建并连接服务器对象;添加组、项;进行数据的读写操作。客户端OPC接口及控制程序流程如图4所示。
图4 客户端程序流程图
6 故障诊断规则
为了及时发现生产中出现的问题，本系统根据生产经验，增加了故障诊断功能，主要依据原则如下：电振机溢料：当计算机控制电磁振动给料机的信号为0时（停止电振动机振动）电振机继续下料，即为电振机溢料，主要表现为控制为0，压力检测信号不断增加，故障原因：①可控硅击穿②电振机故障③输出板故障。
电振机卡料：当计算机控制电磁振动给料信号有输出（不为0）时，电磁振动给料机不振。主要表现为：当电振机控制有信号时，重量检测不变。故障原因为：①可控硅坏;②电振机故障;③输出板故障;④重量检测电路故障。
料斗溢料：电机关门未能关闭。主要表现为重量为皮重量。故障原因：①电机关门装置坏;②继电器坏;③检测板坏。
料斗卡料：电机不能开门。主要表现为重量不能减少。故障原因：①电机开门装置坏;②继电器坏;③检测板坏
超时：指在规定的时间周期内不能完成全部配料程序使周期加长。原因：电振机振幅太小，台时太大，而使给料时间太长。
故障停：①量程达到满刻度，如A/D输入0-5V，当输入大于等于5V时，A/D转换值不能反映实际重量。②量程超过一定限度，如小斗最多称100公斤，当达到此值时，③长时间不能完成本周期，若每周期20秒，当60秒未完成，则停机。
7 结束语
本控制系统已在多家小水泥厂应用，实践表明，该系统实现了控制功能要求，稳定性良好，控制可靠、监控操作灵活便捷、功能完善。另外，由于系统增加了许多功能，如显示历史数据、故障报警、打印等，使操作人员能很快发现生产当中发生的故障，缩短了处理故障时间，提高了工艺管理水平，劳动强度明显减少，为企业带来了显著的效益。
本文作者创新点为：提出了一种基于总线的低成本水泥微机配料系统，该系统结构简单，实用性强，同时具有故障诊断功能。
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