濟鋼原料廠自動化控制系統升級改造

肖同森

（1安徽工業大學，安徽馬鞍山243002；2山東省冶金科學研究院，山東濟南250014）

濟鋼原料廠自動化控制系統升級改造

肖同森1，2

（1安徽工業大學，安徽馬鞍山243002；2山東省冶金科學研究院，山東濟南250014）

采用結構化設計，運用模塊搭建方法，改造控制網絡、控制系統，重新進行軟件編程，濟鋼原料廠自動化控制系統實現了升級改造。通過主控室工作站，實現了對各個設備和工藝的監控、操作。

原料廠；自動化控制系統；升級改造；結構化設計；軟件編程

1 前言

大型自動化控制系統的改造，比新建、新設計一個系統更加費工、費力、費時，它既要保留原系統已有的功能特性，還要在其基礎上進行升級改造，去除不合理部分，增添新功能，使原系統具備更新、更先進的功能。濟鋼原料廠自動化控制系統存在硬件設備老化、通訊故障頻發、程序軟件滯后等問題，已不適應生產需要。為此，運用結構化設計，改造控制網絡、控制系統，重新進行軟件編程，對其進行升級改造，為今后系統的生產維護和進一步升級創造了簡便、快捷的有利條件。

2 系統工藝概況及存在的問題

濟鋼原料廠主要為濟鋼第一燒結廠120 m2、40 m2燒結機提供礦石（綜合料和單配料）和燃料（煤粉和焦粉）。其主體工藝系統分為受卸系統、堆取料系統、混勻預配料系統和供料系統。整個系統涉及6個料場，包括帶式輸送機70臺、擺動溜槽15臺、金屬檢測器4臺、雙斗輪堆取料機4臺、單斗輪取料機3臺、堆料機3臺、振動防閉塞裝置30臺、混勻預配料槽12個、圓盤配料機12臺、電子皮帶稱12臺等共100余臺大型機械設備。

自動化控制系統原采用的是MODICON公司20世紀90年代984 PLC設備，網絡結構是總線型主從式拓撲結構。CPU控制主站設置在原料廠主控樓的主控中心，下設5個分站，主站和從站之間通過Modebus Plus（MB+）通訊總線相連接。由于產品的更新換代，984控制設備及其相關模塊已經停產，PLC的老化現象已經十分嚴重。由于CPU主站和各個從站之間距離較遠，主站和從站之間通過中繼器進行鏈接，以減少通訊信號的衰減。實際使用過程中，通訊信號受到外界各種因素的干擾，經常出現通訊不穩、控制信號中斷、設備頻繁停機現象，嚴重影響生產的正常運行。軟件程序方面，由于原有的控制系統是外單位設計編程，程序附帶一定的加密措施，可讀性及可維護性差，設備控制點無法增加，且無法更改。

3 改造方案的實施

針對系統存在的問題，結合實際情況，從硬件和軟件兩方面綜合考慮與設計，將復雜的系統改造進行結構化處理。采用了模塊分解與功能抽象和自頂向下、分而治之的方法［1］，有效地將較復雜的系統設計任務分解成許多易于控制和處理的結構塊，使每個結構塊的功能單純而明確，便于構造一個大系統及系統今后的維護、修改和擴充。

3.1 硬件改造

根據各個系統的地理位置和電氣配電室的布局，采用結構化設計原則。首先對原有的控制設備區域進行了重新合理的劃分，將整個廠區按照配電室所涉及的控制設備劃分為5個區域：火車和汽車受卸區，2#配電室控制的一次堆取料區，4#配電室控制的二次堆料區，混勻配料區和老原料7#配電室區。其次，對原來的網絡拓撲結構進行了更改。原控制系統采用的是總線型主從方式，主站CPU集中控制，外部分站采用RI/O擴展方式，上位機和控制器之間采用MB+網連接，通訊介質為同軸電纜。此種控制方式，由于同軸電纜傳輸距離較短，超過150 m就要增加中繼器防止信號衰減。所有外部分站串接在線路中，當任一分站發生故障時，故障會串聯影響到整根通訊纜上的所有設備，故障的診斷和修復都較困難。發生故障后設備只能采用機旁單動方式啟停，無任何聯鎖保護。

改造后的自動化系統，PLC為施耐德公司的QUANTUMN系列產品140系列可編程序控制器，完全替代原來的MODICON 984系列模塊。采用分布式控制網絡，各分站具有獨立的PLC控制系統，PLC站點之間通過高速工業以太網的方式進行連接，通訊介質為光纖，通訊速率100 M。監控系統包括監控機2臺，工程師工控機1臺。為了提高控制系統的可靠性，上位監控機為雙機熱備冗余。監控軟件采用Citech服務器版，編程軟件采用Concept 2.6控制軟件。正常情況下，各站點相互配合，完成整個工藝系統控制功能。一旦發生通訊中斷，在短時間內無法排除故障的情況下，各站點可以獨立實現本站點的聯鎖控制，完成本站點設備的流程控制。主控室區域控制系統拓撲圖見圖1。

3.2 軟件改造

圖1 主控室區域控制系統拓撲圖

整個系統在硬件上把原料廠供配料劃分為5個獨立的部分，各部分擁有自己獨立的PLC控制器。在主控室監控機上的所有畫面和操作與原來單個PLC控制器時完全相同，因此，操作人員無需進行再培訓就可以直接工作。原料廠現有各種流程45個，每個流程涉及多個設備及多種檢測，許多設備又涉及多個流程。有時在同一個時間段，多個流程同時運轉；有時一個流程還需要進行同種切換或異種切換。為了實現如此多的流程和復雜的控制模式，將整個控制系統劃分為若干個不同層次、不同功能、相互獨立的功能模塊，每個模塊完成單一工作。由于功能模塊相互獨立，因此在設計其中一個功能模塊時，不會受到其他模塊的牽連。同時，因為模塊的獨立性，還可以充分利用現有的模塊繼續作功能擴展，擴充已有的系統，建立新系統。根據這種模塊化設計思想，編制程序時把現場檢測和控制設備、控制區域進行了系統劃分，將原料廠整個控制系統劃分為5個相對獨立的大的子系統：受卸區子系統，一次堆取料區子系統，二次堆料區子系統，混勻配料區子系統和老原料區子系統。每個大的子系統都單獨完成獨自區域的不同流程控制功能；根據工藝的控制要求，在每個流程內部又分不同的子流程，將不同的設備按照子流程的功能要求進行分組，組成不同的功能塊，實現單一的控制功能。這些功能塊其功能結構包含以下3種：1）順序結構。順序結構表示程序中的各操作是按照它們出現的先后順序執行的，其結構流程如圖2 a）所示。整個順序結構只有一個入口點a和一個出口點c，其總體結構流程都是自上而下順序執行的。2）選擇結構。選擇結構表示程序的處理步驟出現了分支，需要根據某一特定的條件選擇其中的一個分支執行。由圖2 b）中可見，在結構的入口點a處是一個判斷框，表示程序流程出現了2個可供選擇的分支，如果條件滿足選擇為分支a到b，則執行s1程序處理；若條件滿足選擇為分支a到c，則執行s2程序處理。在這2個分支中只能選擇一條執行。3）循環結構。循環結構表示程序反復執行某個或某些操作，直到某條件為假（或為真）時才可終止循環。由圖2 c）中可見，從結構入口處a直接執行循環體s1程序，在循環終端處判斷條件，如果條件不滿足，返回入口處繼續執行s1程序，直到條件為真時再退出循環到達流程出口b處。

圖2 3種功能結構

完成各個層次模塊的結構功能后，按照工藝要求將每個子系統內的結構功能塊進行有機的組合搭建，形成系統內部不同的獨立控制流程。最后將5個大的子系統中的不同流程再按照濟鋼原料廠完整的大流程要求進行聯鎖，構成45條不同工藝流程組合的完整流程控制，實現整個自動化系統的監控、操作。

4 結語

該改造方案于2007年5月底實施和調試完成。2008年初，又增加了新設備和新的流程分支。這2次改造均采用了結構化設計方案，運用了模塊搭建方法，在短時間內實現了系統的基礎自動化和過程自動化改造。操作人員通過主控室的HMI工作站，就能對全場所有設備進行在線監控，完成了各個工藝設備和工藝流程的各種控制、故障顯示及處理。每個子系統PLC通過工業以太網，實現了實時數據交換。整個系統自投入運行以來，運行情況穩定良好，同時為軟硬件的維護和擴展創造了條件。

［1］宋靖宇.漫話程序設計語言的進化［N/OL］.計算機世界報，2005-05-10［2009-02-18］.http：//www.pconline.com.cn/pcedu/ empolder/gj/c/0504/608291.html.

Upgrading and Reforming of Automatic Control System in Jinan Steel Raw Material Plant

XIAO Tong-sen1，2
（1 Anhui University of Technology,Anhui 243002,China;2 Shandong Metallurgical Research Institute,Jinan 250101,China）

Adopting structure design,using the method of integrating modules,reconstructing the control network and the control system and reprogramming,Jinan Steel raw material plant realized the upgrading and reforming of the automatic control system. By the main control station,it achieved the monitor and operation for every equipment and process.

raw material factory;automatic control system;upgrading and reforming;structure design;program

TP273

A

1004-4620（2010）01-0061-02

2009-05-04

肖同森，男，1970年生，1993年畢業于華東冶金學院自動化儀表專業。現為山東省冶金科學研究院工程師，安徽工業大學2007級電氣工程專業工程碩士研究生，從事工程自動化開發和研究工作。