串口通信在電熱前床控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

丁小麗 張壽明

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650000)

0 引言

電熱前床是鉛鋅冶煉生產(chǎn)中的大型關(guān)鍵設(shè)備，它依靠三相交流電弧起爐，通過調(diào)節(jié)石墨電極插入熔渣池的深度來改變電極電流的大小，從而實現(xiàn)對熔渣池加熱保溫的目的［1］。

某冶煉廠的原系統(tǒng)采用了歐姆龍的PLC和InTouch7.0組態(tài)軟件，同時利用封裝的VB程序來實現(xiàn)上下位機之間的DDE串口通信。本文介紹了基于串口的電熱前床控制系統(tǒng)的通信升級。20世紀90年代后期，該冶煉廠實現(xiàn)了基于PLC的電熱前床的自動控制。

本文根據(jù)前床工藝和生產(chǎn)的要求，對串口通信和I/O Server驅(qū)動程序在前床控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了研究。為減小對生產(chǎn)的影響，在原電熱前床控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，更換了新一代的歐姆龍CQMIH型PLC，并結(jié)合I/O Server和InTouch軟件的組合優(yōu)勢，對控制系統(tǒng)的通信進行了經(jīng)濟、簡單、快捷的技術(shù)改造。電熱前床控制系統(tǒng)的升級增強了系統(tǒng)的可靠性。

1 電熱前床工藝控制流程

本冶煉廠采用火法煉鋅。礦石先經(jīng)鼓風(fēng)爐化料后形成鼓風(fēng)爐熔渣，注入電熱前床熔池內(nèi)進行加熱或保溫;然后將液態(tài)的熔渣提供給煙化爐進行進一步的吹煉，讓鋅得到充分的揮發(fā)和富集，以達到冶煉鋅的目的。

電熱前床的工藝就是依靠強大的電流通過熔渣時產(chǎn)生的焦耳熱維持熔池內(nèi)溫度，以確保溶液的液態(tài)性和流動性。因此，三相電極的電流大小是控制前床溫度的關(guān)鍵。

當電壓一定時，電流隨電極插入熔渣的深度的增加而增大，一般通過升降三相電極插入熔渣的深度來調(diào)節(jié)電流，以達到調(diào)整爐溫的目的。只有當電極插入深度還不能滿足所需溫度時，才改變電壓。當鼓風(fēng)爐熔渣不斷進入前床時，熔渣溫度比前床熔池內(nèi)的溫度高，無需給前床池加溫，電極插入熔渣的深度要淺，電極電流減小;當前床溶池內(nèi)溫度下降時，為保持熔渣的液態(tài)性和良好的流動性，必須增加前床熔池內(nèi)溫度，電極插入熔渣的深度要深，電極電流增大。因此，溫度控制變成了位置控制［2－3］。

電熱前床工藝流程如圖1所示。

圖1 電熱前床工藝流程圖Fig.1 The technological process of the electric heating fore-hearth

2 通信的硬件系統(tǒng)

2.1 串行數(shù)據(jù)通信

電熱前床控制系統(tǒng)是一個獨立的控制系統(tǒng)，它由兩個PLC站和中心控制站組成簡單的DCS集散控制。為節(jié)約成本，采用串口通信方式將工控機的COM端口與歐姆龍的PLC的RS-232端口連接。RS-232采用點對點的通信方式，通信距離最遠只有15 m，最高速率為20 kbit/s，不能用于遠距離的網(wǎng)絡(luò)通信;RS-422采用主從點對多雙向通信，從設(shè)備之間不能通信;RS-485是從RS-422升級而來的，其不同之處在于它可以實現(xiàn)多點、雙向通信。RS-422和RS-485的通信距離可達120 m，最高速率為10 Mbit/s，如果其采用較低速率通信，最遠通信距離可達 1 200 m［4］。

2.2 通信硬件鏈接

系統(tǒng)硬件由兩臺歐姆龍CQM1H控制器(RS-232口)、一臺研華工控機、三個ICP 7520A系列的RS-232轉(zhuǎn)RS-485/422轉(zhuǎn)換模塊、四組三線的數(shù)據(jù)線和RS-232串口相配的九針串口公、母端口(兩組備用)組成［5］。ICP 7520A轉(zhuǎn)換器是泓格科技生產(chǎn)的RS-232轉(zhuǎn)RS-422/485通信總線轉(zhuǎn)換模塊。該模塊支持RS-422和RS-485兩種轉(zhuǎn)換。由于本系統(tǒng)中兩個PLC控制站是相互獨立的，不需要互訪數(shù)據(jù)。因此，電熱前床通信系統(tǒng)的現(xiàn)場采用RS-422接線方式，用來實現(xiàn)兩個距離為500 m左右的PLC控制站與中心控制室的通信網(wǎng)絡(luò)。九針串口通信接線圖如圖2所示。

圖2 九針串口通信接線圖Fig.2 Wirings of the 9-pin serial communication

圖2中，電熱前床進行現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)連線時，首先需要自制帶有九針串口的公、母端口的數(shù)據(jù)通信線;然后將兩個九針串口的5號GND相連接、2號RXD與3號TXD交叉連接［6］。通信網(wǎng)絡(luò)圖如圖3所示。

圖3 通信網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 The communication network

圖3中，首先將數(shù)據(jù)線公端與CQMIH型PLC的RS-232口相連，數(shù)據(jù)線母端與PLC控制站轉(zhuǎn)換模塊的RS-232端口相連;再從PLC控制站轉(zhuǎn)換模塊的RS-422端口引出雙絞線，連接到中心控制室轉(zhuǎn)換模塊的RS-422端口;最后從中心控制室轉(zhuǎn)換模塊的RS-232端口輸出到工控機的串口，從而完成通信網(wǎng)絡(luò)的硬件連接。

3 軟件系統(tǒng)改造方案

3.1 InTouch 組態(tài)方案

本系統(tǒng)的電熱前床上位機采用的是Wonderware公司的InTouch組態(tài)軟件，它是整個電熱前床控制系統(tǒng)的中樞，用來實現(xiàn)前床生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)的可視化、監(jiān)控、操作和管理等功能。該上位機需要操作員24 h進行監(jiān)視和操作，所以設(shè)計的界面要求具有良好的人機界面［7］。

監(jiān)控系統(tǒng)的界面結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)界面結(jié)構(gòu)Fig.4 Interface structure drawing of monitoring system

系統(tǒng)利用InTouch軟件開放的組態(tài)環(huán)境WindowMaker，靈活地實現(xiàn)了工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)組態(tài)和工藝結(jié)構(gòu)的畫面組態(tài)設(shè)計，并定義了電熱前床的三相電流、電壓、溫度、張力等系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和遠程控制任務(wù);在運行環(huán)境WindowViewer下，主畫面可以完整地監(jiān)控電熱前床車間的工藝流程，各子畫面與現(xiàn)場的自控設(shè)備、電氣設(shè)備等進行連接，執(zhí)行各類組態(tài)任務(wù)和監(jiān)控電極的電流值、電壓值、張力值和溫度值等;同時進行歷史數(shù)據(jù)報警、運行記錄，并將數(shù)據(jù)實時地傳輸給本站其他任務(wù)。

3.2 軟件配置方案

InTouch支持動態(tài)數(shù)據(jù)交換(dynamic data exchange，DDE)，能夠用作DDE和SuiteLink通信協(xié)議客戶和服務(wù)器。DDE和SuiteLink使InTouch能與其他Windows程序、I/O Server以及第三方 I/O Server程序進行通信。InTouch組態(tài)軟件與現(xiàn)場PLC通信時，需要設(shè)定系統(tǒng)配置、I/O點組態(tài)及接口設(shè)備驅(qū)動程序等。該系統(tǒng)采用Wonderware公司的通信驅(qū)動程序I/O Server，實現(xiàn) InTouch與 PLC之間的通信。I/O Server支持FastDDE、NetDDE、Suitelink和OPC協(xié)議。考慮到系統(tǒng)兼容性的問題，該系統(tǒng)選用的是Wonderware公司的DDE協(xié)議。安裝有I/O Server程序的上位機可以獨立工作，并作為服務(wù)器與多臺PLC通信，其運行速度快、占用空間小［8－9］。

電熱前床下位機的CQMH1型PLC選擇了I/O Server中的OMRON Host Link軟件，用來方便快捷地實現(xiàn)InTouch與外界自動化設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。OMRON Host Link必須進行相應(yīng)的設(shè)置，才能與PLC進行通信。設(shè)置過程中，先設(shè)置OMRONHL的COM口，該系統(tǒng)COM口的參數(shù)設(shè)置為波特率9 600 bit/s、7位數(shù)據(jù)位、1位停止位、偶校驗;然后定義OMRONHL的主題，根據(jù)現(xiàn)場的兩組PLC控制系統(tǒng)，需要定義HLPLC0和HLPLC1兩組主題名，它們分別對應(yīng)于前床系統(tǒng)的1#PLC和2#PLC，物理地址設(shè)為0和1;最后，串口選擇COM1口，設(shè)備類型選擇歐姆龍C-Series PLC，模塊選擇C200H，更新間隔時間為1 000 ms，其他的為默認設(shè)置。

InTouch要與I/O Server進行通信和獲取PLC中的數(shù)據(jù)，必須先在 InTouch中新建兩個訪問名為HLPLC0和HLPLC1來識別I/O Server程序中與主題名一致的數(shù)據(jù)元素。其次，建立InTouch中的I/O標記名與訪問名之間的聯(lián)系。訪問名包括了應(yīng)用程序名、主題名和節(jié)點名。本系統(tǒng)在進行訪問名設(shè)置時，將指定數(shù)據(jù)值的應(yīng)用程序名取為OMRONHL、訪問名與I/O Server主題名保持一致、節(jié)點名為空。系統(tǒng)通過設(shè)置以上三項來打開通往服務(wù)器程序的通道［10］。

3.3 上下位變量整定

上下位變量地址對應(yīng)關(guān)系是整個數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵。電熱前床上下位機控制變量有96個，包括了I/O離散、I/O整型、I/O實型等數(shù)據(jù)類型。根據(jù)CQM1H操作說明書的變量地址的規(guī)范和地址范圍，將上下位的地址一一對應(yīng)。特別需要指出的是，前床PLC控制系統(tǒng)使用4～20 mA模擬量輸入模塊AD041，接收現(xiàn)場傳感器、變送器輸入的三相電流、電壓、張力、溫度的標準模擬量(4～20 mA)，模擬量進入PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊后轉(zhuǎn)換成數(shù)字量十六進制的00FA0h(十進制的0～4 000)，并與物理量數(shù)值呈線性關(guān)系。同時，在InTouch軟件上進行I/O組態(tài)時，電流、電壓、張力等物理量必須進行標度變換，才能正確表征現(xiàn)場儀表的讀數(shù)。電熱前床物理變量整定如表1所示。

表1 物理變量整定表Tab.1 The tuning table for physical variables

4 結(jié)束語

由于原系統(tǒng)控制方案較單一，而現(xiàn)場工作環(huán)境較惡劣，為提高工作效率，降低環(huán)境污染，本文所設(shè)計的系統(tǒng)通信升級改造力求簡單、經(jīng)濟，以減少對生產(chǎn)的影響;同時，利用串口通信的便捷、通信速度快、可靠性高等特點，簡化了電熱前床的監(jiān)控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，達到了電熱前床控制系統(tǒng)今后的擴充和升級的目的。試運行表明，該系統(tǒng)提高了現(xiàn)場技術(shù)人員的維護效率，給公司帶來了一定的經(jīng)濟效益;上下位機間數(shù)據(jù)通信效果良好。

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