電子看板中數制轉換算法研究

梁 寅 李 宏 張東寧 王前斌 邵源漢

(1.昆明電器科學研究所，昆明 650221；2.昆鋼集團公司玉溪新興鋼鐵有限公司，云南 玉溪 650093；3.沈機集團昆明機床股份有限公司，昆明 650203)

電子看板中數制轉換算法研究

梁 寅1李 宏1張東寧1王前斌2邵源漢3

(1.昆明電器科學研究所，昆明 650221；2.昆鋼集團公司玉溪新興鋼鐵有限公司，云南 玉溪 650093；3.沈機集團昆明機床股份有限公司，昆明 650203)

為了解決國內某鋼廠煤氣加壓站分布式控制系統的信息發布裝置無法向LED數字看板發布數字消息的問題，對ASCII碼表示十進制數字的過程進行分析，發現用ASCII碼表示進位計數制數字時應將數字轉換為非進位計數制，這種轉換由一簇以按權展開式為基礎導出的遞推公式所描述的數學模型實現，模型將進位計數制數字的系數同權值相分離，按原有順序排列，形成非進位計數制數字；結合LED數字看板使用ASCII編碼發布數字消息的原理，在SIMATIC平臺上實現該模型，使得由分布式自動化系統采集的反應生產工況的數字消息能在數字看板中發布。

非進位記數制 進位記數制 數制轉換 分布式自動化系統 生產看板

自20世紀70年代單色低發光效率LED用于發布文本信息以來，LED平板顯示設備經歷了從紅綠雙色、4級調灰、內容靜態顯示，到紅綠藍三基色、16/64級調灰、內容動態顯示，再到全彩色、256級調灰及數碼圖文視頻等多媒體信息動態顯示3個階段的發展，現已廣泛應用于商業、娛樂、交通及市政等需要進行公共信息發布的領域[1]。①收稿日期：2016-03-18(修改稿)

當工業生產領域中將來自底層自動化系統的數據或信息當作公共信息發布的需求產生時，往往也采用LED平板顯示設備，并將該設備直接同控制系統(SCADA/DCS系統)或計算機制造系統(CIMS系統)集成起來，形成電子看板[2]。在離散制造工業中，電子看板常用于更新產量、成品率及合格率等參數，達到以實施協調生產、優化工序及提高效率等為目標的看板管理[3]。陸澤勇報道了一種用在汽車沖壓廠物流系統上的拉動式生產看板系統，用于實現生產線上的準時化生產[4]；紀壽文等報道了一種應用在機加工行業的電子看板系統，用于優化零部件供應管理[5]。在流程工業中，LED平板顯示設備往往作為儀表的面板與之結合成一個整體，而作為電子看板與底層自動化系統結合的報道并不多見，曾榮杰報道了將240×128單色LED點陣用于發布選礦廠在線分析儀的測量結果[6]；石長華和黃新華報道了將16×64雙色LED點陣用于發布在陶瓷燒窯爐內和爐旁測得的溫度參數信息[7]。鋼鐵冶煉行業屬于典型的流程工業，煉鐵和煉鋼廠的副產品“冶金副產煤氣”是鋼鐵行業廣泛使用的二次能源[8]，為合理利用副產煤氣，減少管網運行壓力波動和煤氣放散引發的能源消耗和環境污染，鋼鐵聯合生產企業通常針對副產煤氣系統，建立覆蓋全廠的煤氣調度中心，并圍繞煤氣儲柜、煤氣管網等基礎設施，在廠區建立多個調度室。監控中心設置底層自動化系統，調度室設置與調度中心系統互聯的信息發布系統，形成分級調度系統，使班組操作人員及時了解諸如產氣源發生量、煤氣用戶消耗量、氣柜高度(煤氣儲量)、管網壓力、用戶支管壓力及總管煤氣一氧化碳含量等反映煤氣系統運行狀態的參數值，從而實施相應的調度或調節操作。針對煤氣系統的運維，需要建設一套電子看板系統與底層自動化系統結合在一起，將取自底層自動化系統的參數信息在不同調度室中通過電子看板同步發布出來，其中信息發布終端的低成本技術方案就是選用LED平板顯示設備，然而從過程自動化系統角度看，LED平板顯示設備屬于第三方設備，該種信息發布設備與自動化系統存在兼容性問題[9]。筆者針對國內某鋼廠在煤氣加壓站廠區調度室建設電子看板系統過程中出現的采集自集散控制系統的生產工況參數不能在LED平板顯示設備上發布的問題，展開數制轉換算法研究，并在連接LED平板顯示設備和集散控制系統的可編程終端設備上實現該算法，使得采集自底層自動化系統的參數值能在LED平板顯示設備上發布，實現煤氣儲柜管網等基礎設施的看板管理。

1 背景介紹

國內某鋼廠煤氣加壓站建設了一套監控高爐煤氣儲柜、轉爐煤氣儲柜與加壓站運行的過程自動化系統，系統的組成和結構如圖1所示。該系統設置兩個控制站用于監控高爐煤氣儲柜、轉爐煤氣儲柜和加壓站。安裝在設施上的變送器和執行機構通過遠程IO站接入控制系統，IO站通過Profibus總線接入本地控制站，兩個本地控制站通過Profinet工業以太網和上位監控計算機連接。系統中硬件采用了S7-200系列的產品，軟件選用WinCC產品。在原控制系統投運后，該企業出于對班組操作人員和管理人員公布運行過程中煤氣系統狀態參數以方便實施看板管理的需求，建設了一個基于LED平板顯示設備的看板系統，用于發布高爐煤氣儲柜柜位、轉爐煤氣儲柜位、儲柜回收量、煤氣管網的總管壓力和各用戶支管壓力、各用戶煤氣使用量及總管放散塔放散量等參數的實時值，并將看板系統部署在下設的一個現場調度室中。

基于對所搭建的生產看板系統與原自動化系統的集成需要，看板系統選擇S7-200系列的可編程邏輯控制器作為子站，從技術層面分析，選型的依據是：

a. S7-200提供自由口通信模式[10]，其特點是除物理層外其余協議層由用戶編程實現；

b. S7-200的串口波特率可組態，可使系統中控制器與信息發布設備之間的串口波特率相匹配；

c. S7-200支持Profinet工業以太網通信，可實現控制器與原控制系統的集成。

看板系統的終端選擇了雙色LED顯示屏，并選用某廠家提供的圖文控制卡驅動該設備。系統硬件選型確定后，通過在S7-200控制器的變量寄存器中編程，實現將LED屏驅動卡的分層協議模型在S7-200控制器中的壓棧處理，使得系統子站自由口通信模式下的通信協議與驅動卡的通信協議完全一致，如圖2所示。

圖2 子站的協議模型

2 問題的提出與分析

在S7-200子站自由口上編程雖然實現了LED信息發布設備協議的壓棧處理，使得生產線看板系統中信息源和信息發布設備以完全一致的協議進行數據交互。但煤氣系統基礎設施運行時的各狀態參數信息發布仍存在問題——參數的數值無法直接傳送到LED顯示屏上顯示。

生產線看板系統在LED顯示屏上所要發布的信息分為固定信息和可變信息兩類。固定信息是在LED屏上顯示出來的參數名稱和單位；可變信息是參數的數值，它是隨時間變動的數字。如：“高爐煤氣柜位：”“數值”“m3”、“轉爐煤氣柜位：”“數值”“m3”、“高爐煤氣回收量：”“數值”“m3”、“轉爐煤氣回收量：”“數值”“m3”、“總管壓力：”“數值”“m3”及“燃氣機組煤氣消耗量：”“數值”“m3”等，僅有“數值”為可變信息，其余均為固定信息。

需要在LED顯示屏上同時顯示固定信息和可變信息，才能使集成到原控制系統的生產線看板系統的功能得以實現。LED信息發布設備使用ASCII碼和區位碼表示的字母、數字和漢字編碼驅動點陣，顯示編碼所對應的字符、字母與數字用ASCII碼編碼，漢字用區位碼(信息交換用漢字編碼字符集)編碼。可變信息無法直接傳送到LED顯示屏上顯示這一問題，是由ASCII碼表示數字的特點所決定的。ASCII碼表中用0x30、0x31、0x32、0x33、0x34、0x35、0x36、0x37、0x38、0x39編碼十進制數字的10個數碼0、1、2、3、4、5、6、7、8、9[11]。對于大于10的整數沒有對應的編碼，為了實現數字的ASCII碼編碼，需要將數字按權展開，具體如下：

(kn…k2k1k0)10=kn×10n+…+k2×102+k1×101+

k0×100

(1)

其中，系數kn,kn-1，kn-2,…,k1,k0取值為9、8、7、6、5、4、3、2、1、0。

展示中系數的ASCII碼見表1。

表1 系數的ASCII編碼

注：0x表示后面的數字是十六進制；*前的字母a、b、c、d依系數的實際值取0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。

將不同權位的系數提取出來按ASCII碼編碼，再按表1第二列中的值0x3d … 0x3c 0x3b 0x3a排序，就能將十進制數表示為非進位計數制，實現用ASCII碼表示數字的目的。值大于10的數字的ASCII編碼原理表明：當LED信息發布設備接收十進制數字信息時，設備并非將信息當作數字對待，而是當作獨立的按順序排列的字符對待。以數字(17350)10為例：人或控制器對該值的理解是“一萬七千三百五十”或“100001111000110”，信息發布設備對該值的理解是“1”、“7”、“3”、“5”、“0”這5個字符組成的一串碼，即0x31 0x37 0x33 0x35 0x30。

3 數制轉換算法的數學模型

上述分析表明，應設計一種數制轉換算法將進位計數制數字轉換成非進位計數制數字[12]，將非進位計數制數字不同權位上提出的系數按序排列轉換成ASCII碼發送給LED數字看板，才能實現可變類型信息的顯示。將采集自集散控制系統的可變信息用下式表示：

(knkn-1kn-2…k1k0)10

(2)

其中10n，10n-1，10n-2，…，101，100是從最高位至最低位各位置上的權值；kn，kn-1，kn-2，…，k1，k0是給定位置上權值對應的系數。

系數kn的提取按下式：

(3)

其中[ ]表示截尾運算，以下公式中出現的[ ]均為截尾運算符。

系數kn-1的提取按以下兩個公式：

(kn-1kn-2…k1k0)10=(knkn-1kn-2…k1k0)10-kn10n

(4)

(5)

系數kn-2的提取按以下兩個公式：

(kn-2…k1k0)10=(kn-1kn-2…k1k0)10-kn-110n-1

(6)

(7)

以相同的運算規則構造遞推表達式逐位提取系數，直到提取系數k1。系數k1的提取按以下兩個公式：

(k1k0)10=(k2k1k0)10-k2102

(8)

(9)

系數k0的提取按下式：

k0=(k1k0)10-k110

(10)

式(3)～(10)的遞推公式，描述了實現將進位計數制數字轉換為非進位計數制數字算法的數學模型。遞推公式能提取各權值對應的系數。LED信息發布設備發布數字信息時，順序接收系數kn，kn-1，kn-2，…，k1，k0對應的ASCII碼序列，就能按排列順序顯示系數。

4 算法設計

數制轉換算法的設計是在控制器變量寄存器中分配適當的存儲空間，根據具體數字消息的位數，按式(3)～(10)遞推公式的構造方法構造對應的遞推公式，按SIMATIC軟硬件平臺的編程規則用代碼實現。以“高爐煤氣儲柜柜位”值和“轉爐煤氣儲柜柜位”值，這類生產線看板系統中所要顯示的最大數字為例說明：由于兩個儲柜的柜位值是萬位數字，因此遞推公式中n值取4，構造含9個表達式的遞推公式，設計算法將遞推公式在控制器中實現，以看板系統控制器的選型為例，算法設計流程如圖3所示。

圖3 數制轉換算法流程

算法用一個子例程實現，流程被設計成順序結構，這是由遞推公式的執行順序所決定的。由于n取值為4，因此該順序流程由15步運算組成，主要由前12步實現式(3)～(10)遞推公式的運算，后3步調用系統函數實現轉換與賦值。前12步中，每執行一步運算指令，中間結果都會存入一個預分配的16位存儲區。16位存儲區的功能劃分如圖4所示。

圖4反映出在算法設計的過程中，控制器的變量存儲器中分配了3組16位存儲空間(也稱為變量字)。按遞推公式執行運算的結果——原進位計數制數字中各位上的系數被設計為存放在變量1～5的5個16位存儲區中；運算中需要將每位權值與該位權值對應的系數相乘，因此分配變量10～13的4個位存儲區用于存儲乘法運算的結果；運算中需要以遞推方式連續執行4次減法運算，第四次減法運算提取最低位系數作為結果存入變量5，因此分配3個連續的16位存儲區用于存儲減法運算的結果。

5 結束語

筆者對以LED平板顯示設備為生產看板的數制轉換問題進行分析，針對ASCII碼表示數字的特點，建立了數學模型，將進位計數制數字轉換為非進位計數制數字，并針對具體的系統環境和硬件平臺對數制轉換算法進行設計，實現了生產看板系統中可變類型信息在LED數字看板上的發布。

圖4 16位存儲區的功能劃分

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[11] 譚浩強,崔武子.C語言程序設計基礎版[M].北京:華夏出版社,2005.

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ResearchofNumeralSystemConversionAlgorithmforProductionKanban

LIANG Yin1, LI Hong1, ZHANG Dong-ning1, WANG Qian-bin2, SHAO Yuan-han3

(1.KunmingElectricalApparatusResearchInstitute,Kunming650021,China;2.YuxiXinxingIron&SteelHoldingCo.,Ltd.,KunmingIron&SteelGroupCo.,Yuxi650093,China;3.ShenjiGroupKunmingMachineToolLimited,Kunming650203,China)

Considering DCS information-releasing device’s incapability in sending data to gas station’s LED production Kanban in iron & steel plants, having the process of applying ASCII code to notate the decimal numeral analyzed to find that the numeral notated by carry counter system has to be transmitted into non-carry counter system when adopting ASCII code to notate the numeral in positional number system. This transmission can be realized by a numerical model and represented by series of recursive equations. The model can separate coefficients from the positions and then arranges them in original sequence to form a non-carry counter system. According to the principle that LED numeral Kanban releases numerical information in the form of ASCII code, this model can be realized on SIMATIC platform so that numerical information in relation to the production and collected by DCS can be published on the production Kanban.

non-carry counter system, carry counter system, numeral system conversion, DCS, production Kanban

科技創新平臺建設計劃-科研院所技術開發研究專項——鋼鐵企業副產煤氣能效管控系統研發及應用示范(2013DC006)

TH89

B

1000-3932(2016)07-0758-05