一种在真空熔炼炉应用的微机监控系统的设计与实现

李明++赵辉++李楠

摘 要：文章介绍了计算机技术在国内工厂设备中的应用与实现，详细阐述了如何对原有纯手动控制设备进行升级与改造，进而推动工厂的设备自动化水平，提高了生产效率和管理水平。

关键词：计算机；组态王；数字量；模拟量；计数模块

中图分类号：TP273 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）27-0107-02

1 概述

目前，国内计算机技术发展极其迅速，它们的应用领域不断扩大，在大型工业生产设备中，纷纷采用计算机技术实现工艺生产过程的监视与控制，以达到优化的生产和管理，获得高的成品率和经济效益。为推动宝鸡有色金属加工厂的设备自动化水平，研制六吨真空自耗电弧炉计算机监控系统。该系统实现了对六吨真空自耗电弧炉进行数据实时采集、实时记录、实时数据和历史数据进行工艺分析及打印等功能。为提高真空熔炼铸锭的产品质量，提供了可靠、准确的数据源。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件组成

生产现场需检测的参数共28个，其中模拟量16个，接入西门子331-7KF01模拟量输入模块；开关量8个，接入西门子321-1BH01数字量输入模块；电极行程4个，接入西门子350-2计数模块。其中模拟量可以统一为0～5V或0～10V的直流信号。本系统主要功能有：（1）对28路参数进行实时数据显示；（2）对其中的重要参数（熔化电流、电压、真空度、电极杆行程等）进行存储；（3）实时曲线及历史趋势图显示；（4）生产数据的实时及历史打印；（5）实时报警显示及历史报警的记录；

（6）实现铸锭报表的生成及自动打印。

该系统以最新的工控机为核心，采用变送器和模拟量输入模块对信号进行滤波、整形，对系统进行实时监测，24寸液晶显示器及彩色喷墨打印机把所监控的工艺参数及其趋势线清晰地显示并打印。硬件系统组成如图1所示。

2.2 硬件工作原理

把源信号中的模拟量经调理板处理，变为0～5V的标准信号再经A/D转换板转换为数字信号输入计算机；脉冲量经脉冲调制板加宽输入到多功能板的计数器上，经工程量转化后输入计算机；开关量经端子板输入、输出、记录、显示、打印。

3 软件设计

本着“实时、准确、界面友好、操作简易”等原则，并适应软件的发展趋势，该系统应用软件是基于windows操作系统，以目前国内较为先进的组态王6.53为系统软件编程，具有较强的可靠性，操作简单、灵活。整个软件系统主要由参数设置、实时检测与记录、趋势曲线分析、报警提示、数据打印和在线帮助模块组成。可由功能键F1～F10实现。软件流程如图5所示。

3.1 参数设置模块

即要求用户输入报警上下限、熔炼记录中有关的常量等。每一炉常量参数设定包括坩埚直径、自耗电极的直径和长度；报警阀值的设定包括总熔化电流的上下限值、真空度的上限值、电弧电压的上限值、出口水温的上限值和补缩期电极行程的下降值。

3.2 实时检测与记录模块

完成数据采集、处理、运算和控制输出，动态模拟工况画面，并对实时数据进行记录，最终以文件的形式保存，可依据需要决定保存的天数。

由于生产需要对一些重要参数（熔化电流、熔化电压、真空度、电极行程）等进行记录，因此这套系统把所检测的工艺参数生成记录文件和报警文件，这些文件按先进先出的方式在磁盘目录上保存365天，若要长期保存，需在文件的有效期内移动到其他文件夹或软盘上：否则就会在超时之日的零点，系统自动清除超时文件。每个文件保存24小时记录的数据，数据采集频率100Hz，数据显示刷新频率1次/100ms，实时监测数据每秒刷新一次。

3.3 趋势曲线分析模块

趋势曲线能以图形方式观察一段时间内的过程状态和趋势。本系统定义了一组趋势曲线窗口，一个趋势曲线窗口可同时显示多个过程参数。趋势曲线可分为实时趋势曲线和历史趋势曲线。

3.3.1实时趋势显示模块

实时趋势曲线可“在线”观察过程参数的变化，曲线窗口也可自动卷动以显示最新数据。实时曲线长度事先规定为几种时间间隔，在实际分析时可按当时的情况进行时间间隔变换。

本系统对主要的工艺参数（熔化电流、电压、真空度、电极行程）等定义了趋势曲线窗口。

3.3.2 历史趋势显示模块

历史趋势曲线用于查看过程参数的所有数据，曲线窗口不会自动翻卷，必须通过操作按钮来实现。历史趋势曲线的优点是工作班完成之后，可对本次的数据曲线进行分析和打印输出，同时亦可对以前保存的历史数据进行操作。

3.4 报警提示模块

完善的监控和数据采集系统应能检测到非正常状态的发生，并将报警信息按照正确的顺序登录到数据库，并且不能丢失任何数据，以便事后对它们进行分析。

本系统在显示的任一画面中，都设有报警显示，无论何时出现报警都会以声光形式提示用户。

3.5 数据打印模块

微机系统对工艺参数进行实时测量、显示并最终打印，打印时间间隔可按需设定。熔炼结束后，对所需重要的工艺参数如：真空度、弧压、弧流、电极行程能实现集中和分别打印。

3.6 在线帮助功能

在使用中若产生操作疑问，可单击F1获取帮助。

4 系统的技术关键

系统在设计中着力解决了如下问题：

4.1 信号采集与处理

模拟数据从信号源采集过来经变送器变为弱电电流信号，再经信号调理板PCLD-881变为O-5V的电压信号，A/D转换卡PCL813转为数字量输入计算机。原系统的电流信号为0～20mA不能直接进入A/D转换卡，因此，首先必须把这些0～20mA电流信号经过调理板上的I/V模块转变为0～5V的电压信号。真空计采用模拟量，利用逐次逼近法进行处理。记录电极行程的脉冲量经自制的脉冲调制板加宽输入到多功能板的计数器上，进入计算机。计算机把采集到的信号经工程量转换、数据分析显示出工况图，工艺参数的实时变化、实时曲线和报警、棒图，工作状态和报警指示等。熔炼结束后集中打印熔炼记录和工艺曲线、棒图。其系统信号采集与处理组成图如图6所示。

4.2 软件数据接口处理

本系统的组态软件的数据备份格式与通用办公自动化软件的格式不一致，为方便工艺技术组分析工艺记录数据、本系统采用Excel电子表格软件开发软件数据接口，将组态软件的备份的记录数据转化为Excel电子表格，为进一步分析工藝记录数据提供方便。

5 结束语

本系统采用计算机上位组态王监控系统配合西门子S7-300控制模块对原有纯手动按钮操作的控制系统进行了升级改造，升级后系统操作简单，网络速度快、可靠性高、开放性好，给使用和设备维护带来方便，系统运行至今稳定和正常，提高了生产效率和管理水平。随着计算机技术在我国普及和发展，各工业控制领域的普遍应用，必将为我国的工业控制做出巨大的贡献。

参考文献：

[1]王建华.计算机控制技术（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]樊乐军.一种锅炉房供热微机自动监控系统的设计及应用[J].科技创新与应用，2014（03）：292.endprint