基于現(xiàn)場(chǎng)總線的智能稱量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1 引言

萊鋼新建3#750高爐槽下稱量系統(tǒng)中采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，通過(guò)schneider公司的智能稱重模塊和mb+網(wǎng)絡(luò)軟、硬件構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)字化傳輸，提高了入爐爐料重量信號(hào)的測(cè)量精度和測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾能力。較好解決了現(xiàn)場(chǎng)一次測(cè)量裝置所采集的信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到干擾影響而產(chǎn)生畸變和失真的問(wèn)題。

2 槽下配料工藝概況

高爐入爐爐料包括大燒結(jié)礦、小燒結(jié)礦、焦炭、燒結(jié)球團(tuán)及其它輔料，分別從原料場(chǎng)、豎爐和燒結(jié)機(jī)運(yùn)來(lái)，經(jīng)槽上輸送到各個(gè)料倉(cāng)。根據(jù)入爐料單來(lái)選擇爐料的種類和重量，選中一個(gè)料倉(cāng)時(shí)，倉(cāng)內(nèi)爐料經(jīng)振篩輸送到稱量斗稱量，稱量后經(jīng)皮帶去上料小車，送到爐頂料罐。示意圖如圖1所示:

圖1 工藝流程示意圖

3 智能稱量系統(tǒng)的拓樸結(jié)構(gòu)

智能稱量系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線以mb+網(wǎng)和12個(gè)isp momentum weighing module為主干，構(gòu)成令牌總線，通過(guò)槽下plc的nom模塊與控制系統(tǒng)相聯(lián)。plc控制器通過(guò)noe以太網(wǎng)模塊接入3#750高爐光纖主干網(wǎng)（以太網(wǎng)），服務(wù)器與工作站均接在以太網(wǎng)上,如圖2所示。

圖2 智能稱量系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

12個(gè)isp momentum weighing module按邏輯環(huán)的順序依次持有令牌，誰(shuí)得到令牌，便有權(quán)與控制器交換信息，包括控制指令、采集的數(shù)據(jù)、奇偶校驗(yàn)、模塊狀態(tài)等。有效的重量信號(hào)則由控制器轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器，由控制器和工作站共享，控制器利用這些信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)配料控制，進(jìn)行料空、料滿判別，爐料水分補(bǔ)正，爐料配比控制等，并在工作站的監(jiān)控畫面上顯示。

4、智能稱量系統(tǒng)的軟件功能

該系統(tǒng)的軟件功能包括通訊、稱量裝置設(shè)定與校驗(yàn)、智能控制、歷史記錄與打印設(shè)置等。

4.1 通訊功能

為適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合，系統(tǒng)預(yù)留多種通訊方式和接口，通訊接口有:用于網(wǎng)絡(luò)通訊的mb+、mb、mbtcp/ip、m1;作為現(xiàn)場(chǎng)編程接口的rs232/rj11，它可在現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)或單個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)行;作為現(xiàn)場(chǎng)顯示端口的rs485/rj11;一個(gè)作為現(xiàn)場(chǎng)打印口的9pin串口。該系統(tǒng)基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，通過(guò)mb+口數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，其它接口則作為應(yīng)急備用。

該系統(tǒng)基于mb+網(wǎng)，12個(gè)智能模塊組成邏輯令牌環(huán)，每個(gè)模塊依次獲得令牌，當(dāng)?shù)趇個(gè)模塊得到令牌時(shí)，便有權(quán)與控制器交換信息，包括控制指令、采集的數(shù)據(jù)、奇偶校驗(yàn)、模塊狀態(tài)等。有效重量信號(hào)則由控制器轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器，該模塊完成后，便將令牌傳給另一個(gè)模塊，如此循環(huán)下去。若某一個(gè)模塊出現(xiàn)故障，則將其從邏輯環(huán)中自動(dòng)清除，待其恢復(fù)后再接入邏輯環(huán)中。現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊速率為1mbps。

4.2 稱量裝置設(shè)定與校驗(yàn)

（1） 稱量裝置設(shè)定

稱量間隔:為適應(yīng)不同大小的稱量斗和不同的物料，要進(jìn)行稱量間隔設(shè)定，間隔的等級(jí)從0.01、0.02、0.05、0.1 ……最大到50000kg，用戶要根據(jù)稱的額定值來(lái)選擇相應(yīng)的稱量刻度;
稱量極限設(shè)置:系統(tǒng)給出三個(gè)選擇:２％mr、５％mr、９％mr（max range），可根據(jù)設(shè)備的狀態(tài)靈活選擇。

（2） 稱量裝置校驗(yàn):稱量裝置校驗(yàn)分三種模式，兩個(gè)階段。

三種模式:

?標(biāo)準(zhǔn)模式:當(dāng)校稱載荷≥75%mr時(shí)，按此模式校稱;
?降級(jí)模式:當(dāng)校稱載荷達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)模式要求時(shí)，執(zhí)行此模式;
?強(qiáng)制模式:當(dāng)認(rèn)為上次校稱有問(wèn)題或無(wú)效時(shí)，執(zhí)行此模式覆蓋上次的校驗(yàn)，該模式又分增荷和降荷兩種。

兩個(gè)階段:

?零點(diǎn)校驗(yàn):稱量斗為空，根據(jù)各稱量斗的自重來(lái)調(diào)節(jié)稱的零點(diǎn);
?載荷校驗(yàn):用適當(dāng)?shù)妮d荷來(lái)標(biāo)定稱量裝置的線性度，可根據(jù)具體的現(xiàn)場(chǎng)條件來(lái)選擇上述三種模式之一，通常采用標(biāo)準(zhǔn)模式進(jìn)行。

4.3 智能控制

（1） 零點(diǎn)遷移和自動(dòng)跟蹤

零點(diǎn)的遷移范圍有兩種:±２％mr和±５％mr。要實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)自動(dòng)跟蹤，零點(diǎn)遷移范圍必須選擇±２％mr，系統(tǒng)自動(dòng)記錄稱量斗內(nèi)每次裝入的凈荷w1和卸出的凈荷w2，然后計(jì)算差值δw, 根據(jù)δw的大小和極性自動(dòng)修正稱量裝置零點(diǎn)。
δw＝w１-w２

（2）數(shù)字濾波

稱量系統(tǒng)中，稱重傳感器所采集的料重信號(hào)最初是模擬信號(hào)，在采集傳送過(guò)程中不可避免要受到干擾，為消除這種干擾，系統(tǒng)將信號(hào)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換再進(jìn)行數(shù)字濾波處理。

數(shù)字濾波器為兩種:fir濾波器和iir濾波器。

（3） 測(cè)量穩(wěn)定性的自適應(yīng)

要使測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，在一定的時(shí)間間隔（t）內(nèi)重量的變化要在允許的范圍（r）內(nèi)，系統(tǒng)根據(jù)重量的變化率進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，t和r的可選值為:

t:0.4s、0.5s、0.7s、1s;
r:2.25d、3.25d、4.25d、6.25d、8.25d（division）。

（4） 流量計(jì)算與上料單控制

系統(tǒng)可對(duì)一臺(tái)稱量裝置或一種爐料（在一個(gè)或多個(gè)倉(cāng)中）計(jì)算其流量的瞬時(shí)值和累計(jì)值。當(dāng)操作員在監(jiān)視畫面上填寫好上料單后，就確定了各種爐料的設(shè)定重量，系統(tǒng)計(jì)算各種爐料的累計(jì)值，當(dāng)與設(shè)定值相等時(shí)則結(jié)束該種爐料的供料。當(dāng)上料單全部執(zhí)行完畢，系統(tǒng)就等待下一個(gè)上料單。

（5） 料流控制

為了提高定量稱量的準(zhǔn)確性，提高稱量系統(tǒng)的工作效率，控制稱量斗的載重不超過(guò)其額定值，需要對(duì)進(jìn)入稱量斗的料流進(jìn)行控制。這里的定量稱量包括定量裝料和定量卸料兩個(gè)環(huán)節(jié)。

裝料的稱量過(guò)程為:開(kāi)始時(shí)，以較大的料流裝料，系統(tǒng)輸出q1電平控制料流;當(dāng)稱量斗內(nèi)的重量達(dá)到高速料流截止點(diǎn)（high flow cut-off）時(shí)，系統(tǒng)輸出q2電平，減小料流;當(dāng)稱量斗內(nèi)凈重（net weight）達(dá)到設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉料流。料流曲線如圖3所示。卸料的稱量過(guò)程與裝料相似。

圖3 料流控制示意圖

4.4 歷史記錄與打印設(shè)置

為方便生產(chǎn)管理，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫(kù)中存放規(guī)定時(shí)間段內(nèi)的料重?cái)?shù)據(jù)，可以在工作站上顯示并提供查閱和打印。

5 系統(tǒng)調(diào)試

（1） 零點(diǎn)標(biāo)定 零點(diǎn)標(biāo)定要確認(rèn)稱量斗內(nèi)無(wú)載荷，清除斗內(nèi)雜物，輸入測(cè)量元件最大測(cè)量范圍，選擇scale division值，按零點(diǎn)標(biāo)定按鈕進(jìn)入標(biāo)定程序，進(jìn)程結(jié)束后，數(shù)據(jù)自動(dòng)存檔記錄;

（2） 載荷標(biāo)定 零點(diǎn)標(biāo)定完成以后，進(jìn)行載荷標(biāo)定，按標(biāo)準(zhǔn)模式進(jìn)行，凈載荷加到75%額定值，按載荷標(biāo)定按鈕即進(jìn)入標(biāo)定程序，標(biāo)定進(jìn)程結(jié)束之后，數(shù)據(jù)自動(dòng)存檔記錄。測(cè)量完畢后，以25%額定值的幅度減載荷，直到載荷全部卸除。

（3） 數(shù)據(jù)傳輸調(diào)試 稱量系統(tǒng)標(biāo)定后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸調(diào)試，確保生產(chǎn)過(guò)程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確可靠;

（4） 邏輯環(huán)調(diào)試 人為使一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障，系統(tǒng)能否將其自動(dòng)卸除;恢復(fù)該節(jié)點(diǎn)，看系統(tǒng)能否將其自動(dòng)加入邏輯環(huán);

（5） 傳輸率和誤碼率測(cè)試 網(wǎng)絡(luò)中等負(fù)載情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收測(cè)試。

6 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)，數(shù)據(jù)傳輸和測(cè)量準(zhǔn)確，由于實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化數(shù)據(jù)傳輸，避免了傳統(tǒng)模擬量信號(hào)傳送過(guò)程中的長(zhǎng)線干擾，大大提高了稱重系統(tǒng)的抗干擾能力。在測(cè)量刻度劃分、零點(diǎn)校正、測(cè)量穩(wěn)定性進(jìn)行自適應(yīng)控制，提高了定量稱量的準(zhǔn)確性。用戶反映良好，有很高的推廣價(jià)值。