胡國清
（武漢中控南方科技有限公司，武漢430070）
 

內容提要：文章以棒材連續退火爐為例，敘述了同類產品過程控制系統的應用開發技術，包括系統配置與連接、數據通訊、自動打印、過程數據采集與監控等。
關鍵詞： 退火爐 過程控制系統 數據通訊 自動打印 數據采集與監控
 

Application & development in process control system

·         of bar material continuous annealing furnace
 
HU Guoqing
（Wuhan ZoControl South Science & Technology Co., Ltd.，Wuhan 430070，CHN）
Abstract：This text is from an example of one bar material continuous annealing furnace，normal function devolopment and application in process control system on the congener machine are described. Such as system configuration & connection，data communication，autoprinting，Supervisory Control and Data Acquisition，etc..
Keywords：annealing furnace；process control system；data communication；autoprinting；Supervisory Control and Data Acquisition.
 
連續退火爐廣泛用于鋼材深加工行業，可對型材、棒材、線材、板材以及其它類型鋼材進行熱處理加工，提高鋼材性能，滿足個性化的應用需求。
筆者以一臺棒材連續退火爐為例，闡述同類產品過程控制的應用開發技術，包括電氣控制系統的配置與連接、溫度過程控制、設備整體邏輯控制、過程數據采集與監控等，供同行參考。
1.      設備概況
該設備全長130米，主要包括3個加熱區、2個保溫區、1個快冷區、4個等溫區、2個緩冷區、2個交換區共14個區段，其中12個區段溫度可控，帶有兩個真空室、4個自動門、上下料裝置以及輔助設備等，整個設備裝機功率約1100kW，采用電加熱智能溫控方式，節能環保，全程變速輥道自動輸送，全自動生產流程控制，生產效率高，整個設備生產過程的數據采集與監視控制實現實時記錄與歸檔，歷史數據可追溯，設備操作傻瓜式和智能化。
 
2.      系統配置
控制系統采用永宏FBS系列PLC、昆侖通態15”TFT觸摸屏、人中工控功率控制器、廈門宇電溫度控制器、丹佛斯變頻器等作為主要控制器件，采用封閉式熱電偶和防塵光電開關、大功率接近開關等進行溫度采集和物料跟蹤，PLC和溫度控制器（共12個）、變頻器（2臺）、電力綜合儀表之間采用RS485串行總線通訊，觸摸屏與PLC、編程器之間通過以太網通訊。
設備具有溫度曲線實時打印和定時打印功能，以便將數據記錄與產品配套交付。
工藝設計的12個區段的加熱功率分別為192kW、144kW、120kW、97.5kW、97.5kW、30kW、60kW、90kW、75kW、45kW、30kW、30kW，選型配置各區段的功率控制器為KTH3/3*380V型，容量分別為230kVA、164kVA、131kVA、105kVA、105kVA、39kVA、72kVA、105kVA、85kVA、52kVA、39kVA、39kVA，通過各區段的AI526系列溫控器輸出4～20mA直流電流作為給定控制信號，其中快冷區溫控器選用雙向輸出型，其中一個反向輸出作為快冷變頻器的速度給定。設置溫控器有關作用方向、熱電偶類型、輸出信號類型等主要參數，調試時需對每個區段的溫控器和功率控制器進行在線自整定，以達到最佳響應周期。另有兩塊僅顯示與傳輸溫度值的溫控器配置到兩個交換區（不帶加熱電阻絲），各區段的實時溫度、三相加熱電流均在控制柜門上實時顯示，實時溫度及曲線在HMI界面上記錄并歸檔。
系統配置兩臺變頻器，其中一臺一拖二作為主傳動輥道兩臺電機的調速裝置，另一臺作為快冷風機的調速裝置，控制風量，兩臺變頻器的實際速度和實際電流值通過RS485傳輸給PLC，以便在HMI界面上直接顯示輥道的實際運行速度（單位m/min）和風量換算值。電力綜合表也通過RS485連接至PLC，以使整個設備的有功功率、無功功率、功率因素、電壓、電流等實時數據和累計數據可直接在觸摸屏HMI界面上顯示，便于生產管理。
整個設備邏輯控制的I/O點數量共132個，選擇永宏FBS-60MAR2-AC型CPU，另增加數字量I/O擴展模塊FBS-60EXYR和FBS-20X，。
控制系統配置與連接如圖1所示：

圖1 棒材連續退火爐過程控制系統配置圖

HMI界面用觸摸屏選用昆侖通態TPC1561Hi型，帶以太網通訊接口，HMI界面功能主要有設備狀態監控（總圖式實時動態顯示）、歷史數據查詢與打印（最長1年的歷史數據查詢、即時/定時打印）、溫度實時跟蹤曲線、溫度設定（溫度工藝數據設定）、報警與故障診斷、生產管理及運行記錄（進/出料時間記錄、各區段停留時間與延時時間設定）、系統管理（操作安全管理）、用戶登錄管理（多用戶多權限等級管理）等，圖2是歷史數據查詢與打印界面。

圖2 歷史數據查詢與打印界面

3.      功能實現
3.1  數據通訊
RS485通訊是非常通用的通訊方式，很多控制器件都具有這個功能，硬件連接方式都相同，但各廠商的通訊協議都不同，需要對各種產品的通訊協議編制相應的解碼程序。本項目中廈門宇電的AI526溫控器的通訊協議為AIBUS（Ver7.0），它基于RS485硬件接口，最多允許串聯81個站點。設置每個溫控器Addr參數從1～14作為通訊地址，并設置通訊波特率9600bps。
AI526溫控器采用16進制數據格式來表示各種指令代碼及數據，標準的通訊指令只有兩條，一條為讀指令，一條為寫指令，兩條指令即可使上位機軟件能100%完整地對儀表進行操作，標準讀和寫指令分別如下：
讀：地址代號+52H（82）+要讀的參數代號+0+0+校驗碼
寫：地址代號+43H（67）+要寫的參數代號+寫入數低字節+寫入數高字節+校驗碼
地址代號為兩個相同的字節，數值為（儀表地址+80H）。例如：儀表參數Addr=12（16進制數為0CH，0C+80H=8CH），則該儀表的地址代號為：8CH 8CH。
無論是讀還是寫指令，儀表都返回以下10個字節的數據：
測量值PV+給定值SV+輸出值MV及報警狀態+所讀/寫參數值+校驗碼
其中PV、SV及所讀參數值均各占2個字節，代表一個16位二進制有符號補碼整數，低位字節在前，高位字節在后，整數無法表示小數點，要求用戶在上位機處理；MV占一個字節，按8位有符號二進制數格式，數值范圍-110～＋110，狀態位占一個字節，校驗碼占2個字節，共10個字節。
FBS PLC通訊程序編制：
通訊口Port2初始化：賦值5651H（9600bps波特率、8bit數據位、2bit停止位）→R4158（Port2的設定緩存器），利用Port2就緒的內部繼電器M1962來觸發FUN151（CLINK）指令，設置MD1讀方式，并對不同的站點分別設置不同的R地址，以便從指令返回數據里取出PV、SV等數據，再利用FUN151的完成信號觸發采集對相應的數據進行算術計算處理，作為HMI界面系統將要讀取的數據。
3.2  自動打印
自動打印用于定時打印歷史趨勢曲線，記錄每個班或特定時間的設備狀態，以作為產品交付的隨機資料。可根據需求設置打印間隔時間，例如8小時、24小時等，打印的時間長度也可以設置，如圖2所示直接在相應的數據域內輸入即可。
要實現這個功能，需在HMI軟件MCGSE Ver7.6中添加一個循環策略，設置策略條件屬性：變量“打印條件_C”——表達式的值非0時條件成立。然后添加一個定時器，設置定時器參數如下：
設定值——打印條件_設定值（變量名）
計時條件——打印條件_C（變量名）
計時狀態——打印條件_狀態（變量名）
復位條件——打印條件_復位（變量名）
新建一個名為“打印策略”的事件策略，設置打印策略的觸發條件：“打印條件_狀態”變量上升沿，即定時器計時完成瞬間觸發一次打印任務。
添加策略腳本程序：
用戶窗口.溫度曲線.print（ ）  ；溫度曲線窗口的屏幕打印
打印條件_復位=1
Isleep(1000)                  ；暫停1000ms
打印條件_復位=0
最后設定“自動打印”按鈕的操作屬性：取反——打印條件_C，即每按一次對變量“打印條件_C”的值進行取反一次。
 
4.      結語
同類設備的過程控制技術有許多，如溫度慣性控制、邏輯控制等，本文僅以一例說明了系統配置及一些通用技術的實現，并就經常不好解決的數據通訊等問題作較詳細的闡述，希望能起到拋磚引玉的作用。