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以太网在布袋除尘系统中的研究与应用
jiang_0514 发表于 2009/4/20 12:10:25 577 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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以太网在布袋除尘系统中的研究与应用
摘要：通过对某炼钢厂现有转炉布袋除尘系统中的监控部分的调查与研究，发现其采用工业现场总线进行通讯，协议较多且不统一，如opc协议、modbus协议、modbusmodbusplus协议等。整个系统分7个部分，分散且距离较远，不便于对系统进行有效分析和控制，所以除尘效率比较低下。针对此问题，采用施奈德Quantum系列Plc，Mp7工业监控软件，将工业以太网作为现场数据的通讯通道，采用TCP-IP协议作为统一的通讯协议，进行集中监控，利用触发方式对于事件进行激活，从而减少系统资源利用，有效减少网络诱导延迟。通过系统的设计，提高了除尘效率，减少烟尘排放浓度，改善大气环境质量。
关键词：布袋除尘；网络监控；工业以太网；冗余；延迟
0 引言
钢铁冶炼过程中产生的大量粉尘对操作人员的健康及环境造成极大的危害，而布袋除尘在除尘治理方面效果良好而被广泛采用。济南某钢铁厂虽然采用布袋除尘系统，但由于缺乏完善的除尘器监控系统，使得整个除尘器监控工作分布比较分散、仍处于人工状态，导致除尘器除尘效率低下、系统故障维护实时性差、工作任务繁重、信息不全。故人员配备较多造成浪费。为此，建立一个高性能的除尘器监控系统非常必要。传统采用vB或Vc++等高级语言编制监控系统，虽然有从底层开发，灵活性大的优点，但是有开发周期较长，系统可移植性差和扩充性差的缺点。针对此缺点，本系统采用施耐德（Schneider）公司研制的MonitorProV7．2工业控制组态软件。
1 系统总体网络拓扑结构
2群、3群转炉除尘网络监控系统由7套子系统组成，其中包括：辅原料除尘系统；混铁炉除尘系统；1群转炉二次除尘系统：一期LF除尘系统；铁水预处理除尘系统；2、3转炉二次除尘系统；二期LF二次除尘系统，如图1所示。
摘要：通过对某炼钢厂现有转炉布袋除尘系统中的监控部分的调查与研究，发现其采用工业现场总线进行通讯，协议较多且不统一，如opc协议、modbus协议、modbusmodbusplus协议等。整个系统分7个部分，分散且距离较远，不便于对系统进行有效分析和控制，所以除尘效率比较低下。针对此问题，采用施奈德Quantum系列Plc，Mp7工业监控软件，将工业以太网作为现场数据的通讯通道，采用TCP-IP协议作为统一的通讯协议，进行集中监控，利用触发方式对于事件进行激活，从而减少系统资源利用，有效减少网络诱导延迟。通过系统的设计，提高了除尘效率，减少烟尘排放浓度，改善大气环境质量。
关键词：布袋除尘；网络监控；工业以太网；冗余；延迟
0 引言
钢铁冶炼过程中产生的大量粉尘对操作人员的健康及环境造成极大的危害，而布袋除尘在除尘治理方面效果良好而被广泛采用。济南某钢铁厂虽然采用布袋除尘系统，但由于缺乏完善的除尘器监控系统，使得整个除尘器监控工作分布比较分散、仍处于人工状态，导致除尘器除尘效率低下、系统故障维护实时性差、工作任务繁重、信息不全。故人员配备较多造成浪费。为此，建立一个高性能的除尘器监控系统非常必要。传统采用vB或Vc++等高级语言编制监控系统，虽然有从底层开发，灵活性大的优点，但是有开发周期较长，系统可移植性差和扩充性差的缺点。针对此缺点，本系统采用施耐德（Schneider）公司研制的MonitorProV7．2工业控制组态软件。
1 系统总体网络拓扑结构
2群、3群转炉除尘网络监控系统由7套子系统组成，其中包括：辅原料除尘系统；混铁炉除尘系统；1群转炉二次除尘系统：一期LF除尘系统；铁水预处理除尘系统；2、3转炉二次除尘系统；二期LF二次除尘系统，如图1所示。
7套子系统分属7地，均有除尘电机和除尘本体、除尘清灰控制系统、除尘卸灰系统，除尘输灰系统构成。上位机与现场采用电仪一体化（电气、仪表共用）的施耐德PLC控制系统进行顺序控制、连续控制构成I级基础自动化系统。II级过程计算机由2套服务器互备系统组成，主要功能包括工艺技术计算、生产指导、过程监视、数据通信和生产报表等。现场就近设置一个HMI组态人机界面分站。分站系统采用10M／100M工业以太网与上位机通讯。现场分站分间距离比较远，需另建立一个中央监控室。将7套子系统集中到一个监控室中来，数据采集到固定的服务器中，放置于SQL-server实时数据库中，利用VisualBasic基本工具，自动进行报表的生成与打印功能，从而自动，实时地记录现场运行、故障、曲线及人员值班情况。
电平的上升沿进行触发，它的输出仅仅决定边沿时刻的输入，所以抗干扰能力强，不会造成空翻。本系统中，由于设备比较复杂，要求不同，所以要针对各个不同的操作情况而选定不同的触发方式。如一些数字量的翻转操作中，则用电平触发的方式就可完成所需操作；而对于设各的启停这种比较重要的操作，则要用脉冲触发，以确保其安全性和稳定性。
2 系统功能介绍
2．1设备起停操作
设备起停操作有现场、本地、集中操作3种方式。本地和集中全部采用鼠标或键盘方式进行。设备起停由计算机集中操作实现，起动前首先需要查询本地操作柜是否已经给予操作权限，在权限给予的情况下方可进行操作，以防引起误操作。设备单动或调试状态下，可以对某一台设备进行操作进行自动＼手动操作选择、设备起停控制操作、清灰，输灰方式选择等。
2．2显示与报警提示
显示部分需要显示除尘风机的轴压、工作油压、振动烈度、定子温度等参数；除尘本体仓室中喷吹电磁阀、料位状态、振打等状态，除尘仓室压差。设备的运行状态用不同的颜色来区分，过程的测控参数同时显示于相应位置。设计多幅画面来表示不同的生产工序，鼠标切换显示流程中的总貌与细节。故障时，声光报警，报警栏闪烁报警故障，并将故障位置、时间、记录到后台数据库中以供事后追忆与分析。故障确认后，声音和频闪画面可手动解除，但画面继续保持。
2．3参数历史记录
瞬时记录和历史记录曲线和报表，对重要的工艺参数进行数据保存，以便生产调试和事故分析，查询。
2．4系统安全管理
为防止非法用户使用操作计算机和工作人员退出系统等违纪操作，保证整个监控系统的安全，对不同用户设计相应的级别和口令。本系统采用的用户管理功能：普通用户、高级用户、超级用户3种级别，对应的用户操作权限不同。用户只能在超级用户赋予的操作权限范围内操作，从而加强了系统的安全性和可靠性。
2．5报表打印功能
为了察看生产状态，减轻操作人员工作量，设计自动报表系统。利用VisualBasic语言，从Sql数据库中读取数server据，自动生成报表并打印，打印方式分以下几种：①定时打印：可定时打印T／R运行表、定时时间可以设定；②用户打印：用户可自定义打印当前或者历史报表；③报警打印：当T／R发生故障时，自动记录讯发生故障的时间、故障类型及故障发生时的运行参数。
3 系统软件设计
本系统主要是基于施耐德公司的MonitorProV7-2工控组态软件构建，通过该软件的服务器SERVER端和下位PLC利用工业以太网，采用TCP／IP协议进行通讯，通过客户端CLIENT使用户进行方便的人机界面操作。
3．1MonitorProV7．2介绍
MonitorProV7．2是施耐德公司开发的一种工业组态软件，旨在优化生产管理过程。在各种领域——自动化行业、农业综合部门、水处理等，该软件都可以提供信息管理和处理方面的最佳技术。由于其模块化的设计方法，可根据应用程序的要求来进行定制。其界面友好、结构灵活，可以方便地根据用户要求来量身定制。用户可以快速地创建自己的用户界面，增加远程维护功能，执行更多的操作。
3．2工业以太网简介
以太网是由美国Xerox公司于1975年推出的一种局域网。目前，由于因特网和工业以太网采用统一通讯协议——TCP／IP，以太网具有实时性、稳定性与通用性比较强的优势，因此也不仅用于人机接口层、企业信息系统层外，也逐渐用于I／O层和人机接口层，享有“e网到底”的美誉。尽管具有所有网络的固有弊端，如通信的实时性、确定性的问题，鲁棒性和抗干扰能力的问题，但是综合其利弊还是广泛应用于工业现场中。
3.3系统监控的显示设计
虽然监控中的显示部分相对简单，但为了达到画面简洁明了，标签使用少，方便管理和维护的目的，采用了把相近或相同的设备用数组来定义，对这一类设备用一个标签名并可代替，并且对系统中数量最多的数字量的定义，没有采用逐一定义的方法，而是利用模拟量的二进制的每个位来定义多个数字量的0，1变化，从而大大减少了烦琐的标签定义过程。
3．4冗余服务器的设计与实现
现场要求系统无故障连续运行，这就需要一个主服务器，一个从服务器（后备服务器）进行冗余服务器运行。这需要两个完全相同的服务器工作，主从服务器进行配置并支持主／从服务器的仲裁，实时数据、数据库记录、系统报警同步。现场Client同时连接到两个服务器中，当任何一个服务器故障时，在10ms时间切换到另一个服务器中，这样不影响现场系统的实时运行，从而达到无故障安全运行的目的。
3．5网络中的诱导延迟解决
由于系统中的点数较多，距离较远，而且由于网络固有的特性有数据延迟的问题，造成系统不稳定性的增加，现在比较常用的是冲突碎片屏蔽的方法和时延补偿的方法，考虑到网络诱导延迟的原因是数据包排队等待延迟、信息产生延迟、传输延迟。采用触发的方式要求数据传输以减少数据等待时间，从而减少延迟。
一般传输分两种触发方式：电平触发和脉冲触发。不同的触发方式，有着不同的优缺点：①电平触发：电平触发是在当信号变成高电平或低电平的时候触发，所以它的抗干扰能力不强。而且它有结构简单，触发速度快的特点。但它的缺点是容易造成空翻。②脉冲触发：脉冲触发是在信号变成高电平的上升沿进行触发， 它的输出仅仅决定边沿时刻的输入 ，所以抗干扰能力强，不会造成空翻。
3．6报警点设计中的一种算法
在系统故障发生点和报警的设计中，由于涉及到一些阀门的联动，所以设计了专门的算法，以达到正常和正确报警的目的。现以除尘器脉冲阀和提升阀的联动，联锁关系为例，进行说明：清灰时，先关闭该清灰仓的提升阀，即该仓的提升阀通电工作。然后逐一的接通该仓的12个喷吹脉冲阀，压缩空气经脉冲阀和喷吹管向滤袋内喷射，使附在滤袋外的过滤粉尘脱落，清灰仓的12个脉冲阀喷吹完毕后，打开该仓提升阀，恢复过滤状态。由于阀门的开／关是典型的数字量0／1切换，而且阀门较多，根据用一个模拟量的二进制的每个位来定义多个数字量的方法，一个仓中1个提升阀对应12个脉冲阀和12个喷嘴，定义为一个模拟量me，其二进制数的第1位到第12位分别代表着12个脉冲阀的状态。
报警规则为：当除尘仓提升阀和脉冲阀都正常工作时（即都显示绿色时），则除尘仓中的对应喷嘴才能工作正常（显示为绿色，为1）。只要有任意一个出现故障（除尘仓提升阀或任一脉冲阀），则除尘仓中的对应喷嘴不能正常工作（显示为红色，为0）。为实现此规则，采用二进制的位操作，mc代表12个脉冲阀的开／关状态，所以，对每个脉冲阀的状态位进行与操作，再和提升阀状态进行与操作，当提升阀状态ts和脉冲阀状态me<x>都为I时，喷嘴pz<x>的状态就输出1；提升阀状态ts和脉冲阀状态mc<x>有一个不为1，则喷嘴pz<x>的状态就输出就为0。这样，这种算法即实现了上面所述的报警规则，又实现了脉冲阀和提升阀的联锁，联动关系。提高了系统的稳定性和准确性，保证了整个系统的正常运行。
4 系统的特点
（1）系统人机界面选用MP7软件进行设计开发，界面友好，画面形象直观，操作方便灵活。
（2）利用声光报警，能及时通知相关人员，以减少或避免事故的发生和扩大，并形成记录以供查阅。
（3）生产运行中的主要工艺参数在硬盘中均有记录，并生成生产报表，以便分析归档。
（4）系统可扩展性好，增建的工艺也可纳入本系统中，再选配相应软硬件资源可实现总调度室微机联网。
5 结束语
综上所述，我们通过对布袋除尘器和施耐德组态软件MP7的叙述，对整个系统的软硬件的配置和设计有了进一步了解，采用MP7工控组态软件，采用工业以太网，利用TCP／IP协议，实现了PLC与上位监控系统之间的实时数据传递，保证了管理人员和生产人员需求的实时数据，而且减少了原有数据传递失真现象，保障了机组经济运行，提高了生产率，减少人员浪费，从而提高了工厂效益。
参考文献：
【1】1向晓冬．现代除尘理论与技术【M】．北京：冶金工业出版社，2002．10-60．
【2】黄志峰．VisualBasic高级编程实例精解【M】．北京：国防工业出版社，2001．1-150．
【3】李代平，章文冲文SQLServer2000数据库应用开发.北京：冶金工业出版社，2002．105-200．
【4】王常力，罗安．分布式控制系统（DCS）设计与应用实例[1棚．北京：电子工业出版社，2004．11-140．
【5】李伟．基于以太的IP组网技术【M】．成都：西南交通大学出版社，2004．135-145．
电平的上升沿进行触发，它的输出仅仅决定边沿时刻的输入，所以抗干扰能力强，不会造成空翻。本系统中，由于设备比较复杂，要求不同，所以要针对各个不同的操作情况而选定不同的触发方式。如一些数字量的翻转操作中，则用电平触发的方式就可完成所需操作；而对于设各的启停这种比较重要的操作，则要用脉冲触发，以确保其安全性和稳定性。
2 系统功能介绍
2．1设备起停操作
设备起停操作有现场、本地、集中操作3种方式。本地和集中全部采用鼠标或键盘方式进行。设备起停由计算机集中操作实现，起动前首先需要查询本地操作柜是否已经给予操作权限，在权限给予的情况下方可进行操作，以防引起误操作。设备单动或调试状态下，可以对某一台设备进行操作进行自动＼手动操作选择、设备起停控制操作、清灰，输灰方式选择等。
2．2显示与报警提示
显示部分需要显示除尘风机的轴压、工作油压、振动烈度、定子温度等参数；除尘本体仓室中喷吹电磁阀、料位状态、振打等状态，除尘仓室压差。设备的运行状态用不同的颜色来区分，过程的测控参数同时显示于相应位置。设计多幅画面来表示不同的生产工序，鼠标切换显示流程中的总貌与细节。故障时，声光报警，报警栏闪烁报警故障，并将故障位置、时间、记录到后台数据库中以供事后追忆与分析。故障确认后，声音和频闪画面可手动解除，但画面继续保持。
2．3参数历史记录
瞬时记录和历史记录曲线和报表，对重要的工艺参数进行数据保存，以便生产调试和事故分析，查询。
2．4系统安全管理
为防止非法用户使用操作计算机和工作人员退出系统等违纪操作，保证整个监控系统的安全，对不同用户设计相应的级别和口令。本系统采用的用户管理功能：普通用户、高级用户、超级用户3种级别，对应的用户操作权限不同。用户只能在超级用户赋予的操作权限范围内操作，从而加强了系统的安全性和可靠性。
2．5报表打印功能
为了察看生产状态，减轻操作人员工作量，设计自动报表系统。利用VisualBasic语言，从Sql数据库中读取数server据，自动生成报表并打印，打印方式分以下几种：①定时打印：可定时打印T／R运行表、定时时间可以设定；②用户打印：用户可自定义打印当前或者历史报表；③报警打印：当T／R发生故障时，自动记录讯发生故障的时间、故障类型及故障发生时的运行参数。
3 系统软件设计
本系统主要是基于施耐德公司的MonitorProV7-2工控组态软件构建，通过该软件的服务器SERVER端和下位PLC利用工业以太网，采用TCP／IP协议进行通讯，通过客户端CLIENT使用户进行方便的人机界面操作。
3．1MonitorProV7．2介绍
MonitorProV7．2是施耐德公司开发的一种工业组态软件，旨在优化生产管理过程。在各种领域——自动化行业、农业综合部门、水处理等，该软件都可以提供信息管理和处理方面的最佳技术。由于其模块化的设计方法，可根据应用程序的要求来进行定制。其界面友好、结构灵活，可以方便地根据用户要求来量身定制。用户可以快速地创建自己的用户界面，增加远程维护功能，执行更多的操作。
3．2工业以太网简介
以太网是由美国Xerox公司于1975年推出的一种局域网。目前，由于因特网和工业以太网采用统一通讯协议——TCP／IP，以太网具有实时性、稳定性与通用性比较强的优势，因此也不仅用于人机接口层、企业信息系统层外，也逐渐用于I／O层和人机接口层，享有“e网到底”的美誉。尽管具有所有网络的固有弊端，如通信的实时性、确定性的问题，鲁棒性和抗干扰能力的问题，但是综合其利弊还是广泛应用于工业现场中。
3.3系统监控的显示设计
虽然监控中的显示部分相对简单，但为了达到画面简洁明了，标签使用少，方便管理和维护的目的，采用了把相近或相同的设备用数组来定义，对这一类设备用一个标签名并可代替，并且对系统中数量最多的数字量的定义，没有采用逐一定义的方法，而是利用模拟量的二进制的每个位来定义多个数字量的0，1变化，从而大大减少了烦琐的标签定义过程。
3．4冗余服务器的设计与实现
现场要求系统无故障连续运行，这就需要一个主服务器，一个从服务器（后备服务器）进行冗余服务器运行。这需要两个完全相同的服务器工作，主从服务器进行配置并支持主／从服务器的仲裁，实时数据、数据库记录、系统报警同步。现场Client同时连接到两个服务器中，当任何一个服务器故障时，在10ms时间切换到另一个服务器中，这样不影响现场系统的实时运行，从而达到无故障安全运行的目的。
3．5网络中的诱导延迟解决
由于系统中的点数较多，距离较远，而且由于网络固有的特性有数据延迟的问题，造成系统不稳定性的增加，现在比较常用的是冲突碎片屏蔽的方法和时延补偿的方法，考虑到网络诱导延迟的原因是数据包排队等待延迟、信息产生延迟、传输延迟。采用触发的方式要求数据传输以减少数据等待时间，从而减少延迟。
一般传输分两种触发方式：电平触发和脉冲触发。不同的触发方式，有着不同的优缺点：①电平触发：电平触发是在当信号变成高电平或低电平的时候触发，所以它的抗干扰能力不强。而且它有结构简单，触发速度快的特点。但它的缺点是容易造成空翻。②脉冲触发：脉冲触发是在信号变成高电平的上升沿进行触发， 它的输出仅仅决定边沿时刻的输入 ，所以抗干扰能力强，不会造成空翻。
3．6报警点设计中的一种算法
在系统故障发生点和报警的设计中，由于涉及到一些阀门的联动，所以设计了专门的算法，以达到正常和正确报警的目的。现以除尘器脉冲阀和提升阀的联动，联锁关系为例，进行说明：清灰时，先关闭该清灰仓的提升阀，即该仓的提升阀通电工作。然后逐一的接通该仓的12个喷吹脉冲阀，压缩空气经脉冲阀和喷吹管向滤袋内喷射，使附在滤袋外的过滤粉尘脱落，清灰仓的12个脉冲阀喷吹完毕后，打开该仓提升阀，恢复过滤状态。由于阀门的开／关是典型的数字量0／1切换，而且阀门较多，根据用一个模拟量的二进制的每个位来定义多个数字量的方法，一个仓中1个提升阀对应12个脉冲阀和12个喷嘴，定义为一个模拟量me，其二进制数的第1位到第12位分别代表着12个脉冲阀的状态。
报警规则为：当除尘仓提升阀和脉冲阀都正常工作时（即都显示绿色时），则除尘仓中的对应喷嘴才能工作正常（显示为绿色，为1）。只要有任意一个出现故障（除尘仓提升阀或任一脉冲阀），则除尘仓中的对应喷嘴不能正常工作（显示为红色，为0）。为实现此规则，采用二进制的位操作，mc代表12个脉冲阀的开／关状态，所以，对每个脉冲阀的状态位进行与操作，再和提升阀状态进行与操作，当提升阀状态ts和脉冲阀状态me<x>都为I时，喷嘴pz<x>的状态就输出1；提升阀状态ts和脉冲阀状态mc<x>有一个不为1，则喷嘴pz<x>的状态就输出就为0。这样，这种算法即实现了上面所述的报警规则，又实现了脉冲阀和提升阀的联锁，联动关系。提高了系统的稳定性和准确性，保证了整个系统的正常运行。
4 系统的特点
（1）系统人机界面选用MP7软件进行设计开发，界面友好，画面形象直观，操作方便灵活。
（2）利用声光报警，能及时通知相关人员，以减少或避免事故的发生和扩大，并形成记录以供查阅。
（3）生产运行中的主要工艺参数在硬盘中均有记录，并生成生产报表，以便分析归档。
（4）系统可扩展性好，增建的工艺也可纳入本系统中，再选配相应软硬件资源可实现总调度室微机联网。
5 结束语
综上所述，我们通过对布袋除尘器和施耐德组态软件MP7的叙述，对整个系统的软硬件的配置和设计有了进一步了解，采用MP7工控组态软件，采用工业以太网，利用TCP／IP协议，实现了PLC与上位监控系统之间的实时数据传递，保证了管理人员和生产人员需求的实时数据，而且减少了原有数据传递失真现象，保障了机组经济运行，提高了生产率，减少人员浪费，从而提高了工厂效益。
参考文献：
【1】1向晓冬．现代除尘理论与技术【M】．北京：冶金工业出版社，2002．10-60．
【2】黄志峰．VisualBasic高级编程实例精解【M】．北京：国防工业出版社，2001．1-150．
【3】李代平，章文冲文SQLServer2000数据库应用开发.北京：冶金工业出版社，2002．105-200．
【4】王常力，罗安．分布式控制系统（DCS）设计与应用实例[1棚．北京：电子工业出版社，2004．11-140．
【5】李伟．基于以太的IP组网技术【M】．成都：西南交通大学出版社，2004．135-145．