高爐槽下配、上料仿真裝置的製作方法

2023-06-01 12:36:21

專利名稱：高爐槽下配、上料仿真裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及工業控制模擬領域，特別是涉及一種高爐槽下配、上料仿真裝置。
技術背景大型高爐槽下配、上料系統設備眾多，狀態複雜，卻也是高爐自動化的核心環節，其 能否穩定高效地運行，直接影響到整個高爐的生產效率和經濟效益。眼下，在工控領域， 均通過可編程邏輯控制器(PLC)實現對該系統的基礎自動化控制，由操作人員通過操作 站進行操作，而PLC控制系統的調試都是通過現場設備進行空載試車和熱負荷試車。但高 爐生產的特殊性決定了該系統在點火前無法帶料試車，也無法對操作人員進行實際生產操 作的培訓，並且一旦高爐點火，就必須確保整個系統穩定高效地運行。這種固有的矛盾往 往影響了高爐的順利投產和迅速達產。在國內最近新建的幾座高爐工程中，對操作人員的 培訓， 一般是將操作人員送到其它同類高爐學習操作，這往往需要將大量人員送到外地進 行長達數月的培訓，並且即使是同類高爐其運行操作方式也不完全相同。目前，各大PLC供貨商基本上提供的主要是在PC機上對PLC本體包括CPU和存儲器 的運行進行仿真，因為不能對外部工藝設備的電氣特性和整個工藝過程進行仿真，其防真 過程需要通過不斷進行人工強制發出輸入信號來模擬工藝設備的狀態，無法用於複雜、龐 大的工藝系統。 發明內容本實用新型所要解決的技術問題是針對上述大型高爐槽下配、上料控制系統存在的 問題，提供一種高爐槽下配、上料仿真裝置，該裝置不需要實際的高爐槽下工藝設備，不 需任何人工幹預，即可模擬高爐槽下配、上料系統各種工藝設備的運行特性，及整個系統 運行的各種狀態，以便用來測試PLC控制程序和培訓操作人員。本實用新型解決其技術問題採用的技術方案是包括可編程控制器PLC、工業控制用計算機即工控機、0SM即光學交換機模板，PLC設有CPU模塊、輸入輸出模塊、通訊模塊。 輸入輸出模塊作為遠程10，通過現場總線與CPU模塊相連。通訊模塊和工控機，通過0SM 連接在整個高爐的工業擬太網一高爐環網上。CPU模塊內固化有"虛擬裝置"。 本實用新型與現有技術相比，具有以下主要的優點其一.結合人機界面，能夠實現對完整系統包括PLC本體、外部物理工藝設備以及人 機界面三位一體的仿真，具有實時性、全面性、可擴展性。其二.固化在CPU內的"虛擬裝置"可以自動模擬工藝設備運行特性，不需要任何人工幹預。可對料流運行狀況及整個系統在各種工礦下的複雜狀態進行仿真。其三.操作站提供對仿真過程進行監控和操作，監控和操作的方式和實際生產時完全
相同。為操作人員提供方便、適用的培訓和練習。其四.CPU內的跟蹤功能塊可自動對配料狀態和料流在上料系統皮帶上的運行情況進 行檢測，跟蹤每批料頭、料尾所在位置，檢驗系統的運行是否符合工況要求。如有異常， 能夠在操作站上及時報警，指出故障類型，並顯示出故障發生的位置。其五.能夠模擬各種設備的各種故障，檢測PLC系統控制程序和操作人員對各種故障 的處理方式是否達到最優。其六.提供兩種仿真模式，"測試模式"和"培訓模式"。"測試模式"用於測試PLC 系統控制程序是否在各種工礦情況下都能滿足高爐的要求，從而解決槽下配、上料控制系 統無法帶負荷試車的問題。"培訓模式"用於操作人員的培訓，操作人員可通過操作站熟 悉工藝過程和操作方式。CPU內的功能塊可模擬各種工礦，檢測操作人員的是否正確，並 通過操作站對其進行提示和評分。

圖1是本實用新型的結構示意圖。
具體實施方式
本實用新型的結構如圖l所示包括可編程控制器PLC、工控機即工業控制用計算機4、 0SM即光學交換機模板6。 PLC設有CPU模塊1、輸入輸出模塊2、通訊模塊3，它們 裝在PLC櫃7內。輸入、輸出模塊2作為遠程10，通過現場總線與CPU模塊1相連。通 訊模塊3和工控機，通過OSM連接在整個高爐的工業擬太網一高爐環網5上。CPU模塊內 固化有"虛擬裝置"。上述工控機作為操作站，具有實現操作和監控功能。上述通訊模塊通過TCP/ IP協議或ISO協議訪問安裝於工控機上的OPC伺服器，同樣 安裝於工控機上操作站也訪問OPC伺服器，從而實現PLC和操作站的數據交換。OPC( Object linking and embedding for process control)為用於過程控制的對象連結禾口嵌入協議。上述"虛擬裝置"為虛擬的現場的工藝設備，例如為虛擬的低壓電機驅動的皮帶和 虛擬的四臺高壓電機驅動的主皮帶，為虛擬的給料機和虛擬的震動篩，為虛擬的稱量鬥閘 門和虛擬的稱量裝置，等等。其以功能塊的形式固化在PLC的CPU模塊內，可模擬各種工 藝設備的電氣及運行特性，對控制系統發出的各種指令作出反饋；但對各工藝設備的控制 仍由CPU完成。上述PLC可選用SIEMENS、施耐德、ABB等系列的PLC,其適用的編程軟體為 SIEMENS公司的step7、施耐德公司的CONCEPT等，均支持OPC伺服器。或者，依據 實際需要採用其它類型的的PLC和編程軟體，但該軟體需能夠支持OPC伺服器。上述工業控制用計算機4，用作操作站(HMI)和OPC伺服器，以及編程器。操作站 所採用的開發軟體可以是SIEMENS公司的WINCC、悉雅特公司的CITECT等；或者， 依據實際需要採用其它同類型的監控開發軟體。
仿真過程的監控、顯示和操作，與實際生產過程完全一樣，都是通過監控站對PLC進行訪 問。監控站和PLC之間的通信採用工業擬態網，協議採用TCP/ IP協議，或IS0協議。目前基本上所有的基於WINDOWS的軟體都支持OPC，而OPC Server的搭建既可以 通過現有的OPC軟體，也可以通過編程來實現。本裝置目前採用的PLC為SIEMENS S7系列，操作站為悉雅特公司的CITECT。 PLC 通過TCP/ IP協議和OPC APPLOICATION通訊，操作站以S7NT方式和OPC APPLOICATION 通訊建立通訊。高爐槽下配、上料仿真裝置的工作模式通過用PLC程式語言編制的程序建立被控對 象的電氣特性仿真模型和料流運行模型，構成電氣上的"虛擬裝置"。每種模型都被放在 相應的功能塊中。模型功能塊具有輸入管腳和輸出管腳，用於模擬物理設備接收基礎自動 化控制系統發出的指令，並向基礎自動化控制系統反饋信號。下面敘述本實用新型的仿真過程，但不限定本實用新型。目前被廣泛採用的基礎自動化控制系統工作模式通過用PLC程式語言編制的控制程 序，對PLC輸入模塊從現場採集來的輸入信號進行處理，程序運行後發出的指令，通過 PLC的輸出模塊驅動中間繼電器、接觸器動作，最終控制各設備的運行。本實用新型與目前被廣泛採用的基礎自動化控制系統工作模式不同，在仿真過程中， 基礎自動化系統程序發出的指令沒有通過PLC的輸出模塊驅動中間繼電器、接觸器，而是 傳給了相應構成"虛擬裝置"仿真模型功能塊的輸入管腳，即將信息傳給了仿真模型，在 仿真模型經過特定的處理後，根據"虛擬裝置"的電氣特性，通過仿真模型功能塊的輸出管腳發出反饋信號，並將其送至基礎自動化系統程序，用來模擬來自現場的各種信號。本 裝置具體工作歩驟如下1) 仿真模型模擬物理設備，給出初始化狀態；2) 基礎自動化系統程序運行，根據操作員從操作站發出的操作命令，經過程序處理 後，將PLC的輸出指令傳給仿真模型。3) 仿真模型收到PLC的輸出指令後，模擬物理設備的電氣特性，發出反饋信號給PLC。 仿真模型的建立根據工藝設備電氣特性，將工藝設備分為若干類，分別對每一類設備建立仿真模型，同時還需要建立料流等工藝過程的仿真模型。仿真模型能夠像真實的物 理設備 -樣接收基礎自動化系統程序發出的指令，並發出反饋信號，其反饋信號的數量、 意義同真實的物理設備完全一樣，並能發出故障信號，模擬物理設備可能發生的各種故障。 可通過以下方法建立仿真模型1.基於實際PLC控制器的實施方式採用實際PLC控制器參與仿真以最大限度的與實際工況相似。外部設備的仿真模塊 與PLC控制程序在統一環境下編輯。 一方面PLC與模擬的現場設備之間可以形成直連； 另一方面，PLC循環掃描並詢問現場設備狀態的工作機制也類似於實際工況。 監控站採用TCP/IP協議，或ISO協議協議和PLC集成環境連接(如STEP7+WINCC)， 監控站一方面可以顯示運行狀態使設計人員直觀的發現程序運行正確與否，另一方面可以 對現場設備的累積運行狀態進行統計分析，根據結果設計人員可以確定PLC控制程序是 否需要改動，另外，監控站還可以對一些隨機的電氣故障和非電氣故障進行模擬測試控制 程序能否識別。2.脫離實際PLC控制器的實施方式當沒有條件採用實際PLC控制器時可採用PLC供貨商提供的仿真軟體如PLCSIM在 編程器上對PLC本身的運行進行模擬。這些仿真軟體功能比較齊全，操作簡單，而且不 需要設計人員做二次開發工作。監控站上的人機界面(HMI)能夠直接連接大多數的實際PLC控制器。但是在採用 PLCSIM等軟體對PLC本體進行仿真時，受到仿真機制的約束，HMI無法建立和模擬PLC 之間的通訊。需要搭建OPC Server實現兩者之間的正常聯絡，而且，這種方式的普適性 非常好，只要PLC集成環境和HMI都支持OPC，就能實現兩者的正常通訊。
權利要求1.一種高爐槽下配、上料仿真裝置，其特徵是包括可編程控制器PLC、工業控制用計算機(4)即工控機、OSM即光學交換機模板(6)；PLC設有CPU模塊(1)、輸入輸出模塊(2)、通訊模塊(3)；輸入、輸出模塊(2)作為遠程I0，通過現場總線與CPU模塊(1)相連；通訊模塊(3)和工控機，通過OSM連接在整個高爐的工業擬太網一高爐環網(5)上；CPU模塊(1)內固化有「虛擬裝置」。
2. 根據權利要求1所述的高爐槽下配、上料仿真裝置，其特徵在於所述的虛擬裝 置為虛擬的現場的工藝設備。
3. 根據權利要求2所述的高爐槽下配、上料仿真裝置，其特徵在於所述的虛擬的現 場的工藝設備，其包括虛擬的低壓電機驅動的皮帶和虛擬的四臺高壓電機驅動的主皮帶。
4. 根據權利要求2所述的高爐槽下配、上料仿真裝置，其特徵在於所述的虛擬的現 場的工藝設備，其包括虛擬的給料機和虛擬的震動篩。
5. 根據權利要求2所述的高爐槽下配、上料仿真裝置，其特徵在於所述的虛擬的現 場的工藝設備，其包括虛擬的稱量鬥閘門和虛擬的稱量裝置。
專利摘要本實用新型是一種高爐槽下配、上料仿真裝置，其包括可編程控制器PLC、工控機，PLC設有CPU模塊(1)、輸入輸出模塊(2)、通訊模塊(3)和OSM即光學交換機模板(6)；輸入輸出模塊作為遠程IO，通過現場總線與CPU模塊相連；通訊模塊和工控機，通過OSM連接在整個高爐的工業擬太網一高爐環網(5)上；CPU模塊內固化有「虛擬裝置」。本實用新型能夠實現對完整系統包括PLC本體、外部物理工藝設備及人機界面三位一體的仿真；「虛擬裝置」可以自動模擬工藝設備運行特性，不需要任何人工幹預，可對料流運行狀況及整個系統在各種工礦下的複雜狀態進行仿真，以及為操作人員提供方便、適用的模擬培訓和練習。
文檔編號G09B25/02GK201041705SQ20062017269
公開日2008年3月26日 申請日期2006年12月28日 優先權日2006年12月28日
發明者盧家斌, 葉理德, 周衛東, 徐岸飛, 菁 趙, 陳申燏 申請人:中冶南方工程技術有限公司