一種智能槽控的製造方法
2023-04-29 02:52:51 2
專利名稱:一種智能槽控的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種智能槽控機，包括CPU晶片、顯示觸控螢幕、電源電路、復位電路、兩個PLD接口晶片、AD採集電路、DA輸出電路、開關量輸入輸出接口電路、輸入輸出保護電路、輸入輸出隔離電路，所述顯示觸控螢幕、電源電路、復位電路、兩個PLD接口晶片均與CPU晶片連接，所述AD採集電路、DA輸出電路、開關量輸入輸出接口電路均與PLD接口晶片連接，且AD採集電路、DA輸出電路均串接有輸入輸出保護電路，所述開關量輸入輸出接口電路，輸入輸出保護電路均與輸入輸出隔離電路連接。
【專利說明】一種智能槽控機
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種自動控制領域，具體為一種智能槽控機。
【背景技術】
[0002]槽控機是鋁電解槽自控系統的主體部分。由於鋁電解是連續進行的，鋁電解的車間環境現場的條件相對惡劣得多，因此，鋁電解控制系統必定是具備實時控制功能的高可靠性系統，並且作為控制系統的核心部件——槽控機，理所當然地應能適應特殊應用場合的環境要求。
[0003]另外，槽控機控制軟體必須滿足電解槽控制的要求，其主要功能是實時採集槽電壓和系列電流等現場信號及各種手動操作命令，包括槽溫、打殼反饋、下料反饋；根據電解槽的實際生產狀況，控制電解槽的陽極移動和氧化鋁和氟化鹽的下料；實現自動調節和控制電解槽的能量平衡與物料平衡；並配合上位機實現智能控制系統的關鍵參數修改，使電解生產保持在高效平穩的狀態。所以槽控機硬體與軟體要統一考慮，硬體在滿足使用方便、可靠地基礎上，儘可能地實現軟體模塊的多種需求。
[0004]然而，現有的鋁電解槽自焙槽生產系列上使用的自控系統普遍為「大板結構」槽控機，是將控制系統的主體控制電路集成在一塊「大板」上，並與其它的面板電路、輸出電路等電路板連接在一起，構成控制系統的硬體電路，並將軟體功能固化在硬體系統的ROM上的鋁電解槽自控系統。因其非標的硬體結構和較弱的軟體二次開發功能，已不能滿足現代鋁電解工藝對自控技術要求精細化控制的需求。另外，「大板結構」槽控機系統，軟體普遍採用C、VC、或彙編語言軟體編程，在PC上運行實時控制算法，編程工作量大、可靠性低、風險大。使用企業如需二次開發，一是需生產廠家開放原有的編程原始碼，二是軟體編程需具有相對應軟體的編程人員才可能修改，同時還需同步開發上位機對應的通訊應用程式，軟體二次開發的難度較大。
[0005]同時硬體上由於未按工業用標準PLC系統生產，致使硬體接口、通訊等差異較大，與其它系統對接的技術要求較高，且硬體故障率相對較高。如中國專利202369664U公開的「一種分布式鋁電解槽控制機」；中國專利2787682公開了 「鋁電解槽控機的邏輯控制電路板結構」都存在以上問題。
實用新型內容
[0006]本實用新型針對現有技術存在的技術問題:提出一種可靠性、可擴展性和兼容性都很好的一種智能槽控機。
[0007]本實用新型所採用的技術方案為:一種智能槽控機，包括CPU晶片、顯示觸控螢幕、電源電路、復位電路、兩個PLD接口晶片、AD採集電路、DA輸出電路、開關量輸入輸出接口電路、輸入輸出保護電路、輸入輸出隔離電路，所述顯示觸控螢幕、電源電路、復位電路、兩個PLD接口晶片均與CPU晶片連接，所述AD採集電路、DA輸出電路、開關量輸入輸出接口電路均與PLD接口晶片連接，且AD採集電路、DA輸出電路均串接有輸入輸出保護電路，所述開關量輸入輸出接口電路，輸入輸出保護電路均與輸入輸出隔離電路連接。
[0008]根據上述方案可以看出本實用具有如下優點:本實用新型通過在原有「大板結構」槽控機基礎上將硬體和軟體按PLC架構進行製造和配置，硬體上安全按照工業用PLC (可編程控制器)的標準製造，軟體上將PLC的編程環境嵌入到槽控機的系統之中，並將電解槽控制的專用模塊作為子程序固化寫入，而開發的全新鋁電解槽用控制系統。由於採用PLC標準製作，硬體的電氣性能、通訊接口、以及軟體編程等全部標準化，完全為PLC體系，硬體上可按標準PLC與系統相連接，軟體上可連接標準的「組態軟體」，如AB、西門子、組態王、以及觸控螢幕等。本系統編程可使用標準的梯形圖、功能塊、及語句的編程方式。硬體上大大提高了集成度，軟體上編程簡單方便、運算功能更強大，軟體編程無需了解已有的編程模塊細節，只是在現有的基礎上增加新的軟體功能即可。與「大板結構」槽控機相比，在提高硬體和軟體質量方面作了更精心的設計。硬體為標準化的工業可編程控制器，與第三方系統接口容易，二次開發相對方便，硬體在針對電解槽控制需求作了專門設計，不但滿足電解車間特有的強磁場，粉塵大的使用需求，輸入輸出也作了特別的處理，抗幹擾能力強，可靠性高；軟體則嵌入了 PLC的編程方式，更嵌入了專用的控制模塊和先進控制算法，自動化程度更高，控制系統二次開發更方便、實用，既滿足了電解槽控制系統作為獨立系統控制的功能要求，有解決了作為分散集控系統使用「管控一體化」需求，硬體質量為電解槽控制體系提供了保證。
[0009]具有以下主要技術特點和有益效果:
[0010](I)標準PLC體系:採用標準PLC軟體和硬體體系，支持標準的RS232、RS485和CANBUS通訊，支持O — 10VDC和4 一 20mADC標準信號接入，支持標準的梯形圖和組態化編程方式；編程效率提高30%以上。
[0011](2)可靠性高:嵌入式PLC軟體平臺成熟、穩定、可靠。硬體為標準PLC結構，滿足CE標準，防幹擾能力強、可靠性高、故障率低，為免維護設計；平均故障停機檢修率低於0.02次/臺.年，僅為「大板式」槽控機平均故障率的1%左右。
[0012](3)在線編程:嵌入式PLC採用梯形圖、功能塊和語言編程，能在線編程和下載程序，可方便響應用戶提出工藝改進、生產試驗的特殊要求，實現個性化控制。
[0013](3)真正分布式控制:能通過觸控螢幕現場修改控制參數(需有相應權限);能顯示實時數據、狀態信息、故障信息等並能現場查詢電壓、電流等相關數據的實時和歷史曲線；脫離上位機時仍能選擇和切換控制策略與參數，並可安全獨立運行，實現真正的分布式控制。
[0014](4)人性化設計:採用圖形化的顯示方式，直觀明了。人機界面顯示更加智能化，操作人員不需死記硬背複雜的組合按鍵含義和故障碼信息即可操作；顯示內容可自動跟隨槽況，不需人工幹預可直接顯示當前槽況的相關參數。可自動顯示效應時、和特殊工藝操作時的系統主要參數和狀態。
[0015](5)完善的保護功能:軟體保護、硬體邏輯保護和硬體動力迴路保護組成三級保護體系，有限時、限幅、限位和防硬體故障等多種保護方式。操作界面進行防誤操作設計，安全性提聞;
[0016](6)開放式系統:方便接入第三方槽控輔助系統，如陽極導杆電流分布傳感器、槽殼溫度測量傳感器、爐底壓降測量傳感器、母線接地報警系統、天車出鋁系統等用於輔助槽況測量、分析系統。方便與管控一體化系統實現互聯。
[0017]PLC以其高可靠性，在解決好了邏輯控制的同時，加強過程控制的功能，並增加了大量的先進控制模塊，其應用範圍向上擠佔DCS的市場，向下覆蓋了部分嵌入式單片機應用市場。PLC的現場總線功能、支持人機界面及易學易用的梯形圖語言，讓工廠電工都易於接受。但由於通用PLC中沒有任何可使用的「槽控模塊」，槽控軟體系統必須全新開發，由於槽控機是一個與工藝結合非常強的控制系統，通用PLC同樣難以勝任。
[0018]作為優選，CPU為嵌入式CPU。
[0019]作為優選，所述智能槽控機還包括乙太網接口、CAN BUS接口、RS485和RS232接口，所述乙太網接口、CAN BUS接口、RS485和RS232接口與系統接口晶片連接，均可PLC編程控制。
[0020]作為優選，使用了觸控螢幕代替了傳統的參數顯示和顯示切換、以及增加的控制操作。
[0021]作為優選，使用了標準PLC結構、以及標準PLC編程、具有PLC架構的分散集控性槽控機。
【附圖說明】
[0022]圖1是本實用新型系統硬體框圖。
[0023]圖2是本實用新型軟體系統框圖。
[0024]圖3是本實用新型控制軟體模塊框圖。
[0025]圖4是本實用新型編譯過程對比圖。
[0026]圖5是本實用新型系統硬體接口框圖。
[0027]圖6是本實用新型嵌入式PLC結構智能槽控機內部結構示意圖。
[0028]圖7是本實用新型嵌入式PLC結構智能槽控機組成的鋁電解生產智能監控系統示意圖。
【具體實施方式】
[0029]本實施例所述的電解槽用嵌入式PLC智能槽控機是將傳統控制軟體嵌入到PLC控制系統之中，是建立在智能槽控機技術、和PLC技術之上的控制系統，使硬體、軟體滿足PLC標準，同時集成了電解槽專用模塊的控制系統。是傳統槽控機、與PLC控制系統的集成體。通過將原「大板式」結構改為標準PLC結構，原輸入、輸出接口改為標準PLC接口，並將標準PLC軟體系統嵌入系統軟體之中。針對電解鋁廠使用槽控的特殊環境，將槽控系統硬體作相應的處理。而軟體設計採用結構化設計的方法，分為三個層次，B1S控制層、PLC系統功能層、以及用戶應用程式層。其原則是:自上而下，逐步細化，模塊化，結構化編程。軟體設計從底層開始逐步細化，每層都由若干個模塊組成，程序採用結構化編程。在應用程式層可直接調用控制層和功能層、以及本層的計算和控制等各種模塊，最終方便、可靠地實現電解槽的分布式的管理與控制。本實用新型基於嵌入式技術和開源的Linux作業系統，對智能槽控機的硬體平臺、人機界面、軟體編程技術提出設計和解決方案。
[0030]下面，結合附圖進一步詳細說明:
[0031]圖1所示為系統硬體框圖。主電路採用嵌入式結構，使用ARM晶片作為CPU核心晶片，擴展ROM與RAM，利用嵌入式技術，將標準的PLC軟體作業系統嵌入槽控機系統，並使用可編輯邏輯器件EPLD簡化硬體結構和將標準軟體功能硬體固化(固定性的簡單功能);通訊方面，採用先進的CANBUS網絡等核心晶片與成熟的485晶片嵌入系統，形成標準的PLC編程和標準通用接口，增加標準的485與232接口，使用觸控螢幕代替數碼管加指示燈的顯示方式，以及代替傳統的按鍵。由於嵌入式PLC採用模塊化設計，具有標準PLC的軟體、硬體體系，支持標準的RS232、RS485和CANBUS通訊，支持標準PLC的梯形圖、指令表和功能塊編程方式，能在線修改、下載程序。人機界面採用標準工業觸控螢幕，採用組態化編程方式，有標準乙太網接口和RS485/232接口。
[0032]另外，在系統的設計中，使用可編程邏輯器件(EPLD)以實現系統的部分電路功能和邏輯部分的保護功能，利用EPLD硬體電路「軟體化的顯著特點簡化硬體電路，並將專用的「軟體」功能硬體化，如「三相交流電」的缺項及反向判斷等，特定邏輯控制功能在日後還可以通過修改EPLD晶片程序來更改，同時還使用EPLD將系統的特殊軟體進行了加密，使得用戶的「高級模塊」在PLC編程完全開放的情況下得到保護。
[0033]圖2所示軟體系統框圖:由於智能槽控機的PLC系統軟體設計是槽控機系統實現的關鍵難點，因此，設計的優劣直接關係到系統的穩定性、可移植性、可擴展性。通過系統嵌入式軟體、可編程邏輯器件，將系統軟體分為三層結構，第一層:為系統的核心層，即作業系統層，使用Linux系統，利用Linux內核高效穩定、公開原始碼、可移植性、可裁減、支持多任務等特點，實現對嵌入式PLC的移植、裁剪。此層主要實現固化PLC系統、及部分特定的通訊、接口等模塊，PLC槽控系統的快速啟動、自檢、輸入輸出接口基本處理和電源、時鐘、以及掉電保護等管理等。此層在出廠前固化，只能返廠改動;第二層:為系統的服務功能層，處理PLC程序用戶接口、中間件系統以及嵌入式人機互動接口，支持PLC程序下載、加密與運行、嵌入式數據服務等，以及固化槽控軟體計算模塊。主要固化系統的「特定模塊」，如出鋁模塊、換極模塊、抬母線模塊、單點下料模塊、以及部分其他先進控制模塊等，以及各類硬體邏輯層面上的限時、限幅、限位保護模塊；此層在出廠前固化，但可在離線情況下修改，一般不對外開放，是自有智慧財產權模塊的保護層；第三層:為系統的應用層，實現槽控機的編程功能及其他應用等，主要放置用戶應用程式，並對用戶完全開放，通過此層用戶可調用第一層、第二層、以及本層的軟體。
[0034]圖3所示為控制軟體模塊框圖。軟體引入的部分標準軟體作為「軟體模塊」固化在系統中，如陽極升降保護、工藝操作等軟體。不僅能實現接觸器粘連、接觸器不吸、升降接觸器互鎖、電源缺相、反序等故障的防護和脫扣器故障監視。硬體邏輯保護和軟體保護、硬體動力迴路保護組成三級保護體系，確保陽極升降安全、可靠。應用系統可通過EPLC編程，直接調用系統中的軟體模塊。而且能將成熟的電解槽控制軟體寫入到應用之中，還可以將用戶的新工藝、新思路、新改進放入PLC下的用戶的編程模塊中，實現用戶的新措施。支持模塊的增補和PLC的軟體高效編程，更適合電解槽的控制功能擴展。因此，需要搭建系統編程環境和準備功能層軟體開發
[0035]搭建系統編程環境:一般的Linux程序開發都是以本地的方式進行開發與調試，程序的運行場地就是開發所用的計算機。這種方式不適合嵌入式系統的開發，因為嵌入式系統本身資源有限，不能運行開發與調試工具，沒有自主開發能力。所以嵌入式Linux程序開發一般採用交叉編譯的方式，在宿主機上(通常是P C )開發並編譯程序，將結果下載到目標板上運行。開發與運行的環境不同，需要交叉編譯是嵌入式系統開發的主要特點之一。由於宿主機與目標機的C P U—般不相同，宿主機一般為I n t e I X 8 6體系，而目標機為A RM體系結構，所以在宿主機開發編譯程序時需要使用交叉編譯工具包。開發時使用宿主機上的交叉編譯、彙編及連結工具將應用程式轉換生成與硬體C P U特徵有關的只能在目標機上執行的二進位代碼，然後將此可執行文件下載到目標機上運行，開發時以上步驟交替結合進行。本文使用Windows下的超級終端,通過串口與目標機相連接，同時啟用乙太網口連接方便調試。編譯器選擇Linux下的自由軟體GNUGCC，它是Qt程序推薦的編譯工具，可以完成幾乎所有知名C P U的交叉編譯及調試。Q t的一個重要特點就是它的跨平臺特性，所有的Q t庫函數都有Windows和Linux版本,用戶所寫的應用程式基本不需要改動就能夠在Linux和W i n d O w平臺移植運行。
[0036]準備功能層軟體開發:硬體平臺及底層的軟體開發基本完成後，可以開始準備應用層及功能層的軟體設計開發了。由於大多PLC平臺是在C系列軟體的基礎上開發的，將PLC平臺軟體通過交叉編譯及調試，下載到A RM的硬體中，在A RM的Linux平臺運行即可。另外電解控制模塊的開發，原有模塊是在C51下開發的，直接將在P C.Window平臺上編程並測試，然後將完成的模塊嵌入主程序，移植到A RM.Linux平臺下即可。得益於Q t的平臺移植的良好特性，本文所要編寫的大量應用程式模塊不需要考慮太多就能達到程序與硬體平臺的無關性，同時在P C和Linux上運行。所有程序在編寫時不調用平臺特有函數，用純C/ C ++及Q t庫完成，以減少硬體平臺的不同帶來的影響，減小軟體開發工作量。
[0037]嵌入式PLC又稱客制式PLC，是將PLC的梯形圖語言作為一種支持工藝過程編程的嵌入式實時作業系統移植到特定的硬體上，設計出客戶特定功能的專用PLC。嵌入式PLC的設計方法是根據客戶需求，規劃硬體結構(如I/O、ΑΙ/Α0等)加載嵌入式PLC內核，在關聯的二次開發環境(內核開發方提供)中編寫接口驅動程序。嵌入式PLC的應用包括:①傳統的PLC如標準I/O型PLC設計②單片機嵌入板設計在嵌入板中加載嵌入式PLC內核及驅動程序用梯形圖語言編寫工藝過程控制。
[0038]本實施例使用的嵌入式PLC軟體為EASY-V1.00，嵌入式PLC軟體的擴展能力體現在擴展接口及協議的開放性上。世界上各家的PLC生產商都有現場總線接口，如三菱的CC一Link,西門子的Profibus等。之所以選擇了 CANbus,—是中國的現場總線標準是DeviceNet (CANbus是其底層協議),二是CANbus在中國工控市場上已形成事實標準。嵌入式PLC軟體的網絡互連能力體現在嵌入式Web伺服器上，其深度裁剪TCP/IP協議(僅運行TCP/IP、ICMP ARP)，在遠程端加載專用瀏覽器後，即可實現遠程監控。嵌入式PLC軟體提供的硬實時體現在用戶定製中斷系統幹預內核任務調度機制，實現高速實時控制系統要求(如步進驅動，可控矽移相觸發等)上。
[0039]EASY-V1.00嵌入式PLC軟體，具備以下功能:
[0040]1、支持三菱、臺達等多家人機界面
[0041]2、支持梯形圖編程(86條指令)
[0042]3、支持CANbus互連(多機並聯運行或擴展單元連接)
[0043]4、支持第三方開發擴展單元的接線
[0044]5、提供硬實時，用戶嵌入接口
[0045]EASY-V1.00嵌入式PLC軟體，為單片機嵌入設計提供了一個全新的設計方法，設計人員更多地關注接口及可靠性，而將用戶工藝交給梯形圖語言，僅需數數I/O 口數量，畫畫PCB板，就可快速推出產品。EASY-V1.0O嵌入式PLC軟體，將改變國產PLC設計格局，使PLC生產廠家能快速設計出貼近終端市場的PLC，即嵌入式PLC，也可更形象地稱為客制式PLC (為客戶定製的PLC)。
[0046]圖4所不為傳統和PLC編程對比圖。傳統編程米用C語目、彙編語目編譯,需要尚線下載、固化，存在複雜、難度大使用不方便的問題；而PLC編程採用梯形圖、功能塊、語句編譯，可在線下載、修改，具有編程方式簡單靈活、使用方便的特點。
[0047]圖5所示為系統硬體接口框圖
[0048]圖6所示為嵌入式PLC結構智能槽控機結構示意圖:智能槽控機結構在外觀上採用壁掛式，分左右兩個獨立箱體，左邊為動力箱體，右邊為邏輯箱體。動力箱體主要由主電源開關、控制開關、交流接觸器、槽壓表、動力檢測PLC模塊、控制按鈕等部分組成。控制箱體槽控機的控制核心，主要由二個嵌入式PLC模塊、人機界面(觸控螢幕)組成。二個嵌入式PLC模塊之間通過RS485通訊，PLC模塊與觸控螢幕之間通過RS232通訊，PLC模塊與上位機通過CANBUS通訊。
[0049]圖7所示為嵌入式PLC結構智能槽控機組成的鋁電解生產智能監控系統。以PLC結構智能槽控機為主要設備構成的NEUTL鋁電解智能控制系統採用「區域網一生產監控一槽控機」三級網絡分布式控制結構，控制系統由安裝在電解生產現場的智能槽控機(直接控制級)，和安裝在計算機站的管理機(生產監控管理級)以及安裝在電解車間的工區工作站組成。每個區內的智能槽控機採用CANBUS連接，每個區的CANBUS在車間內轉為乙太網並進行光電轉換，通過光纖與位於控制室的監控管理機相連接，光纖使用乙太網的通訊協議進行傳輸。整流所送來的系列電流信號和系列電壓信號(4一20mA)在通訊接口箱進行轉換，系列電流信號轉換為頻率信號通過電流總線送到各槽控機，系列電壓由嵌入式PLC採集後通過CANBUS通訊接入上位機。
[0050]電解工經過簡單介紹和培訓即可適應並熟悉這種具有可視化的人機操作界面。通過觸控螢幕及時查看完整的電解槽信息，並能現場查詢實時和歷史曲線，現場查詢和修改參數(修改需權限)，有異常情況及時處理，真正做到的了獨立分布式控制，充分發揮了電解工的主動性。改變了以前「大板式」槽控機過分依賴上位機，電解工對電解槽槽況了解太少，一旦槽控通訊異常，槽控只能維持當前控制參數不變，且不能及時了解詳細的槽況數據信息，延誤時機造成槽子惡化。當發生異常時，智能槽控機直接顯示異常情況的詳細信息，並通過分析直接顯示異常原因和處理方法，指示相關人員快速處理，實現了真正的智能化。
[0051]可以理解的是，以上關於本實用新型的具體描述，僅用於說明本實用新型而並非受限於本實用新型實施例所描述的技術方案，本領域的普通技術人員應當理解，仍然可以對本實用新型進行修改或等同替換，以達到相同的技術效果；只要滿足使用需要，都在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種智能槽控機，包括CPU晶片、顯示觸控螢幕、電源電路、復位電路、兩個PLD接口晶片、AD採集電路、DA輸出電路、開關量輸入輸出接口電路、輸入輸出保護電路、輸入輸出隔離電路，所述顯示觸控螢幕、電源電路、復位電路、兩個PLD接口晶片均與CPU晶片連接，所述AD採集電路、DA輸出電路、開關量輸入輸出接口電路均與PLD接口晶片連接，且AD採集電路、DA輸出電路均串接有輸入輸出保護電路，所述開關量輸入輸出接口電路，輸入輸出保護電路均與輸入輸出隔尚電路連接。2.根據權利要求1所述的智能槽控機，其特徵在於:CPU為嵌入式CPU。3.根據權利要求1所述的智能槽控機，其特徵在於:所述智能槽控機還包括乙太網接口、CAN BUS 接口、RS485 和 RS232 接口，所述乙太網接口、CAN BUS 接口、RS485 和 RS232 接口與系統接口晶片連接，均可PLC編程控制。4.根據權利要求1所述的智能槽控機，其特徵在於:使用了觸控螢幕代替了傳統的參數顯示和顯示切換、以及增加的控制操作。5.根據權利要求1所述的智能槽控機，其特徵在於:使用了標準PLC結構、以及標準PLC編程、具有PLC架構的分散集控性槽控機。
【文檔編號】C25C3-20GK204281875SQ201420638884
【發明者】王德全, 魏清漢, 王振偉, 王煒峰 [申請人]河南科達東大國際工程有限公司