以太網在布袋除塵系統中的研究與應用
摘要：通過對某煉鋼廠現有轉爐布袋除塵系統中的監控部分的調查與研究，發現其采用工業現場總線進行通訊，協議較多且不統一，如opc協議、modbus協議、modbusmodbusplus協議等。整個系統分7個部分，分散且距離較遠，不便于對系統進行有效分析和控制，所以除塵效率比較低下。針對此問題，采用施奈德Quantum系列Plc，Mp7工業監控軟件，將工業以太網作為現場數據的通訊通道，采用TCP-IP協議作為統一的通訊協議，進行集中監控，利用觸發方式對于事件進行激活，從而減少系統資源利用，有效減少網絡誘導延遲。通過系統的設計，提高了除塵效率，減少煙塵排放濃度，改善大氣環境質量。
關鍵詞：布袋除塵；網絡監控；工業以太網；冗余；延遲
0 引言
　　鋼鐵冶煉過程中產生的大量粉塵對操作人員的健康及環境造成極大的危害，而布袋除塵在除塵治理方面效果良好而被廣泛采用。濟南某鋼鐵廠雖然采用布袋除塵系統，但由于缺乏完善的除塵器監控系統，使得整個除塵器監控工作分布比較分散、仍處于人工狀態，導致除塵器除塵效率低下、系統故障維護實時性差、工作任務繁重、信息不全。故人員配備較多造成浪費。為此，建立一個高性能的除塵器監控系統非常必要。傳統采用vB或Vc++等高級語言編制監控系統，雖然有從底層開發，靈活性大的優點，但是有開發周期較長，系統可移植性差和擴充性差的缺點。針對此缺點，本系統采用施耐德（Schneider）公司研制的MonitorProV7．2工業控制組態軟件。
1 系統總體網絡拓撲結構
　　2群、3群轉爐除塵網絡監控系統由7套子系統組成，其中包括：輔原料除塵系統；混鐵爐除塵系統；1群轉爐二次除塵系統：一期LF除塵系統；鐵水預處理除塵系統；2、3轉爐二次除塵系統；二期LF二次除塵系統，如圖1所示。

　　7套子系統分屬7地，均有除塵電機和除塵本體、除塵清灰控制系統、除塵卸灰系統，除塵輸灰系統構成。上位機與現場采用電儀一體化（電氣、儀表共用）的施耐德PLC控制系統進行順序控制、連續控制構成I級基礎自動化系統。II級過程計算機由2套服務器互備系統組成，主要功能包括工藝技術計算、生產指導、過程監視、數據通信和生產報表等?，F場就近設置一個HMI組態人機界面分站。分站系統采用10M／100M工業以太網與上位機通訊?，F場分站分間距離比較遠，需另建立一個中央監控室。將7套子系統集中到一個監控室中來，數據采集到固定的服務器中，放置于SQL-server實時數據庫中，利用VisualBasic基本工具，自動進行報表的生成與打印功能，從而自動，實時地記錄現場運行、故障、曲線及人員值班情況。
　　電平的上升沿進行觸發，它的輸出僅僅決定邊沿時刻的輸入，所以抗干擾能力強，不會造成空翻。本系統中，由于設備比較復雜，要求不同，所以要針對各個不同的操作情況而選定不同的觸發方式。如一些數字量的翻轉操作中，則用電平觸發的方式就可完成所需操作；而對于設各的啟停這種比較重要的操作，則要用脈沖觸發，以確保其安全性和穩定性。
2 系統功能介紹
2．1設備起停操作
設備起停操作有現場、本地、集中操作3種方式。本地和集中全部采用鼠標或鍵盤方式進行。設備起停由計算機集中操作實現，起動前首先需要查詢本地操作柜是否已經給予操作權限，在權限給予的情況下方可進行操作，以防引起誤操作。設備單動或調試狀態下，可以對某一臺設備進行操作進行自動＼手動操作選擇、設備起?？刂撇僮?、清灰，輸灰方式選擇等。
2．2顯示與報警提示
　　顯示部分需要顯示除塵風機的軸壓、工作油壓、振動烈度、定子溫度等參數；除塵本體倉室中噴吹電磁閥、料位狀態、振打等狀態，除塵倉室壓差。設備的運行狀態用不同的顏色來區分，過程的測控參數同時顯示于相應位置。設計多幅畫面來表示不同的生產工序，鼠標切換顯示流程中的總貌與細節。故障時，聲光報警，報警欄閃爍報警故障，并將故障位置、時間、記錄到后臺數據庫中以供事后追憶與分析。故障確認后，聲音和頻閃畫面可手動解除，但畫面繼續保持。
2．3參數歷史記錄
　　瞬時記錄和歷史記錄曲線和報表，對重要的工藝參數進行數據保存，以便生產調試和事故分析，查詢。
2．4系統安全管理
　　為防止非法用戶使用操作計算機和工作人員退出系統等違紀操作，保證整個監控系統的安全，對不同用戶設計相應的級別和口令。本系統采用的用戶管理功能：普通用戶、高級用戶、超級用戶3種級別，對應的用戶操作權限不同。用戶只能在超級用戶賦予的操作權限范圍內操作，從而加強了系統的安全性和可靠性。
2．5報表打印功能
　　為了察看生產狀態，減輕操作人員工作量，設計自動報表系統。利用VisualBasic語言，從Sql數據庫中讀取數server據，自動生成報表并打印，打印方式分以下幾種：①定時打?。嚎啥〞r打印T／R運行表、定時時間可以設定；②用戶打?。河脩艨勺远x打印當前或者歷史報表；③報警打?。寒擳／R發生故障時，自動記錄訊發生故障的時間、故障類型及故障發生時的運行參數。
3 系統軟件設計
　　本系統主要是基于施耐德公司的MonitorProV7-2工控組態軟件構建，通過該軟件的服務器SERVER端和下位PLC利用工業以太網，采用TCP／IP協議進行通訊，通過客戶端CLIENT使用戶進行方便的人機界面操作。
3．1MonitorProV7．2介紹
　　MonitorProV7．2是施耐德公司開發的一種工業組態軟件，旨在優化生產管理過程。在各種領域——自動化行業、農業綜合部門、水處理等，該軟件都可以提供信息管理和處理方面的最佳技術。由于其模塊化的設計方法，可根據應用程序的要求來進行定制。其界面友好、結構靈活，可以方便地根據用戶要求來量身定制。用戶可以快速地創建自己的用戶界面，增加遠程維護功能，執行更多的操作。
3．2工業以太網簡介
　　以太網是由美國Xerox公司于1975年推出的一種局域網。目前，由于因特網和工業以太網采用統一通訊協議——TCP／IP，以太網具有實時性、穩定性與通用性比較強的優勢，因此也不僅用于人機接口層、企業信息系統層外，也逐漸用于I／O層和人機接口層，享有“e網到底”的美譽。盡管具有所有網絡的固有弊端，如通信的實時性、確定性的問題，魯棒性和抗干擾能力的問題，但是綜合其利弊還是廣泛應用于工業現場中。
3.3系統監控的顯示設計
　　雖然監控中的顯示部分相對簡單，但為了達到畫面簡潔明了，標簽使用少，方便管理和維護的目的，采用了把相近或相同的設備用數組來定義，對這一類設備用一個標簽名并可代替，并且對系統中數量最多的數字量的定義，沒有采用逐一定義的方法，而是利用模擬量的二進制的每個位來定義多個數字量的0，1變化，從而大大減少了煩瑣的標簽定義過程。
3．4冗余服務器的設計與實現
　　現場要求系統無故障連續運行，這就需要一個主服務器，一個從服務器（后備服務器）進行冗余服務器運行。這需要兩個完全相同的服務器工作，主從服務器進行配置并支持主／從服務器的仲裁，實時數據、數據庫記錄、系統報警同步?，F場Client同時連接到兩個服務器中，當任何一個服務器故障時，在10ms時間切換到另一個服務器中，這樣不影響現場系統的實時運行，從而達到無故障安全運行的目的。
3．5網絡中的誘導延遲解決
　　由于系統中的點數較多，距離較遠，而且由于網絡固有的特性有數據延遲的問題，造成系統不穩定性的增加，現在比較常用的是沖突碎片屏蔽的方法和時延補償的方法，考慮到網絡誘導延遲的原因是數據包排隊等待延遲、信息產生延遲、傳輸延遲。采用觸發的方式要求數據傳輸以減少數據等待時間，從而減少延遲。
　　一般傳輸分兩種觸發方式：電平觸發和脈沖觸發。不同的觸發方式，有著不同的優缺點：①電平觸發：電平觸發是在當信號變成高電平或低電平的時候觸發，所以它的抗干擾能力不強。而且它有結構簡單，觸發速度快的特點。但它的缺點是容易造成空翻。②脈沖觸發：脈沖觸發是在信號變成高電平的上升沿進行觸發， 它的輸出僅僅決定邊沿時刻的輸入 ，所以抗干擾能力強，不會造成空翻。 
3．6報警點設計中的一種算法
　　在系統故障發生點和報警的設計中，由于涉及到一些閥門的聯動，所以設計了專門的算法，以達到正常和正確報警的目的?，F以除塵器脈沖閥和提升閥的聯動，聯鎖關系為例，進行說明：清灰時，先關閉該清灰倉的提升閥，即該倉的提升閥通電工作。然后逐一的接通該倉的12個噴吹脈沖閥，壓縮空氣經脈沖閥和噴吹管向濾袋內噴射，使附在濾袋外的過濾粉塵脫落，清灰倉的12個脈沖閥噴吹完畢后，打開該倉提升閥，恢復過濾狀態。由于閥門的開／關是典型的數字量0／1切換，而且閥門較多，根據用一個模擬量的二進制的每個位來定義多個數字量的方法，一個倉中1個提升閥對應12個脈沖閥和12個噴嘴，定義為一個模擬量me，其二進制數的第1位到第12位分別代表著12個脈沖閥的狀態。
　　報警規則為：當除塵倉提升閥和脈沖閥都正常工作時（即都顯示綠色時），則除塵倉中的對應噴嘴才能工作正常（顯示為綠色，為1）。只要有任意一個出現故障（除塵倉提升閥或任一脈沖閥），則除塵倉中的對應噴嘴不能正常工作（顯示為紅色，為0）。為實現此規則，采用二進制的位操作，mc代表12個脈沖閥的開／關狀態，所以，對每個脈沖閥的狀態位進行與操作，再和提升閥狀態進行與操作，當提升閥狀態ts和脈沖閥狀態me都為I時，噴嘴pz的狀態就輸出1；提升閥狀態ts和脈沖閥狀態mc有一個不為1，則噴嘴pz的狀態就輸出就為0。這樣，這種算法即實現了上面所述的報警規則，又實現了脈沖閥和提升閥的聯鎖，聯動關系。提高了系統的穩定性和準確性，保證了整個系統的正常運行。
4 系統的特點
　?。?）系統人機界面選用MP7軟件進行設計開發，界面友好，畫面形象直觀，操作方便靈活。
　?。?）利用聲光報警，能及時通知相關人員，以減少或避免事故的發生和擴大，并形成記錄以供查閱。
　?。?）生產運行中的主要工藝參數在硬盤中均有記錄，并生成生產報表，以便分析歸檔。
　?。?）系統可擴展性好，增建的工藝也可納入本系統中，再選配相應軟硬件資源可實現總調度室微機聯網。
5 結束語
　　綜上所述，我們通過對布袋除塵器和施耐德組態軟件MP7的敘述，對整個系統的軟硬件的配置和設計有了進一步了解，采用MP7工控組態軟件，采用工業以太網，利用TCP／IP協議，實現了PLC與上位監控系統之間的實時數據傳遞，保證了管理人員和生產人員需求的實時數據，而且減少了原有數據傳遞失真現象，保障了機組經濟運行，提高了生產率，減少人員浪費，從而提高了工廠效益。
參考文獻：
【1】1向曉冬．現代除塵理論與技術【M】．北京：冶金工業出版社，2002．10-60．
【2】黃志峰．VisualBasic高級編程實例精解【M】．北京：國防工業出版社，2001．1-150．
【3】李代平，章文沖文SQLServer2000數據庫應用開發.北京：冶金工業出版社，2002．105-200．
【4】王常力，羅安．分布式控制系統（DCS）設計與應用實例[1棚．北京：電子工業出版社，2004．11-140．
【5】李偉．基于以太的IP組網技術【M】．成都：西南交通大學出版社，2004．135-145．
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