1 引 言
我國是世界上焦碳生產(chǎn)大國，但焦化生產(chǎn)的裝備水平與發(fā)達(dá)國家相比普遍較低。焦?fàn)t裝煤車是焦?fàn)t生產(chǎn)的重要工藝設(shè)備，裝煤車工作于焦?fàn)t頂部，它來回行駛在爐頂軌道上，用來從煤塔取出一定重量的煤，通過炭化室頂部裝煤孔卸入炭化室內(nèi)，裝煤量的精確檢測對焦化廠的各項(xiàng)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的提高以及安全生產(chǎn)都具有重大意義。隨著當(dāng)今國內(nèi)外自動化技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，裝煤車取煤、裝煤整個周期計(jì)量的過程，向自動化、無人化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，將徹底改變當(dāng)前焦?fàn)t生產(chǎn)環(huán)境惡劣、操作落后、勞動生產(chǎn)率低下的局面，對減輕勞動強(qiáng)度、降低生產(chǎn)成本、提高焦炭質(zhì)量、保證安全生產(chǎn)有著積極的推動作用。

2 系統(tǒng)工藝要求
2.1 工藝概述
焦?fàn)t裝煤車主要完成對焦?fàn)t各炭化室的裝煤操作，是焦炭生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)，其主要工藝流程為：裝煤車沿鐵軌行走至煤塔下，打開煤塔下煤孔閘板門由煤塔取一定重量的煤，煤料達(dá)到要求重量之后，關(guān)閉煤塔閘板門，然后行走至計(jì)量工位過磅，簡稱實(shí)車計(jì)量值W1，行至裝煤的炭化室上方將煤料輸送到炭化室內(nèi)，再行走至計(jì)量工位過磅，簡稱空車計(jì)量值W2，W1與W2之差既為卸載量W3，如卸載量W1-W2≤α-β,則本次計(jì)量無效，如卸載量W1-W2＞α-β,從而完成一次周期計(jì)量。其裝載時序如圖1所示。

圖1 計(jì)量時序圖

2.2 計(jì)量控制原理
焦?fàn)t裝煤車其計(jì)量形式為電子軌道衡靜態(tài)稱重，目前市場上大致方式有二類：基坑式斷軌稱重和無基坑不斷軌稱重，其各自有不同的特長。軌道衡稱重原理為：當(dāng)被稱車輛駛過秤臺時，通過秤臺將力準(zhǔn)確的傳遞到高精度負(fù)荷傳感器上，各個傳感器將此重量信號疊加轉(zhuǎn)換成與之受力成比例的mV級電壓模擬信號，該信號通過匯接板傳送給稱重顯示器，并由表內(nèi)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對此信號進(jìn)行測量、放大、A/D轉(zhuǎn)換、濾波，經(jīng)CPU進(jìn)行處理后成為數(shù)字式稱重信號，然后經(jīng)由儀表顯示、控制和遠(yuǎn)傳。
2.3 裝煤車主要工藝參數(shù)
裝煤車自重：190t-210t；計(jì)量范圍：40t；顯示分度：20kg；精度：±40kg
過載能力：150％；秤臺長度：7600mm；軌中心距：8265mm。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)總貌
根據(jù)焦?fàn)t裝煤車系統(tǒng)的工藝控制要求以及羅克韋爾自動化集成架構(gòu)的特點(diǎn)，提出以下裝煤車自動計(jì)量解決方案：
（1） 控制系統(tǒng)完全滿足焦?fàn)t裝煤車計(jì)量工藝的要求。
（2） 控制系統(tǒng)為具有Logix控制引擎的FlexLogix處理器，它提供了功能和物理上的分散控制平臺，其FlEX I/O采用靈活緊湊的模塊化安裝設(shè)計(jì)，并具備熱插拔功能。
（3） 控制系統(tǒng)提供友好的操作界面，通訊開放，使用方便，操作靈活及維護(hù)容易。
（4） 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)采用CIP通用工業(yè)協(xié)議的冗余ControlNet現(xiàn)場總線。
（5） 控制系統(tǒng)具有成熟的易配易擴(kuò)的高柔性系統(tǒng)，并可以在今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)保持其技術(shù)的先進(jìn)和領(lǐng)先地位，具備安全性、可靠性、先進(jìn)性特點(diǎn)。

3.2 系統(tǒng)配置和組成
系統(tǒng)主要由稱重?cái)?shù)據(jù)采集、基礎(chǔ)自動化控制和人機(jī)監(jiān)控管理等部分組成一個基于網(wǎng)絡(luò)的裝煤車自動計(jì)量系統(tǒng)，用于裝煤車工藝流程的操作及監(jiān)控、故障報警的監(jiān)視及確認(rèn)、工藝過程的動態(tài)顯示、工藝參數(shù)的設(shè)定、秤量數(shù)據(jù)顯示及存儲、故障及報表打印等。其配置如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)配置圖

稱重?cái)?shù)據(jù)采集由數(shù)個CC52-100電阻應(yīng)變式負(fù)荷傳感器、EDI-910稱重控制器和大型顯示屏等來完成，EDI-910是一種基于重量監(jiān)測和過程工業(yè)控制的終端處理器，其采用先進(jìn)的高精度△-∑型A/D轉(zhuǎn)換芯片及16位摩托羅拉68K單片機(jī)，它充分考慮了工業(yè)現(xiàn)場的復(fù)雜性，可及其方便地集成于各類控制中與SCADA系統(tǒng)協(xié)同工作，可為工業(yè)稱重需求提供多種應(yīng)用方案，同時也滿足國際計(jì)量法組織OIML的建議條款。
大型顯示屏設(shè)計(jì)為戶外超高亮度點(diǎn)陣LED顯示屏，它位于秤臺上方，供裝煤車上操作員觀察，主要顯示裝煤車過程量、裝載量、狀態(tài)及報警等信息，它采用MCS-51單片機(jī)控制，靜態(tài)鎖存掃描方式輸出,模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大功率驅(qū)動,充分保證了發(fā)光亮度，極大地提高了顯示屏系統(tǒng)的穩(wěn)定性，完全適應(yīng)焦?fàn)t爐頂?shù)膼毫有原h(huán)境，并具有防腐,防水,防潮,防雷，整體抗震性能強(qiáng)等特點(diǎn)。其主要指標(biāo)有：像素直徑Φ5mm；發(fā)光管亮度大于600mcd；像素筒平均亮度3.0cd；視角>±60°；像素筒壽命8×104h；可視距離達(dá)35m。
基礎(chǔ)控制系統(tǒng)配備FlexLogix控制器1臺、8個本地FlEX I/O、PanelView 600人機(jī)顯示終端1臺及微型打印機(jī)1臺，并采用冗余的ControlNet網(wǎng)絡(luò)配置和模件級的自診斷功能。處理器1794-L34內(nèi)置了512K用戶內(nèi)存（包含帶電池SRAM和非易失性存儲器各512K），它主要適合于面向分布式控制的中小型系統(tǒng)，具備無與倫比的靈活性，就地可擴(kuò)充多達(dá)16個具備熱插拔的FlEX I/O，并具有多任務(wù)操作系統(tǒng)。FlexLogix處理器內(nèi)置一個RS-232通訊口(DF1協(xié)議或ASCⅡ協(xié)議)，它以ASCⅡ協(xié)議方式連接微型打印機(jī)，打印內(nèi)容包含日期、時間、重量、班次等信息。
3.3系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊
FlexLogix處理器上最多支持兩塊通訊卡，通訊功能可覆蓋羅克韋爾Netlinx三層開放式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，Netlinx架構(gòu)用統(tǒng)一的協(xié)議實(shí)現(xiàn)對EtherNet/IP、ControlNet和DeviceNet的支持。NetLinx 架構(gòu)貫穿了從現(xiàn)場設(shè)備層到制造執(zhí)行管理層的無縫連接。NetLinx 三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 NetLinx 架構(gòu)示意圖

1794-L34處理器所配置的1788-CNCR冗余ControlNet通訊卡，其通訊介質(zhì)為同軸屏蔽電纜，ControlNet掃描器口連接了本地PanelView 600彩色顯示終端2711-T6C15L1和上位ControlLogix主干系統(tǒng)。ControlNet作為當(dāng)今先進(jìn)的高速確定性網(wǎng)絡(luò)，具備高速、安全、可靠、確定性等諸多優(yōu)點(diǎn)，實(shí)時I/O，設(shè)備驅(qū)動、操作員接口、信號互鎖、對等報文傳輸（Peer-to-Peer）以及編程配置等都可在同一條鏈路上實(shí)現(xiàn)，ControlNet本質(zhì)上的確定性可以確保數(shù)據(jù)何時發(fā)送，其可重復(fù)性能確保了網(wǎng)絡(luò)傳輸時間不會隨網(wǎng)絡(luò)設(shè)備添加或刪除而改變。它基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式（Producer/Consumer Model）允許網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)同時獲取來自同一數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，最高網(wǎng)絡(luò)吞吐量達(dá)5Mbps,滿足了系統(tǒng)對時間有苛刻要求的信息通訊要求。

4 軟件設(shè)計(jì)
羅克韋爾自動化針對Logix控制平臺，提供了當(dāng)今功能強(qiáng)大的RSLogix5000編程軟件，它面向?qū)ο蟮木幊?、符合IEC1131-3 FBD, LD, SFC, ST編程語言、內(nèi)置診斷工具等特征，大大地縮短了開發(fā)時間和成本，它采用符號化標(biāo)簽和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型功能使軟件編程工作更加輕松，Logix控制平臺基于標(biāo)記或符號的尋址方式，是其它傳統(tǒng)的PLC所不具備的，它在處理器內(nèi)部直接采用基于標(biāo)簽的尋址方式，不需用額外的交叉參考列表來完成標(biāo)記名與物理地址之間的轉(zhuǎn)換。這樣使PC操作站內(nèi)置1784-KTCX編程卡，以RSLogix5000編程軟件為平臺，對FlexLogix處理器可直接應(yīng)用別名標(biāo)記編程，使編程工作與硬件設(shè)計(jì)工作可同步并行執(zhí)行，縮短了項(xiàng)目實(shí)施周期，使程序具有更高的可讀性和靈活性。
RSLinx是羅克韋爾為用戶提供的通訊管理軟件，只需選擇一種從PC機(jī)到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)上任一模塊的通訊方式，就可以通過該軟件建立起與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)上所有設(shè)備的通訊鏈路聯(lián)接。
ControlFLASH是內(nèi)嵌于RSLogix5000編程軟件中（也可單獨(dú)運(yùn)行）對處理器或模塊固件（firmware）實(shí)現(xiàn)刷新升級的軟件。從而保證客戶所采購的模塊在其生命周期內(nèi)都能與新技術(shù)以及增強(qiáng)功能相適應(yīng)，需注意的是：在整個模塊刷新過程中，不允許掉電或者通訊中斷。
Panelbuilder32是基于32位bbbbbbS的組態(tài)軟件，它支持羅克韋爾所有標(biāo)準(zhǔn)PanelView終端，它以其直觀的開發(fā)環(huán)境簡化了項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程，并減少了開發(fā)時間和費(fèi)用。PanelView 600彩色顯示終端為裝煤車計(jì)量控制提供了現(xiàn)場級的人機(jī)對話功能，具體包含內(nèi)容有：日期、時間、皮重、余煤量上限、裝入量下限、班次等設(shè)定參數(shù)及本次裝入量、本班計(jì)量報表、前班計(jì)量報表、流程狀態(tài)、報警信息、自檢測試等監(jiān)控功能。
RSNetWorx for ControlNet是應(yīng)用于ControlNet網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的管理軟件，主要具備網(wǎng)絡(luò)配置、參數(shù)設(shè)定、網(wǎng)絡(luò)診斷等用途。見以下配置（圖4）。
由以上controlNet配置圖所示，F(xiàn)lexLogix L34處理器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址為01；PV 600顯示終端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址為03。PV 600在ControlNet上的應(yīng)用需注意ControlNet節(jié)點(diǎn)地址設(shè)定和ControlNet數(shù)據(jù)交換模式選擇。

圖4 ControlNet配置圖

4.1 ControlNet節(jié)點(diǎn)地址設(shè)定
Panelbuilder32中關(guān)于FlexLogix L34的ControlNet節(jié)點(diǎn)地址的設(shè)置，應(yīng)嚴(yán)格遵循以下格式：1 1 0，參見圖5。

圖5 Panelbuilder32配置圖

第一位是：1788-CNCR Node Number (1-99) 加空格；
第二位是：FlexLogix Backplane Number（always 1）加空格；
第三位是：FlexLogix Slot Number (always 0)。
4.2 ControlNet數(shù)據(jù)交換模式選擇
FlexLogix和PanelView 600二者經(jīng)ControlNet網(wǎng)數(shù)據(jù)交換的方式支持ControlNet-unscheduled模式，這樣可確保Panelbuilder32中的標(biāo)簽名Tag Name與RSlogix5000中別名標(biāo)簽建立統(tǒng)一的地址尋址關(guān)系，極大減輕了編程工作量。同時PV 600顯示終端的配置菜單中也需設(shè)置ControlNet節(jié)點(diǎn)地址，并且保持與Panelbuilder32所設(shè)置值一致。

5 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)
5.1 工藝控制流程
裝煤車稱重控制系統(tǒng)用于給煤量的精確計(jì)量，記錄和統(tǒng)計(jì)裝入炭化室的煤量值，并對本班次及上一班次的計(jì)量結(jié)果進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)，并將這些數(shù)據(jù)經(jīng)冗余ControlNet網(wǎng)絡(luò)傳送給上位信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管理級的數(shù)據(jù)共享。整個系統(tǒng)的操作模式分自動、手動、調(diào)整三種方式，正確設(shè)定了皮重、余煤量上限、裝入量下限、班次及日期時間后就可以開始計(jì)量，每個流程包含實(shí)車計(jì)量和空車計(jì)量兩個過程，并可實(shí)現(xiàn)對不同車號的裝煤車計(jì)量流程的交叉使用。為保證裝煤車的裝煤均勻度，如在計(jì)量過程中出現(xiàn)無效計(jì)量，流程將進(jìn)行記憶并自動判別是等待還是轉(zhuǎn)入下一個流程。控制系統(tǒng)將過程中的各種狀態(tài)、稱量記錄、班次總計(jì)等信息傳送到大型顯示屏、PV 600終端和上位ControlLogix主機(jī)，以滿足整個工藝控制流程的要求。見以下流程圖（圖6）：

圖6 工藝控制流程圖

FlexLogix系統(tǒng)為工業(yè)控制提供了靈活分散的解決方案，并且具備多任務(wù)操作系統(tǒng)，它支持8個優(yōu)先級任務(wù)Tasks，其中一個為連續(xù)性主任務(wù)（MainTask），其余為周期性任務(wù)或事件任務(wù),每個任務(wù)（Task）可包含若干個Programs, 每個Programs可包含若干個Routines。
5.2 稱重控制應(yīng)用程序任務(wù)組成
（1）主任務(wù)（1個）：整個工藝流程控制的主程序任務(wù)。
（2）周期性任務(wù)（3個）：完成系統(tǒng)故障診斷、報警輸出、物理狀態(tài)等任務(wù)。
圖7示例通過在Logix5000編程軟件中應(yīng)用GSV（獲取系統(tǒng)值）指令來取得存儲在對象內(nèi)的控制器系統(tǒng)數(shù)據(jù)，F(xiàn)AULTLOG對象提供了控制器內(nèi)部的事件及故障位信息。
CONTROLLERDEVICE對象反映了控制器物理硬件的狀態(tài)信息。應(yīng)用程序以秒周期對控制器進(jìn)行周期性掃描，來診斷是否有一般性的故障發(fā)生及處理，這樣一來即滿足于系統(tǒng)對監(jiān)控工藝的要求，又提高了主流程的響應(yīng)速度和控制器的資源利用率。

圖7 故障診斷掃描程序

（3）事件任務(wù)（5個）：完成稱量數(shù)據(jù)采集處理、班記錄報表、打印輸出等任務(wù)。
其中圖8示出了應(yīng)用FAL（文件算術(shù)與邏輯）指令完成班記錄報表的實(shí)現(xiàn)，具體方法為選擇Control結(jié)構(gòu)體來控制數(shù)組指令的操作，通過信息隊(duì)列機(jī)制實(shí)現(xiàn)記錄添加。當(dāng)裝煤車成功完成一次計(jì)量周期后，就將本次裝入炭化室的煤量值、日期時間標(biāo)簽、結(jié)果標(biāo)簽等記錄存入由指針?biāo)赶虻牡刂穬?nèi)存，并以增量操作模式來執(zhí)行下一個記錄的存入，直到等于所設(shè)置的數(shù)據(jù)指針長度為止，從而形成班記錄報表：

圖8 文件算術(shù)與邏輯程序

應(yīng)用程序中有關(guān)其它功能的實(shí)現(xiàn)，限于篇幅，這里就不在闡述。

6 結(jié)束語
整個系統(tǒng)投入使用后，實(shí)現(xiàn)了焦?fàn)t裝煤計(jì)量的連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行，杜絕了人為因素的停產(chǎn)情況，F(xiàn)lexLogix控制平臺確保了系統(tǒng)的工藝裝備水平、自動化程度、勞動生產(chǎn)效率及安全性都有明顯的提高，而且經(jīng)受住了焦?fàn)t爐頂惡劣生產(chǎn)環(huán)境的考驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的改造效果。