1 引 言
我國是世界上焦碳生產大國，但焦化生產的裝備水平與發(fā)達國家相比普遍較低。焦爐裝煤車是焦爐生產的重要工藝設備，裝煤車工作于焦爐頂部，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，裝煤量的精確檢測對焦化廠的各項技術和經濟指標的提高以及安全生產都具有重大意義。隨著當今國內外自動化技術的飛速發(fā)展和普及，裝煤車取煤、裝煤整個周期計量的過程，向自動化、無人化、網絡化、智能化方向發(fā)展，將徹底改變當前焦爐生產環(huán)境惡劣、操作落后、勞動生產率低下的局面，對減輕勞動強度、降低生產成本、提高焦炭質量、保證安全生產有著積極的推動作用。

2 系統(tǒng)工藝要求
2.1 工藝概述
焦爐裝煤車主要完成對焦爐各炭化室的裝煤操作，是焦炭生產的一個重要環(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，煤料達到要求重量之后，關閉煤塔閘板門，然后行走至計量工位過磅，簡稱實車計量值W1，行至裝煤的炭化室上方將煤料輸送到炭化室內，再行走至計量工位過磅，簡稱空車計量值W2，W1與W2之差既為卸載量W3，如卸載量W1-W2≤α-β,則本次計量無效，如卸載量W1-W2＞α-β,從而完成一次周期計量。其裝載時序如圖1所示。

圖1 計量時序圖

2.2 計量控制原理
焦爐裝煤車其計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：當被稱車輛駛過秤臺時，通過秤臺將力準確的傳遞到高精度負荷傳感器上，各個傳感器將此重量信號疊加轉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，并由表內的數據采集系統(tǒng)對此信號進行測量、放大、A/D轉換、濾波，經CPU進行處理后成為數字式稱重信號，然后經由儀表顯示、控制和遠傳。
2.3 裝煤車主要工藝參數
裝煤車自重：190t-210t；計量范圍：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)設計
3.1 系統(tǒng)總貌
根據焦爐裝煤車系統(tǒng)的工藝控制要求以及羅克韋爾自動化集成架構的特點，提出以下裝煤車自動計量解決方案：
（1） 控制系統(tǒng)完全滿足焦爐裝煤車計量工藝的要求。
（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計，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，操作靈活及維護容易。
（4） 控制系統(tǒng)的網絡采用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的高柔性系統(tǒng)，并可以在今后相當長一段時間內保持其技術的先進和領先地位，具備安全性、可靠性、先進性特點。

3.2 系統(tǒng)配置和組成
系統(tǒng)主要由稱重數據采集、基礎自動化控制和人機監(jiān)控管理等部分組成一個基于網絡的裝煤車自動計量系統(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、工藝過程的動態(tài)顯示、工藝參數的設定、秤量數據顯示及存儲、故障及報表打印等。其配置如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)配置圖

稱重數據采集由數個CC52-100電阻應變式負荷傳感器、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，其采用先進的高精度△-∑型A/D轉換芯片及16位摩托羅拉68K單片機，它充分考慮了工業(yè)現(xiàn)場的復雜性，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用方案，同時也滿足國際計量法組織OIML的建議條款。
大型顯示屏設計為戶外超高亮度點陣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單片機控制，靜態(tài)鎖存掃描方式輸出,模塊化結構設計，大功率驅動,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，完全適應焦爐爐頂的惡劣性環(huán)境，并具有防腐,防水,防潮,防雷，整體抗震性能強等特點。其主要指標有：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35m。
基礎控制系統(tǒng)配備FlexLogix控制器1臺、8個本地FlEX I/O、PanelView 600人機顯示終端1臺及微型打印機1臺，并采用冗余的ControlNet網絡配置和模件級的自診斷功能。處理器1794-L34內置了512K用戶內存（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，就地可擴充多達16個具備熱插拔的FlEX I/O，并具有多任務操作系統(tǒng)。FlexLogix處理器內置一個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，打印內容包含日期、時間、重量、班次等信息。
3.3系統(tǒng)網絡通訊
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三層開放式網絡架構，Netlinx架構用統(tǒng)一的協(xié)議實現(xiàn)對EtherNet/IP、ControlNet和DeviceNet的支持。NetLinx 架構貫穿了從現(xiàn)場設備層到制造執(zhí)行管理層的無縫連接。NetLinx 三層網絡結構示意如圖3所示。

圖3 NetLinx 架構示意圖

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作為當今先進的高速確定性網絡，具備高速、安全、可靠、確定性等諸多優(yōu)點，實時I/O，設備驅動、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現(xiàn)，ControlNet本質上的確定性可以確保數據何時發(fā)送，其可重復性能確保了網絡傳輸時間不會隨網絡設備添加或刪除而改變。它基于生產者/消費者模式（Producer/Consumer Model）允許網絡中所有節(jié)點同時獲取來自同一數據源的數據，最高網絡吞吐量達5Mbps,滿足了系統(tǒng)對時間有苛刻要求的信息通訊要求。

4 軟件設計
羅克韋爾自動化針對Logix控制平臺，提供了當今功能強大的RSLogix5000編程軟件，它面向對象的編程、符合IEC1131-3 FBD, LD, SFC, ST編程語言、內置診斷工具等特征，大大地縮短了開發(fā)時間和成本，它采用符號化標簽和結構數據模型功能使軟件編程工作更加輕松，Logix控制平臺基于標記或符號的尋址方式，是其它傳統(tǒng)的PLC所不具備的，它在處理器內部直接采用基于標簽的尋址方式，不需用額外的交叉參考列表來完成標記名與物理地址之間的轉換。這樣使PC操作站內置1784-KTCX編程卡，以RSLogix5000編程軟件為平臺，對FlexLogix處理器可直接應用別名標記編程，使編程工作與硬件設計工作可同步并行執(zhí)行，縮短了項目實施周期，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機到工業(yè)控制網絡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)控制網絡上所有設備的通訊鏈路聯(lián)接。
ControlFLASH是內嵌于RSLogix5000編程軟件中（也可單獨運行）對處理器或模塊固件（firmware）實現(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都能與新技術以及增強功能相適應，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準PanelView終端，它以其直觀的開發(fā)環(huán)境簡化了項目的設計過程，并減少了開發(fā)時間和費用。PanelView 600彩色顯示終端為裝煤車計量控制提供了現(xiàn)場級的人機對話功能，具體包含內容有：日期、時間、皮重、余煤量上限、裝入量下限、班次等設定參數及本次裝入量、本班計量報表、前班計量報表、流程狀態(tài)、報警信息、自檢測試等監(jiān)控功能。
RSNetWorx for ControlNet是應用于ControlNet網絡組態(tài)的管理軟件，主要具備網絡配置、參數設定、網絡診斷等用途。見以下配置（圖4）。
由以上controlNet配置圖所示，F(xiàn)lexLogix L34處理器網絡節(jié)點地址為01；PV 600顯示終端網絡節(jié)點地址為03。PV 600在ControlNet上的應用需注意ControlNet節(jié)點地址設定和ControlNet數據交換模式選擇。

圖4 ControlNet配置圖

4.1 ControlNet節(jié)點地址設定
Panelbuilder32中關于FlexLogix L34的ControlNet節(jié)點地址的設置，應嚴格遵循以下格式：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數據交換模式選擇
FlexLogix和PanelView 600二者經ControlNet網數據交換的方式支持ControlNet-unscheduled模式，這樣可確保Panelbuilder32中的標簽名Tag Name與RSlogix5000中別名標簽建立統(tǒng)一的地址尋址關系，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置ControlNet節(jié)點地址，并且保持與Panelbuilder32所設置值一致。

5 系統(tǒng)功能實現(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量，記錄和統(tǒng)計裝入炭化室的煤量值，并對本班次及上一班次的計量結果進行記錄和統(tǒng)計，并將這些數據經冗余ControlNet網絡傳送給上位信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)管理級的數據共享。整個系統(tǒng)的操作模式分自動、手動、調整三種方式，正確設定了皮重、余煤量上限、裝入量下限、班次及日期時間后就可以開始計量，每個流程包含實車計量和空車計量兩個過程，并可實現(xiàn)對不同車號的裝煤車計量流程的交叉使用。為保證裝煤車的裝煤均勻度，如在計量過程中出現(xiàn)無效計量，流程將進行記憶并自動判別是等待還是轉入下一個流程?？刂葡到y(tǒng)將過程中的各種狀態(tài)、稱量記錄、班次總計等信息傳送到大型顯示屏、PV 600終端和上位ControlLogix主機，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，并且具備多任務操作系統(tǒng)，它支持8個優(yōu)先級任務Tasks，其中一個為連續(xù)性主任務（MainTask），其余為周期性任務或事件任務,每個任務（Task）可包含若干個Programs, 每個Programs可包含若干個Routines。
5.2 稱重控制應用程序任務組成
（1）主任務（1個）：整個工藝流程控制的主程序任務。
（2）周期性任務（3個）：完成系統(tǒng)故障診斷、報警輸出、物理狀態(tài)等任務。
圖7示例通過在Logix5000編程軟件中應用GSV（獲取系統(tǒng)值）指令來取得存儲在對象內的控制器系統(tǒng)數據，F(xiàn)AULTLOG對象提供了控制器內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。應用程序以秒周期對控制器進行周期性掃描，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（5個）：完成稱量數據采集處理、班記錄報表、打印輸出等任務。
其中圖8示出了應用FAL（文件算術與邏輯）指令完成班記錄報表的實現(xiàn)，具體方法為選擇Control結構體來控制數組指令的操作，通過信息隊列機制實現(xiàn)記錄添加。當裝煤車成功完成一次計量周期后，就將本次裝入炭化室的煤量值、日期時間標簽、結果標簽等記錄存入由指針所指向的地址內存，并以增量操作模式來執(zhí)行下一個記錄的存入，直到等于所設置的數據指針長度為止，從而形成班記錄報表：

圖8 文件算術與邏輯程序

應用程序中有關其它功能的實現(xiàn)，限于篇幅，這里就不在闡述。

6 結束語
整個系統(tǒng)投入使用后，實現(xiàn)了焦爐裝煤計量的連續(xù)、穩(wěn)定運行，杜絕了人為因素的停產情況，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、勞動生產效率及安全性都有明顯的提高，而且經受住了焦爐爐頂惡劣生產環(huán)境的考驗，達到了預期的改造效果。