基于RS485总线的石墨化过程测控系统设计

孟志强　龚欣荣　周华安　杨茜　邵武　王保田

摘 要：采用RS485现场总线技术和网络技术，在MCGS WWW网络版组态软件平台上，设计了一套以工控机为主机的锂电池负极材料石墨化过程实时测控系统.系统的485现场节点整流变压器高压侧电气参数智能采集模块和变压器电动有载调节机构控制器分别完成变压器电气参数的采集和档位控制.设计并实现了一种基于线性光电耦合的二阶低通滤波器，整流器输出电压与电流及其他模拟信号经二阶低通滤波器处理后，由智能采集板卡采样.提出了一种能匹配设定功率曲线的变压器档位自动调控算法，可实现石墨化过程的优化控制.系统主机通过光纤接入企业局域网程控交换机，使系统具有远程监视功能.120多炉次的实际运行效果表明，石墨化过程实时测控系统稳定可靠、操作方便，产品质量稳定，平均炉次的电耗比原系统降低了6%.

关键词：监视与控制通用系统；石墨化；功率调节；485现场总线；远程控制

中图分类号：TP273 文献标识码：A

碳材料制造的关键工序是石墨化过程，主导设备为大容量艾奇逊石墨化炉＼[1-2＼].用电成本占石墨化产品生产成本的50%以上，且石墨化过程中功率配送的准确性与实时性严重影响产品的成型质量与电耗＼[2＼].因此，理想的送电曲线应根据炉内温度和炉阻实时调整＼[1-3＼].但是，石墨化炉结构复杂，炉芯温度高达3 000 ℃，炉内温度场不均匀且复杂，致使炉内温度在线测量仍然是一个尚未解决的难题＼[1-2＼].到目前为止，石墨化配电还不能采取炉温反馈的各种闭环控制技术，各企业仍然采用根据经验制定的定时定功率配电方式控制石墨化过程的实际送电.

仅有极少文献＼[4-6＼]研究石墨化过程的控制技术.文献＼[4＼]与文献＼[5＼]分别介绍了一种采用DOS操作系统、PLC+组态软件的石墨化过程计算机控制系统，这些系统能按照配电功率曲线实现配电功率的调节，但通用性不强，没有通信与组网功能.文献＼[6＼]提出了采用神经网络构建石墨化过程控制模型的思想，但仅仅进行了仿真研究.现有实际的石墨化控制系统可实现变压器和整流器参数的采集、功率计算、数据显示及报警功能，但变压器档位的调节仍由操作员比较实际功率与规定功率曲线对应值，判断是否达到调档条件，来操作相应功能键调节档位，改变配送功率.由于人工操作具有较大的随意性，导致产品质量不稳定，甚至产生巨大的电能浪费.另外，现有石墨化控制系统都是独立的，企业管理部门完全靠人工报表来掌握系统的运行情况，不能实现资源共享，不利于企业的管理水平提升和管理成本控制.

针对现有石墨化炉控制系统存在的不足，采用RS485现场总线技术与网络技术＼[7-8＼]，在MCGS WWW网络版组态软件平台＼[9-10＼]设计了一套以工控机为主机的石墨化过程实时测控系统.该系统能实时采集、计算、保存、多形式显示变压器和整流器电气与非电气参数，根据设置的配电功率曲线和实际功率自动或者手动调节变压器档位实现配电功率控制，新增上电自动启动、断电后自动重投运行、设备故障诊断与保护、多条件综合评判自动停机等功能，通过网络技术实现了资源共享和远程网络监控.

本文主要介绍了石墨化过程实时测控系统的结构与功能，给出了关键电路和核心软件的详细设计，提出了一种可以良好地跟踪给定配电功率曲线的自动功率配送方法.历时1年多、超过120炉次的实际运行效果表明，设计的石墨化实时测控系统稳定可靠，操作方便，石墨化产品质量稳定，电耗明显降低，实现了企业资源共享.

1 实时测控系统

石墨化过程实时测控系统构成如图1所示，由系统主机、远程监控系统、现场测控系统3部分组成.

1.1 系统主机

系统主机是一台研华工业控制计算机，装有MCGS WWW网络版组态软件，内置数据采集板卡PCI1710U，通过RS485总线与现场测控系统节点变压器档位控制器HMK7和智能交流电量采集模块EDA9033A连接，获取相应的现场信号和调控变压器的档位；通过光纤与企业局域网交换机连接，组成远程网络监视系统，实现资源共享；主机在组态软件平台完成所有数据处理、数据库存盘、数据显示、报表输出，运行控制策略——实时控制软件实现对石墨化过程送电功率的自动配送.

1.2 现场测控系统

现场测控系统采用485现场总线技术，由EDA9033A采集模块、HMK7档位控制器构成RS485总线节点，与主机组成主从式RS485总线系统，分别完成整流变压器高压侧电气参数、变压器当前档位信息的采集和变压器档位的电动调节，已变换成标准信号的变压器和整流器油温等非电量参数、整流器输出直流电压和电流等电气参数经现场的信号调理电路送入PCI1710U.

1.3 远程监控系统

远程监控系统由企业局域网中的多台指定用户终端作为监视终端，通过局域网程控交换机，经由光纤与系统主机连接构成，系统主机作为远程监视系统的服务器.

监控终端和主机均使用MCGS WWW网络版组态软件.该组态软件改变传统基于C/S（客户/服务器）的模式，使服务器与客户端之间的通讯采用目前应用最为广泛的TCP/IP协议，因此远程监控系统可以充分利用企业原有的局域网设施＼[10＼].由于MCGS WWW网络版组态软件引入了瘦客户机机制，只要客户端装有Microsoft Internet Explorer5.0版本的网页浏览器，在浏览器中输入服务器的IP地址，即可在网页中远程监测甚至控制现场，使用十分方便.

远程监控系统的通讯使用光纤媒介，不仅加快了数据的交换速度，而且可避免系统遭受雷击，从而提高了安全稳定性.

2 信号采集与变压器档位控制设计

石墨化过程实时测控系统需要及时判断石墨化设备：整流变压器、整流器的运行状态，实时调节变压器档位实现功率配送以保障石墨产品质量和设备安全、降低能耗.因此，需要实时采集各种现场参数：变压器高压侧的电参数、整流器输出电参数、变压器油温和整流器冷却水温等非电气参数、变压器当前档位信息，以及高压合闸与跳闸、变压器瓦斯门限报警、整流硅快速熔断器故障、电动操作机构故障、电动操作到位、变压器档位限位等信号.

2.1 EDA9033A智能交流电量采集模块

EDA9033A是一款内嵌高性能CPU的智能交流电量采集模块，用于完成整流变压器高压侧电气参数：三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、累计电量等数据的采集，通过RS485通信将所有数据上传到主机.电流用于监控设备的运行安全，功率因数和有功与无功的比值用于在线调控无功补偿，累计电量配合烧结时间和炉阻控制石墨化过程的终结，并用于石墨化用电情况统计，以便企业加强成本管理.

EDA9033A是采用电磁隔离与光电隔离技术，可测量三相三线制和三相四线制电流有效值、电压有效值、累计电量、功率因数等电气参数的智能模块，具有0.2级精确度，输出兼容RS232和RS485，支持ASCII码、MODBUSRTU协议等多种通讯规约＼[11＼].

本设计将EDA9033A设计为RS485现场总线的一个从节点，输入电压量程为AC100V，相电流输入量程为AC1A，通信协议为MODBUSRTU，配置110000∶100的电压互感器和300∶1的电流互感器，电压互感器采用Y/Y连接，三相副边电压和中心线依相序分别接入EDA9033A的a，b，c输入端和公共端.

2.2 调理电路

变压器高压侧的电参数和档位信息分别由EDA9033A和HMK7获得.其他模拟量参数属于直流信号，均已由原石墨化设备转换成了标准信号，通过PCI1710U板卡的A/D转换器转换成数字量输入主机.石墨化设备属于大电流高功率系统，现场存在强电磁干扰.为了实现测控系统与现场设备的电气隔离，消除电磁干扰的影响，采用光电耦合器件4N25设计了开关量输入隔离电路；在数据采集卡的输入端增加一级如图2所示的信号调理电路.

调理电路中运放U1构成电压跟随器，实现阻抗隔离，提高抗干扰能力.运放U2，U3与HCNR201构成线性光耦的典型电路，其简化原理图如图3所示.其中IPD1和IPD2分别表示发光LED的输入电流为IF时，光敏二极管PD1，PD2承受的反向电压处在额定值时流过的电流.IPD1，IPD2与IF的关系为：IPD1=K1IF，IPD2=K2IF，其中K1与K2分别为IPD1和IPD2随IF的变化参数.HCNR201的变化参数是相同的.图中，Vin=IPD1R1，Vout=IPD2R3，输出电压增益为Vout/Vin=KR3/R1，K=K1/K2.由此可知，HCNR201输入输出电压呈线性关系，且隔离放大的增益可通过电阻R1和R3来调整.

图3 HCNR201线性光电隔离电路工作原理图

Fig.3 Schematic diagram of linear optocoupler HCNR201

图3中R1和R3等效于图2中R15和R17，本文取R15=R17=100 kΩ，实现1∶1的隔离输出.因为电压信号易受到干扰，信号中掺杂着各种杂波，故信号必须要经过滤波处理.本文选择运放U4与电容C8，C9构成二阶低通滤波器，截止频率为：ωc=1R18R19C8C9＼[12＼].所有运放选用轨对轨输入及输出的SGM358.

输入信号为4～20 mA标准电流信号时，用250 Ω的I/V转换电阻变换为1～5 V的电压信号.

2.3 HMK7变压器档位控制器

HMK7内嵌高性能单片机，是支持RS485通信协议和点对点开关量远程控制方式的有载分接开关电动操作机构控制器，能根据主机命令调整变压器档位，实现变压器的有载调压，并提供当前档位、电动操作机构故障、电动操作到位和档位限位等信息＼[13＼].当采用开关量远程控制方式时，HMK7的相应信号接入采集板卡的IO端口.本设计使用HMK7的RS485通信方式将其设计为RS485现场总线的一个从节点.

HMK7通讯规约——数据帧格式由设备地址B0、数据帧长度B1、指令B2、指令B3、和校验B4等5个部分组成.MCGS通信组态时指定设备地址B0，帧长度固定为0X05，指令B2和B3的组合确定变压器档位调节方向或读取当前档位信息，和校验自动生成.本设计仅需使用3种命令，数据帧格式如表1所示.

档位调节每次只能上调或者下调1个档位，前后2次调节动作需要间隔一定的时间，且应进行档位限位控制：若当前档位值达到上、下限制档位时，即使根据功率配送曲线需要进行档位调节，控制程序也不发出调节命令，以便保护设备安全.

3 系统软件设计

系统软件主要由主机组态、界面与策略组成，采用模块与结构化编程方法设计，主要功能模块如图4所示，包括报表生成、报警与事件处理、数据处理、实时数据显示、历史数据显示、送电功率控制程序等.

利用MCGS内嵌式报表系统和丰富的函数完成数据的工程转换、实时数据和历史数据显示、实时报表和历史报表制作、报警和报警事件记录等功能；事件处理模块对检修或电网停电等非正常停机，可自动保存停电时的系统关键参数，并在重新来电后能自动恢复停电时的系统状态和继续运行.利用MCGS的运行策略编写送电功率自动控制程序，实现变压器档位的自动调节.系统主机和监视终端均采用网络版MCGS，远程监视终端可以通过SQL Server数据库访问服务器，实现远程网络监控和企业局域网的资源共享.

本节主要介绍数据处理程序和送电功率自动控制程序的设计.

于现场大电流产生严重的电磁干扰，还需使用软件滤波才能获得较好的滤波效果.

利用MCGS运行策略编写的直流电压滤波程序流程图如图5所示.MCGS每隔50 ms自动进入滤波循环策略，读取设备窗口中的PCI1710U，获取直流电压值，计算50个连续电压数据的平均值U；定义一个存放电压平均值U的一维数组a[5]，用新产生的U替代数组中最早的值；计算数组中5个数据的平均值得到滤波后的电压值U1.这种滤波算法有2次平均值计算，第一次是计算一段时间内实时数据的平均值，第二次的计算中有4个数据相同，仅1个数据被更新，属于滑动平均滤波算法，可使滤波结果更加稳定，但滤波输出存在延迟.石墨化系统对实时性要求不高.因此，该滤波算法不影响系统运行.

3.2 送电功率自动控制

石墨化过程送电功率的计算机自动控制既能减轻操作人员的劳动强度，也能保障功率配送的实时性与准确性，避免人工随意性引起的产品质量不稳定问题.

图6为石墨化炉电功率控制系统框图.控制系统完成以下功能：采集整流器输出的电压、电流值，计算实际送电功率，与功率曲线给定值比较，功率差值作为功率控制与调档算法的输入.若算法结果为需要调档，依据表1所示通讯规约规定的数据帧格式，通过485总线向HMK7下达档位切换指令，HMK7收到指令后控制SHMI切换变压器档位，改变送电功率.

石墨化电功率控制分为前后2个阶段，前阶段按照配电功率曲线送电，后阶段以最大安全电流送电.

前阶段功率控制与调档算法是一种定时+滞环控制算法.依据给定功率曲线，计算实际功率与给定功率的差值.若实际功率超过给定功率上限，则下调变压器档位；若实际功率小于给定功率下限，则上调档位.若实际功率在给定功率上限与下限之间，则变压器档位不变.后阶段属于强化升温阶段，以最大功率送电，仅需控制电流不超过变压器或整流器的安全电流Isafe，对应的功率控制与调档算法是一种最大电流控制，一旦电流上升到安全值就下调变压器档位，降低输出电压减小加热电流.

依据以上控制思想，石墨化前期功率控制程序流程图如图7所示.功率控制程序在MCGS循环策略中编写，图中BZ为区分功率控制与恒流控制的标志位，BZ=1表示功率控制阶段，BZ=0表示最大电流控制阶段.L%为设定功率的下限值，U%为设定功率的上限值，一般取L%=3%，U%=5%.

图8为某炉碳材料石墨化过程自动控制的送电功率与设定功率曲线对照图.图中实线为设定功率曲线，设定功率曲线的起始功率为2 000 kW，前4 h内功率上升速度为400 kW/h，在4～30 h内功率上升速度为100 kW/h，

30 h后实行最大电流强制升温.虚线为实际功率曲线.从图中可以看出，实际功率曲线较好地跟踪到了设定功率曲线.系统实际运行历时1年多，超过120炉次，所有产品全部合格，企业统计平均炉次耗电量比原系统降低了6%，产生了显著的经济效益.

4 结束语

本文从工程运用的角度出发，分步详细介绍了石墨化过程测控系统的软硬件设计.系统投入生产后，运行稳定，工控机能依据设定的功率曲线自动调节石墨化过程的送电功率，这种送电方式不仅减轻了操作人员的工作量，解决了人工操作随意性引起产品质量波动的问题，使产品质量得到了保证，而且有效降低了单炉电耗，产生了显著的经济效益.

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