中频炉自动化系统的生产数据采集过程分析

2021-04-05吴俊杰杨丁山

中国金属通报 2021年1期

吴俊杰，杨丁山

（江西铜业集团(德兴)铸造有限公司，江西德兴 334224）

由于现代社会经济的不断发展，作用于金属熔炼方面的中频炉使用更加频繁，为了有效提升工作效率，中频炉的各项功能也越来越完善[1]。中频炉的全称是中频感应电炉，和传统的铸造设备不同，它在熔炼过程中具有更多的优点，例如：时间短、材料损失少、作用范围广、环境污染小等等。这些优势使其得到更多应用，同时其各项功能也得到了更多提升，随着计算机技术的不断进步，中频炉的自动化也开始普及开来[2]。自动化系统的应用，在中频炉的工作、监测过程中，都取得了较好的效果[3]。目前，中频炉自动化系统的生产数据采集过程开始成为了关注重点。本文通过对中频炉自动化系统的研究，展现了生产数据的采集与传输详细流程[4]。

1 中频炉自动化系统

自动化控制系统技术的快速发展之下，中频炉的自动化应用也带来了明显优势[5]。在中频炉的工作过程中，很多系统同时进行工作。在中频炉系统这个最大的整体之下，其实还包含很多细小的子系统没有展示出来，例如：炉体控制系统、送料系统等等，每个子系统都有对应的自动化监视[6]。除此之外，还有总体的监视系统，方便进行工作的调控[7]。目前简要分析中，将网络结构主要分为三部分，如图1所示。其一是主控室板块，其中最主要的就是计算机操作站、数据交换与报表系统计算机；其二是基础自动化板块，炉体控制系PLC、水系统PLC都在内；其三就是高压配电系统，包含高压配电综保通讯机以及现场计算机操作站处于其中。

这里高压配电系统最为重要，它承担一个动力系统的作用，决定着整个项目的运行，在高压配电系统工作的时候，监测工作影响巨大，掌握了它的产能、耗能，对于生产数据的掌握才能准确。为了保证监视数据记录工作的准确性，对于高压配电系统数据采集方面，自动化系统形成了一个数据交换与报表子系统，在高压通讯系统数据收集后，向基础自动化进行传达，并生成报表。

图1 系统网络配置图

2 生产数据采集过程

中频炉自动化系统的数据采集工作，需要注重安全性、实时性、可靠性等特点，因此采集工作步骤繁多，各系统配合才能实现生产数据采集工作，如图2所示。

图2 数据流向图

2.1 高压配电系统数据采集

由于动力系统生产中所处位置重要，这部分的数据采集需要更精准、也更复杂一些。首先，在高压配电系统中，以太网起到一个连接的作用，是数据采集与交换的基础。以客户端、服务器端作为沟通方式，同TCP进行联系。对高压系统工作数据进行采集和监视。当软件开始启动后，系统自动进行连接工作。提前对高压配电系统的TCP、IP地址、端口号进行设置。并且，预设对应的超时参数。然后，在连接成功后，对于采集的数据，进行自动传输。随后，开始报文监视的流程，在规定的监视时间之内，系统没有收到报文，那么超时之后即使收到报文，也会以另一种格式响应，而不是收到的原格式；当系统一段时间内都没有报文的收发任务，那么，会出现发送测试报文的情况。系统进行数据传输后，将总召命令进行开启，并且监测其是否正常工作。值得注意的是，总召命令一旦启动，只有工作完成或超时的情况下才能再次开启。随后就可以等待各种数据上传，进行接收。接收数据按照全遥信单点信息、全遥测短浮点数、电量累计值三种分类，分别将数据保存到遥信量数据表、遥测量数据表、以及电量累计值数据表。

2.2 基础自动化数据采集

高压配电系统运转数据进行收集后，以TCP、IP网络接口作为传播方式。通过一些自动化系统进行主动访问，其访问对象就是高压综保通讯机，经过这一系列流程，最终对运转数据进行获取，并传递给基础自动化PLC。采用SIMATIC NET OPC通讯的形式，得到中频炉工作信息、其他系统运行信息，这些数据的来源都是基础自动化PLC中所包含的。其他的，例如：炉体控制数据、电力相关信息、冷却水的工艺方法等等，也可以使用SIEMENS S7 PROTOCOL中的TCP接口，面向自动化PLC系统的数据进行获取工作。

2.3 生产管理数据采集

一般情况下，生产管理数据由计算机监视人员进行人工输入，其中包括：开炉动作、钢种信息、钢次信息以及停炉动作。在计算机自动化系统的帮助下，同样以TCP、IP网络接口作为传播途径，将本需要人工输入的生产管理数据，经由SIEMENS S7 PROTOCOL中的TCP接口获取，将其传达到PLC。之后由数据交换与报表计算机进行获取，进行数据的采集与自动化输入。

2.4 生产流程数据采集

关于生产流程的数据采集工作，需要从每一炉的生产流程进行观察。数据从开炉时间开始记录，除此之外，一方面要记住对生产过程中，电力方面的电流、功率等数据，以此作为依据计算单炉的耗电能；另一方面，还要记录机器运行的相关信息，包括运行频率、电压等项目。信息记录的停止，在于系统接收到停炉信号的瞬间，在生产工作停止后，对时间信息、数据信息同样进行记录，和生产开始信息产生对照关系。

2.5 OPC通讯控制数据

在一个完整的数据采集过程中，对于数据的控制能力也是不可缺少的，足够的数据控制能力，才能实现数据的灵活配置。OPC通讯技术在数据控制中可以发挥极大作用。为了应用软件的开放性和可靠性的提升，硬件开发商设置了通用的数据接口，以此来实现软件读取硬件设备信息的目标。OPC通讯技术可以从不同服务器中获取数据，实现多种系统的集成以及数据的灵活运用。当计算机连接网络后，可以通过OPC通讯实现数据交换。这种用于数据交换的系统，也可以用来获取各类生产工艺数据的。通过自动化系统所采集的生产数据，可以通过OPC的DATACHANGE功能，对标签数据进行实时更新。将这些更新数据放置到内存信息中，针对任务所需要的信息进行配置数据，形成生产数据记录。生产流程的数据采集后，可以提前进行信息提取，通过计算机控制执行命令。针对OPC通讯设立的各种信息形式，例如：标签信息、任务信息、对应信息等等，开发其连接功能。OPC通讯中标签变量、相关索引号等所有配置信息，在程序启动后进行初始化操作，将其存储至内存变量中。当有所需要时，根据给出的相关信息提示，OPC通讯自动化系统对所需数据进行处理，并将其保存至数据库，以供历史生产数据查询以及数据报表生成。

2.6 IEC104规约监视数据

在生产数据自动化采集的过程中，为了保证获取数据的准确性，对于数据的监视工作不可或缺。在这方面IEC104规约以及SCADA 系统作用显著。IEC104规约的全称是IEC60870-5-104规约，由国际电工委员会所制定，主要在电力系统方面应用广泛，包括能源管理系统(EMS)、安全监控和数据采集系统(SCADA)、配电自动化系统、其他公用事业等等。以这些系统作为目标制定的传输规约。利用IEC104规约为网络传输远动信息提供规约支撑，对规约的标准化、通信的可靠性进行了很好的保证。IEC104规约在中频炉自动化系统生产数据采集过程中发挥主要作用的是SCADA 系统。在自动化系统的生产数据获取过程中，SCADA 系统的监视和控制功能面向现场的运行设备，在数据采集、参数调节、各类信号报警等方面都起着巨大作用。作为一个应用广泛、技术发展成熟的子系统，具备多项优势，在提高生产效率、提升生产水平方面无法替代。对于高压配电系统运转数据，进行监视，从而了解高压配电系统有没有进行有效的通讯。数据交换与报表系统计算机在进行以太网连接之后，以IEC104通讯协议作为依据，向高压配电系统发出任务，使其进行报文的查询工作。收到任务之后，高压配电系统做出相关数据回复。在实时采集开启工作之后，高压配电系统运转数据采集到的本地进行储存，然后经过OPC通道，对数据进行下载，并保存至中频炉本地计算机TCP IP地址中。之后，通过通讯设备连接、数据发送、信息确认完成。对于高压配电系统所有涉及到的信息做出集中处理，也就是通过一台通讯机对10个配电柜的信号收集。配电柜信号传输内容丰富，包括各种电压信号、电流信号、开关状态信号、断路器位置信号、故障跳闸信号等等。