1 引言
萊鋼中小型軋鋼生產(chǎn)線于97年建成投產(chǎn)，主要生產(chǎn)圓鋼、彈簧扁鋼、槽鋼和螺紋鋼。該生產(chǎn)線PLC控制系統(tǒng)由ABB公司提供，其自動控制系統(tǒng)采用ABB MasterPiece 200/1 PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了18架軋機(jī)以及冷床、冷剪和碼垛機(jī)的自動控制。基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)采用ABB公司的RMC200軋鋼控制系統(tǒng)，它是一個開放型集散控制系統(tǒng)，由一套MP200/1過程站和一套AS520操作員站組成。過程站由一個CPU機(jī)架帶一個I/O機(jī)架組成，CPU機(jī)架上安裝了CPU模板DSPC172、內(nèi)存模板DSMB176以及32通道的DI/DO模板，通過通訊模板DSCS140連接到MasterBus300總線上，與其它過程站進(jìn)行通訊，I/O機(jī)架由總線擴(kuò)展模塊DSBC172實(shí)現(xiàn)總線擴(kuò)展。
操作員站采用HP-UNIX工作站，并通過實(shí)時(shí)加速器板連接到MasterBus300的冗余接口，通過它操作人員可直接對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，主要功能有:(1)軋鋼生產(chǎn)設(shè)備的啟停(2)設(shè)備數(shù)據(jù)設(shè)定和實(shí)時(shí)監(jiān)控(3)事件與報(bào)警清單的顯示與打印等。系統(tǒng)的主要畫面有啟動畫面、設(shè)定畫面、維護(hù)畫面、事件畫面和報(bào)警畫面。系統(tǒng)配置圖如圖1所示。
2 PLC診斷軋鋼生產(chǎn)設(shè)備故障的基本原理
軋鋼設(shè)備的故障信號有數(shù)字量和模擬量之分，PLC采用不同的方法對這兩種信號對應(yīng)的故障進(jìn)行診斷。
2.1 基于數(shù)字量信號的故障診斷
PLC對數(shù)字量信號的識別是通過其數(shù)字量輸入模塊完成的。PLC控制軋鋼生產(chǎn)設(shè)備時(shí)，設(shè)備中的壓力、溫度、液位、行程數(shù)字及操作按鈕等數(shù)字量傳感器與PLC的輸入端子相連，每個輸入端子在PLC的數(shù)據(jù)區(qū)中分配有一個“位”，每個“位”在內(nèi)存中為一個地址。讀取PLC輸入位的狀態(tài)值可作為識別數(shù)字量故障信號的根據(jù)。診斷數(shù)字量故障的過程，實(shí)質(zhì)就是將PLC正常的輸入位狀態(tài)值與相應(yīng)的輸入位的實(shí)際狀態(tài)值相比較的過程。如果二者比較的結(jié)果是一致的，則表明設(shè)備處于正常工況，不一致則表明對應(yīng)輸入位的設(shè)備部位處于故障工況。這就是PLC診斷基于數(shù)字量信號故障的基本原理。這種診斷方法，故障定位準(zhǔn)確，可進(jìn)行實(shí)時(shí)在線診斷。通過PLC的圖形功能塊編程，還可將故障診斷融入過程控制，達(dá)到保護(hù)軋鋼設(shè)備的目的。
2.2 基于模擬量信號的故障診斷
PLC對模擬量信號的識別是通過PLC的模擬量輸入輸出模塊來完成的。模擬量輸入輸出模塊采用A/D轉(zhuǎn)換原理，輸入端接收來自傳感器或變送器的模擬信號，輸出端輸出的模擬信號作用于PLC的控制對象。PLC診斷模擬量故障的過程，實(shí)質(zhì)就是將在相應(yīng)A/D通道讀到的監(jiān)測信號的模擬量的實(shí)際值與系統(tǒng)允許的極限值相比較的過程。如果比較的結(jié)果是實(shí)際值遠(yuǎn)離極限值，則表明軋鋼生產(chǎn)設(shè)備對應(yīng)的受監(jiān)控部位處于正常狀態(tài)，如果實(shí)際值接近或達(dá)到極限值，則為不正常狀態(tài)。判斷故障發(fā)生與否的極限值根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)相應(yīng)的參數(shù)變化范圍確定，利用PLC上的模擬量設(shè)定開關(guān)可精確設(shè)置該極限值。
當(dāng)模擬量的實(shí)際值達(dá)到模擬量設(shè)定開關(guān)的設(shè)定值，PLC還能按照一定的邏輯關(guān)系啟動開關(guān)量模塊上的輸出位，或者從PLC的通訊口主動發(fā)起通訊，從而輸出故障診斷的結(jié)果，并據(jù)此實(shí)現(xiàn)對軋鋼生產(chǎn)設(shè)備的控制。
2.3 基于中斷方式的故障診斷
PLC的中斷方式有:
(1) 輸入中斷;
(2) 間隔定時(shí)器中斷;
(3) 高速計(jì)數(shù)器中斷。其中，輸入中斷特別適合于軋鋼生產(chǎn)設(shè)備的故障診斷。它對應(yīng)于工業(yè)操作站的硬中斷，屬于外部中斷，但PLC的輸入中斷可用PLC的外部指令來屏蔽。將軋鋼生產(chǎn)設(shè)備的故障信號作為PLC的輸入中斷源，一旦出現(xiàn)故障信號，CPU立即響應(yīng)，停止正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)到中斷子程序中去，即可方便地對故障進(jìn)行處理。它與直接利用PLC的內(nèi)部邏輯完成故障診斷的不同之處在于:采用輸入中斷處理故障時(shí)，可停止PLC主程序的執(zhí)行過程，而直接利用PLC的輸入和內(nèi)部邏輯處理故障時(shí)，PLC的主程序仍處于運(yùn)行狀態(tài)。因此，要根據(jù)故障對軋鋼生產(chǎn)設(shè)備的影響程度選擇合適的故障診斷方式。PLC的輸入中斷方式對后果嚴(yán)重的突發(fā)故障的處理特別有用。
3 PLC在故障診斷系統(tǒng)中的作用
故障診斷系統(tǒng)是典型的人機(jī)系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)中的信息流向和功能劃分的結(jié)果[1]，基于操作站智能化的故障診斷系統(tǒng)，如圖2所示。
系統(tǒng)的輸入模塊要完成軋鋼生產(chǎn)設(shè)備故障檢測信號、控制指令和專家知識的接收工作。處理模塊要求能自動實(shí)現(xiàn)特征參數(shù)提取、控制指令代碼轉(zhuǎn)換的功能。專家知識的整理和表達(dá)由領(lǐng)域?qū)＜液拖到y(tǒng)專家協(xié)作完成。控制模塊是故障診斷系統(tǒng)的核心，它根據(jù)控制指令，利用專家知識，完成從故障特征到故障原因的識別工作。控制模塊的功能越完善，故障診斷系統(tǒng)的智能化程度越高。輸出模塊通過聲光報(bào)警裝置和人機(jī)界面，給出故障定位、預(yù)報(bào)和解釋的結(jié)果。其中，人機(jī)界面還能提供排除故障的技術(shù)路線。實(shí)現(xiàn)信息源從輸入模塊到輸出模塊的全自動流向，減少人在其中的干預(yù)作用，是軋鋼生產(chǎn)設(shè)備對其故障診斷系統(tǒng)的要求。采用PLC的故障診斷系統(tǒng)，有助于實(shí)現(xiàn)故障診斷過程的自動化。
4 利用PLC和操作站實(shí)現(xiàn)智能化診斷的方式
實(shí)現(xiàn)軋鋼生產(chǎn)設(shè)備故障診斷的智能化，可充分利用專家知識，提高診斷效率，是故障診斷技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。由于目前的PLC產(chǎn)品不具備自動獲取和存儲專家知識的功能，所采用的編程語言無法完成控制層中的計(jì)算推理功能，因此，單純采用PLC的故障診斷系統(tǒng)的智能程度是相當(dāng)有限的。為此，可利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通訊技術(shù)，將PLC和操作站聯(lián)接成網(wǎng)絡(luò)，互相取長補(bǔ)短，共同構(gòu)成故障診斷的硬件系統(tǒng)。PLC采用并行分布式結(jié)構(gòu)，作下位機(jī)使用，操作站作為上位機(jī)，可完成PLC的程序下裝，實(shí)施對多臺PLC的管理，進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算，建立數(shù)據(jù)庫，存儲專家知識，其輸入輸出設(shè)備可用作診斷過程的人機(jī)交互。PLC與操作站通過兩種方式聯(lián)接成一個整體:一是通過PLC的通訊口和操作站的通訊口進(jìn)行聯(lián)接，二是通過PLC的輸入輸出端子與操作站上的開關(guān)量板和A/D板進(jìn)行聯(lián)接。其中，PLC通過通訊口傳遞給上位機(jī)的故障信號多達(dá)2個或2個以上時(shí)，上位機(jī)要通過編碼進(jìn)行識別，而通過PLC輸出端子傳遞給上位機(jī)的故障信號，上位機(jī)要通過開關(guān)量板輸入端子的地址來識別。PLC輸入端子可接受來自上位機(jī)的控制信號或故障信號。網(wǎng)絡(luò)中的PLC和操作站在故障診斷系統(tǒng)中各自扮演著不同的角色。通常情況下，故障診斷過程中復(fù)雜的邏輯判斷、開關(guān)量故障信號的檢測以及在嚴(yán)重故障狀態(tài)下對設(shè)備進(jìn)行的保護(hù)可交給PLC完成，而復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算和人機(jī)交互可在上位機(jī)上完成。
5 應(yīng)用效果
整個車間自動化系統(tǒng)為二級控制系統(tǒng)，即設(shè)備控制級和信息管理級，設(shè)備控制級即一級系統(tǒng)為RMC200軋線控制系統(tǒng)，采用ABB Master Piece系統(tǒng)，由10套ABB Master Piece200/1過程站、3套Master Piece90過程站、和3臺Advant Station 500系列操作站、1臺VT340監(jiān)控站及2臺MasterAid220編程器構(gòu)成。各過程站之間的網(wǎng)絡(luò)通訊采用Master Bus 300(簡稱MB300)，通過加熱爐的過程站與二級信息管理級進(jìn)行通訊。每一個MP200/1過程站通過一個DSCS140通訊板連接到MB300網(wǎng)絡(luò)上,通過MB300網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通訊板上可以設(shè)定地址開關(guān)，據(jù)此來確定該節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)上的位置。對于MP200/1與打捆機(jī)MP90的通訊,通過RMC7系統(tǒng)中的通訊板DSCS131連接至MODEM,打捆機(jī)上也分別裝一MODEM和通訊板DSCS131，由MODEM來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊。在加熱爐RMC1的MP200/1系統(tǒng)中，通過DSCS150板與二級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)IBM Netifinity 5000 服務(wù)器通訊，二者通過GCOM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。下面以RMC2為例，簡介實(shí)現(xiàn)軋鋼生產(chǎn)設(shè)備故障診斷的智能化。
RMC2實(shí)際上包括三套PLC:RMC2、RMC52、RMC62，RMC2主要完成的控制功能有:軋制程序表的設(shè)定及存儲、爐前裝料設(shè)備控制(包括熱送和裝冷坯兩種情況)、爐前鋼坯測長與稱重、加熱爐出口設(shè)備控制、粗軋機(jī)主傳動控制、粗軋機(jī)微張力控制、6#剪子控制;RMC52主要完成的控制功能有:中軋機(jī)控制(包括速度級聯(lián)、速度給定、跟蹤)、軋線模擬軋鋼測試、中軋機(jī)組的活套掃描器控制;RMC62主要完成的控制功能有:精軋機(jī)控制(包括速度級聯(lián)、速度給定、跟蹤)、精軋機(jī)組的活套掃描器控制。RMC2、RMC52、RMC62三者既需獨(dú)立完成分配給自己的控制功能，又環(huán)環(huán)相扣，互相聯(lián)鎖制約著，若中軋機(jī)組的活套掃描器控制中有差錯，軋鋼控制系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，6#剪子立即碎斷，防止軋線堆鋼，同時(shí)，加熱爐停止出鋼，直至故障解除。
所設(shè)計(jì)的故障診斷系統(tǒng)能完成以下功能:
(1) 測試過程開始前，運(yùn)行故障診斷系統(tǒng)，檢查軋鋼生產(chǎn)控制系統(tǒng)是否處于良好狀態(tài)。對于開關(guān)量，這個過程是上位機(jī)通過通訊口讀取PLC輸入位的狀態(tài)值并與其正常狀態(tài)值相比較的過程;對于模擬量，這個過程可用讀取模擬量起動的開關(guān)位的狀態(tài)值作為判斷的根據(jù)，也可將從其它站讀取的模擬量與其相應(yīng)的極限值相比較的結(jié)果作為判斷的根據(jù)。若發(fā)現(xiàn)測控系統(tǒng)有故障，應(yīng)及時(shí)處理(上位機(jī)顯示屏給出具體故障的部位報(bào)警)。只有當(dāng)診斷結(jié)果為良好狀態(tài)時(shí)，才能進(jìn)行的軋鋼性能測試;
(2) 如果測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)不合格的設(shè)備，應(yīng)重新運(yùn)行故障診斷系統(tǒng)。
(3) 如果測試過程當(dāng)中，測控系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障，則PLC通過通訊口或上位機(jī)輸入輸出板傳遞故障信號，使測控系統(tǒng)退出測試過程，屏幕給出故障診斷的結(jié)果和排除故障的建議。
6 結(jié)束語
PLC可為軋鋼生產(chǎn)設(shè)備的故障診斷提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。在進(jìn)行故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)診斷系統(tǒng)的功能要求，選用適當(dāng)?shù)?/font>PLC，可豐富和完善診斷系統(tǒng)的功能。隨著PLC新產(chǎn)品的研制成功，它在故障診斷領(lǐng)域?qū)⒂懈鼜V闊的應(yīng)用前景。
