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隨著技術(shù)的進(jìn)步，由稱重傳感器制作的電子衡器已廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè)，稱重傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料的快速、準(zhǔn)確的稱量，它已成為過程控制中的一種必需的裝置。煉鋼自動(dòng)化和物料管理都離不開數(shù)據(jù)采集和傳輸這一環(huán)節(jié)，檢測儀表的數(shù)據(jù)采集是保證可編程控制(PLC)系統(tǒng)運(yùn)行的必要條件。近年來本鋼煉鋼廠完成了大量的新項(xiàng)目和技術(shù)改造，稱重系統(tǒng)在轉(zhuǎn)爐、精煉、鐵水預(yù)處理及鑄機(jī)上都有廣泛的應(yīng)用。稱重?cái)?shù)據(jù)是各 PLC 控制系統(tǒng)中生產(chǎn)控制、物料統(tǒng)計(jì)管理的主要依據(jù)。在各個(gè) PLC 控制系統(tǒng)中，對(duì)稱重系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集的方法也不盡相同。對(duì)此詳細(xì)敘述了在本鋼煉鋼廠生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用的稱重?cái)?shù)據(jù)采集的幾種方法，并對(duì)其各自的特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析說明。

1 稱重儀表的技術(shù)特點(diǎn)
1.1 稱重儀表的功能
稱重儀表主要是利用電子技術(shù)方法測量、顯示和控制物料質(zhì)量的儀表。稱重儀表多用于需要快速、遠(yuǎn)距離測量、數(shù)字顯示以及過程控制等自動(dòng)化系統(tǒng)。稱量范圍可從幾克到幾百噸，稱量精度可達(dá)到 0.001～0.000 1 以上。在應(yīng)用中，可用它構(gòu)成料斗稱、吊車稱、軌道衡、皮帶稱等。電子稱與機(jī)械秤、機(jī)械—電氣稱比較，除機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)工作量小外，突出的優(yōu)點(diǎn)是能組合成自動(dòng)化程度很高的、多組分配量控制系統(tǒng)。

在本鋼煉鋼廠的各控制系統(tǒng)中，稱重系統(tǒng)起著舉足輕重的作用。如轉(zhuǎn)爐煉鋼中的輔原料加料系統(tǒng)、鐵合金稱量系統(tǒng)，鐵水預(yù)處理系統(tǒng)的鎂粉罐及石灰罐的稱量，精煉加料系統(tǒng)、鋼包和鑄機(jī)中間包稱量等，都是各自控制系統(tǒng)中不可或缺的重要技術(shù)參數(shù)。因此，采集到精準(zhǔn)的稱量數(shù)據(jù)是十分重要的。

1.2 稱重儀表的技術(shù)特點(diǎn)

在煉鋼各個(gè)工序中應(yīng)用的稱重儀表均為智能型稱重儀表，它具有以下的技術(shù)特點(diǎn)。
1)與各類傳感器、變送器配合使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種現(xiàn)場的重量測量、測控、數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)打印，具有毛重、去皮、凈重、峰值、峰谷處理功能。
2)采用先進(jìn)的硬件電路和智能化的軟件處理，具有 WATCHDOG 電路、軟件陷阱與冗余、掉電保護(hù)、數(shù)字濾波和很強(qiáng)的糾錯(cuò)、抗干擾功能。
3)輸入信號(hào)，各種測力傳感器輸出的電流、電壓信號(hào)。比較輸出類型有 OC 門輸出和繼電器輸出兩種。可選擇的模擬量輸出光電隔離 4～20mADC 。
4)RS232/RS485 串行數(shù)據(jù)輸出接口。

2 可編程控制器(PLC)的數(shù)據(jù)采集
本鋼煉鋼廠基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)采用三電一體化設(shè)計(jì)，所有電控、儀控信號(hào)均接入 PLC。在各個(gè) PLC控制系統(tǒng)中，安裝在現(xiàn)場的壓力變送器、溫度變送器、流量計(jì)、鋼水稱重、測溫等檢測儀表采集儀表數(shù)據(jù)，開關(guān)、限位等設(shè)備收集工藝生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)和現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，所有數(shù)據(jù)匯入 PLC 系統(tǒng)，再通過終端操作站所發(fā)出的指令，在 PLC 中按預(yù)先設(shè)定程序?qū)崿F(xiàn)過程回路調(diào)節(jié)，電氣設(shè)備順序控制和傳動(dòng)設(shè)備的控制。
PLC 采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后傳送到主控室的現(xiàn)場操作站的人機(jī)接口畫面(HMI)上。根據(jù)工藝要求，在 HMI 上設(shè)有與現(xiàn)場工藝對(duì)應(yīng)的各個(gè)操作畫面，用來顯示現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)、各工藝參數(shù)實(shí)際值和系統(tǒng)控制過程。操作人員通過對(duì) HMI 的監(jiān)視，可以實(shí)時(shí)地觀測到設(shè)備的運(yùn)行狀況，操作人員還可以根據(jù)實(shí)際情況修改工藝數(shù)據(jù)，并及時(shí)處理報(bào)
警事件，必要時(shí)可以人工干預(yù)設(shè)備的運(yùn)行。

由此可見，數(shù)據(jù)采集的精確程度是保證 PLC 控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的必要條件。

3 稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的幾種方法
3.1 用模擬量輸入模板數(shù)據(jù)采集方式采集稱重?cái)?shù)據(jù)
在本鋼煉鋼廠鐵水預(yù)處理站，不僅要在操作畫面上顯示出鎂粉罐、石灰罐的重量供操作人員監(jiān)測，在控制程序中還要用它來計(jì)算噴吹過程中的噴吹量，當(dāng)噴吹量達(dá)到設(shè)定的噴吹重量時(shí)，就會(huì)自動(dòng)停止噴吹。在該控制系統(tǒng)中對(duì)鎂粉和石灰重量的采集采用的是模擬量輸入數(shù)據(jù)采集方式。模擬量模板數(shù)據(jù)采集方式需要稱重儀表有 4～20mA 電流輸出
信號(hào)，把這個(gè)信號(hào)輸出到 PLC 的模擬量輸入模板上，在 PLC 內(nèi)對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行處理即可。模擬量輸入模板數(shù)據(jù)采集方式如圖 1 所示。

由圖 1 可見，由稱重傳感器測得的稱重信號(hào)傳送到稱重儀表中，稱重儀表通過 D/A 轉(zhuǎn)換把測量得到的重量轉(zhuǎn)化為 4～20mA 電流信號(hào)，把這個(gè)信號(hào)輸入到 PLC 模擬量輸入模板的一個(gè)通道后，再由PLC 程序把這個(gè)電流信號(hào)再轉(zhuǎn)化成相對(duì)應(yīng)的重量值。這種數(shù)據(jù)采集方式比較簡單，與 PLC 的連接、數(shù)據(jù)處理和計(jì)算與一般的模擬量相同，PLC 技術(shù)人員能很快地掌握。但這種方式中，因?yàn)閮x表零點(diǎn)不穩(wěn)定、信號(hào)漂移等原因，電流信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)存在著一定的誤差，處理后所得的數(shù)據(jù)與稱重儀表上的顯示值有可能有一定的誤差。
3.2 用稱重模塊采集稱重?cái)?shù)據(jù)
這種方法在本鋼煉鋼廠轉(zhuǎn)爐的輔原料下料、鐵合金、精煉稱量系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛。轉(zhuǎn)爐煉鋼中的輔原料加料系統(tǒng)，除能顯示和記錄當(dāng)前稱量斗所加物料的重量外，它還直接參與各種物料的自動(dòng)控制，是自動(dòng)加料功能不可或缺的技術(shù)參數(shù)。它采用西門子稱重模塊來對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采集。西門子稱重模塊，可直接應(yīng)用于西門子 S7 控制系統(tǒng)中，是 PLC 的一個(gè)功能模塊，多用于S7300PLC 或 ET200 遠(yuǎn)程站中。現(xiàn)場的稱重傳感器將所測得的電壓信號(hào)送到稱重模塊，在經(jīng)過稱重模塊進(jìn)行計(jì)算處理(包括 AD 轉(zhuǎn)換，濾波等)后，通過PLC 總線直接傳給 CPU 中，然后在操作畫面上顯示出來。稱重模塊采集稱重?cái)?shù)據(jù)的連接方式如圖 2所示。

這種模式是目前工業(yè)稱重最先進(jìn)的系統(tǒng)，以傳感器的毫伏信號(hào)直接進(jìn)入 PLC，稱重模塊就是 PLC的一部分，免去了變送器和稱重儀表等中間環(huán)節(jié)，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，減少了故障點(diǎn)。除此之外，西門子稱重還為稱重調(diào)校提供了解決方案，它提供校稱專用的 SIWATOOL 組態(tài)軟件，通過計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行校稱，過程簡單快捷，即使是不懂PLC 基本知識(shí)，也可以快速將秤校好。這種稱重模式應(yīng)用效果好，簡單方便，投入使用后幾乎不用維護(hù)，只要定期對(duì)傳感器進(jìn)行校驗(yàn)，以保證精度即可。

3.3 用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通訊方式采集稱重?cái)?shù)據(jù)
在本鋼煉鋼廠升級(jí)的連鑄機(jī)一級(jí)控制系統(tǒng)、薄板坯連鑄機(jī)控制系統(tǒng)中，大、中包的稱量是澆鑄過程中的重要數(shù)據(jù)，不但為操作人員提供精確的鋼水重量值，還直接參與澆鑄的聯(lián)鎖控制。它使用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通訊方式，采用的是西門子專用的點(diǎn)對(duì)
點(diǎn)數(shù)據(jù)通訊模塊。
西門子點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通訊模塊是串行數(shù)據(jù)通訊的專用模塊，它可以實(shí)現(xiàn)與具有標(biāo)準(zhǔn)串行接口的單體設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。它有適合在 S7300 和 ET200 遠(yuǎn)程站中應(yīng)用的 CP340、CP341 系列，也有可應(yīng)用在S7-400 中的 CP440 和 CP441 系列。

以 ET200M 子站中配置的 CP341 通訊模塊為例，說明點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通訊方式采集數(shù)據(jù)的方法。CP341 通訊模塊是通過點(diǎn)到點(diǎn)連接，用于高速，強(qiáng)大的串行數(shù)據(jù)交換，以減輕 CPU 的負(fù)擔(dān)。該模塊提供了三種不同類型的傳輸接口：RS232C(V.24)、20mA(TTY) 、RS422/RS485(X.27)。同時(shí)，該模塊內(nèi)置有 ASCII、3964(R)和 RK512 通訊協(xié)議，用戶要根據(jù)稱重儀表的參數(shù)進(jìn)行選擇。用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通訊方式采集稱重?cái)?shù)據(jù)的連接方式如圖 3 所示

使用 CP41 通訊模塊，首先要確保模板到儀表的連線準(zhǔn)確、可靠，確保專用接口的連線正確無誤。其次是在 S7 硬件配置中配置 CP341 模板，根據(jù)所連接稱重儀表的通訊參數(shù)設(shè)置模板的通訊參數(shù)，包括通訊數(shù)據(jù)的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位等，都要完全與稱重儀表的設(shè)置相同。配置成功后，用S7 提供的專用功能塊行編程，讀取儀表的數(shù)據(jù)。
薄板坯連鑄控制系統(tǒng)中采用的是 CP341 模板點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通訊方式，在今年升級(jí)的連鑄一級(jí)系統(tǒng)中采用的 CP421 模板，在應(yīng)用中效果很好，得到了現(xiàn)場操作人員和儀表維護(hù)人員的認(rèn)可和好評(píng)。在這兩個(gè)系統(tǒng)的通訊中都實(shí)現(xiàn)了雙方應(yīng)答通訊的功能，就是在 PLC 需要讀取稱重?cái)?shù)據(jù)時(shí)向稱重儀表發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求信號(hào)，儀表在接收到請(qǐng)求信號(hào)后發(fā)出串行數(shù)據(jù)，PLC 接收到數(shù)據(jù)后再通知儀表接收成功，在PLC 內(nèi)對(duì)所接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，送到 HMI 操作畫面顯示或 PLC 程序參與聯(lián)鎖與控制。雖然這種傳輸數(shù)據(jù)的方法可靠，但在硬件配置上要求很高，在編程上也具有一定的難度，需要有一定專業(yè)知識(shí)的技術(shù)人員才能掌握。
3.4 用 用 PROFIBUS  現(xiàn)場總線方式采集稱重?cái)?shù)據(jù)
在本鋼煉鋼廠新近投產(chǎn)的 7 號(hào)寬板坯連鑄控制系統(tǒng)中，又取出一項(xiàng)新技術(shù)—PROFIBUS 現(xiàn)場總線方式來采集稱重?cái)?shù)據(jù)。在這種數(shù)據(jù)采集方式中，通過 PM-120T 轉(zhuǎn)換器將具有 RS485 專用通信協(xié)議的接口設(shè)備連接到 PROFIBUS 總線上，使設(shè)備成為PROFIBUS 總線上的一個(gè)從站，使用戶可以在短時(shí)間內(nèi)自主編程實(shí)現(xiàn)連接通信。
PM-120 轉(zhuǎn) 換 器 是 將 RS485 協(xié) 議 轉(zhuǎn) 換 為PROFIBUS-DP 協(xié)議的轉(zhuǎn)換器，它實(shí)現(xiàn)了串口與PROFIBUS-DP 的數(shù)據(jù)通訊。它運(yùn)用透明轉(zhuǎn)換模式，轉(zhuǎn)換串口輸入數(shù)據(jù)，以字節(jié)流的形式，由轉(zhuǎn)換器的PROFIBUS-DP 側(cè)端口輸出；同時(shí)，從轉(zhuǎn)換器的PROFIBUS-DP 側(cè)端口輸入的數(shù)據(jù)，會(huì)以字節(jié)流的形式，由串口輸出。它的通用性強(qiáng)，用戶根據(jù) RS485接口設(shè)備的通信協(xié)議在主站上自主編程即可實(shí)現(xiàn)通信。它有波特率自適應(yīng)功能，不需要特殊配置。用 PROFIBUS 現(xiàn)場總線采集數(shù)據(jù)的連接方式如圖 4 所示。
這種數(shù)據(jù)采集方法的步驟如下：首先在 S7 硬件配置中安裝 PM-120 轉(zhuǎn)換器的 GSD 文件，這樣在S7 配件配置中就可以找到 PM120 了；其次是按照實(shí)際站號(hào)設(shè)置 PM120 的站號(hào)(圖中為站號(hào) 5)，為其添加 16Byte 落后 IN，16Byte OUT 的數(shù)據(jù)區(qū)；最后通過簡單的編程讀取數(shù)據(jù)區(qū)的通訊數(shù)據(jù)即可完成數(shù)據(jù)通訊。
這種數(shù)據(jù)通訊方式不帶任何協(xié)議，配置簡單，不但是稱重儀表，凡是具有 RS485 串行接口的設(shè)備都可以使用它來實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場總線 PROFIBUS 的互連。用戶可以不必了解 PROFIBUS 技術(shù)細(xì)節(jié)，根據(jù)要求完成配置就可以實(shí)現(xiàn)連接，同時(shí)也不需要復(fù)雜的編程，就可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。在寬板坯鑄機(jī)系統(tǒng)中受到技術(shù)人員和維護(hù)人員的好評(píng)。

4 結(jié)論
1)通過對(duì) 4 種通訊方式的描述，可以清楚地看到各自通訊方式的利弊，在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行正確的選擇。
2)模擬量輸入方式過于簡單而且有一定的誤差；稱重模板的方式雖然很精準(zhǔn)，但有一定的局限性；而點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通訊方式和用 PROFIBUS 現(xiàn)場總線采集數(shù)據(jù)適用于多種具有標(biāo)準(zhǔn)串行接口的單體設(shè)備。
3)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通訊方式和用PROFIBUS現(xiàn)場總線方式為現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中的串行數(shù)據(jù)采集提供了借鑒和方向。

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