劉瑞霞，張玉霞

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司設(shè)備部，天津 300301）

結(jié)構(gòu)化及面向?qū)ο缶幊淘诰C合原料場(chǎng)的應(yīng)用

劉瑞霞，張玉霞

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司設(shè)備部，天津 300301）

天鋼綜合原料場(chǎng)輸送系統(tǒng)上百條膠帶機(jī)構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。為了提高輸送效率，提高控制的可靠性，針對(duì)原料場(chǎng)膠帶機(jī)群控的特點(diǎn)，提出了將膠帶機(jī)的控制功能模塊化、采用結(jié)構(gòu)化及面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，編制原料?chǎng)控制軟件。該軟件具有程序簡(jiǎn)練、編程和調(diào)試效率高，易于理解維護(hù)、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，該軟件目前已在線(xiàn)運(yùn)行6年，達(dá)到了理想的效果。

關(guān)鍵詞 原料場(chǎng) 過(guò)程控制 結(jié)構(gòu)化編程

1 引言

冶金企業(yè)的原料場(chǎng)一般存貯1～2個(gè)月的原料使用量，高爐生產(chǎn)所需的成分均勻的精料是在原料場(chǎng)通過(guò)對(duì)多種含鐵進(jìn)行混勻而得到的。天鋼二期綜合原料場(chǎng)承擔(dān)著為燒結(jié)、高爐、煉鋼及活性石灰車(chē)間所用的原料、燃料、副原料的貯存、加工、混勻和輸送等任務(wù)。其工藝流程可分為受卸、儲(chǔ)存、混勻、輸送及取制樣等5個(gè)系統(tǒng)。二期原料場(chǎng)儲(chǔ)存占地25萬(wàn)m2；有汽車(chē)和火車(chē)受卸系統(tǒng)、3臺(tái)堆取料機(jī)、1臺(tái)混勻堆料機(jī)、1臺(tái)混勻取料機(jī)；二期原料場(chǎng)的輸送系統(tǒng)共有81條膠帶機(jī)，全長(zhǎng)13 km，這些膠帶機(jī)與一期膠帶機(jī)一起組成了一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)；共設(shè)計(jì)了86個(gè)輸送模式，570個(gè)流程，完成物料的輸送任務(wù)。其全部采用計(jì)算機(jī)控制及管理，是一個(gè)高度機(jī)械化、自動(dòng)化的大型綜合原料場(chǎng)。

由于二期料場(chǎng)工藝設(shè)計(jì)了570個(gè)流程，采用線(xiàn)性化編程方法，盡管可以完成控制要求，但線(xiàn)性化編程會(huì)使程序規(guī)模大、復(fù)雜程度高、重復(fù)代碼多，浪費(fèi)PLC系統(tǒng)資源；同時(shí)，程序的修改對(duì)所涉及的膠帶機(jī)前后互相影響、調(diào)試效率低；隨著生產(chǎn)條件改變，增加流程會(huì)十分復(fù)雜。結(jié)合一期原料場(chǎng)控制系統(tǒng)軟件編制的經(jīng)驗(yàn)及體會(huì)，經(jīng)過(guò)分析，我們決定在二期原料場(chǎng)嘗試采用模塊化、結(jié)構(gòu)化及面向?qū)ο蟮木幊谭椒ň幹瓶刂栖浖?005年12月，完成了軟件的功能規(guī)格書(shū)；2006年1月，完成了軟件結(jié)構(gòu)分析，4月完成了軟件編制及模擬調(diào)試工作，在設(shè)備的無(wú)負(fù)荷試車(chē)過(guò)程中，僅修改順序邏輯時(shí)間參數(shù)，未占用軟件修改及調(diào)試時(shí)間。該系統(tǒng)已運(yùn)行6年多，為生產(chǎn)維護(hù)帶來(lái)了極大的便利。

2 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

根據(jù)原料場(chǎng)的組成、設(shè)備的分散性、操作要求和特點(diǎn)，原料場(chǎng)的自動(dòng)化系統(tǒng)和控制方式都是集中監(jiān)視和操作，即在中控室進(jìn)行監(jiān)視和控制，同時(shí)，由于原料場(chǎng)設(shè)備的分布范圍較大，為節(jié)省電纜和便于維護(hù)，將設(shè)備按區(qū)域劃分，設(shè)置多個(gè)電氣室，按電氣室分布PLC設(shè)備。天鋼二期原料場(chǎng)共設(shè)置了7個(gè)電氣室，分別是B1～B5電氣室、槽上電氣室、噴灑除塵電氣室。其中，B4電氣室設(shè)在主控樓三層，主控室設(shè)在主控樓4層。

2.1 PLC主機(jī)及遠(yuǎn)程站的設(shè)置

整個(gè)原料場(chǎng)控制系統(tǒng)采用2臺(tái)Modicon Quantum PLC系統(tǒng)，2臺(tái)CPU型號(hào)均為140CPU65160，安裝在B4電氣室，用于原料場(chǎng)的主控系統(tǒng)。1#PLC通過(guò)同軸電纜RIO連接到B1電氣室的遠(yuǎn)程站，再通過(guò)B1電氣室安裝的490NRP954光纖中繼器RIO連接到B5電氣室和槽上電氣室的遠(yuǎn)程站，其中，最遠(yuǎn)端的槽上電氣室到B4電氣室的光纜距離大約4.2 km；2#PLC通過(guò)安裝在B4電氣室的490NRP954光纖中繼器RIO連接到B3、B2電氣室的遠(yuǎn)程站；噴灑除塵水泵房的I/O點(diǎn)數(shù)較少，為節(jié)省投資，采用了總線(xiàn)I/O，通過(guò)光纖收發(fā)器與2#控制器上的140CRP81100通訊卡連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵房設(shè)備的控制。

2.2 網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器及操作站的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)有6個(gè)操作站，用于生產(chǎn)操作和監(jiān)視。

由于6臺(tái)操作站同時(shí)訪問(wèn)2臺(tái)PLC，以太網(wǎng)的特性決定了這種訪問(wèn)會(huì)集中大量的數(shù)據(jù)通訊，影響畫(huà)面的刷新速度。因此，采用客戶(hù)端/服務(wù)器的C/S結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)置了2臺(tái)服務(wù)器，作為操作站和PLC之間的橋梁，提供I/O服務(wù)，操作站與PLC之間的信息交換均通過(guò)服務(wù)器進(jìn)行，從而有效地減少數(shù)據(jù)通訊量、提高通訊效率。在服務(wù)器上運(yùn)行iFIX監(jiān)控軟件，2臺(tái)服務(wù)器處于熱備份狀態(tài)，即一臺(tái)主機(jī)，另一臺(tái)從機(jī)，當(dāng)其中一臺(tái)發(fā)生故障時(shí)，另一臺(tái)自動(dòng)接替工作。

由于原料場(chǎng)控制系統(tǒng)監(jiān)視及操作的數(shù)據(jù)量較大，每臺(tái)服務(wù)器上安裝兩個(gè)以太網(wǎng)卡，一個(gè)用于與PLC之間的數(shù)據(jù)通訊，另一個(gè)用于為客戶(hù)端提供數(shù)據(jù)服務(wù)，數(shù)據(jù)各行其道，互不干擾。

由于PLC、服務(wù)器和操作站之間均通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的重要組成部分，本系統(tǒng)設(shè)置了2臺(tái)冗余交換機(jī)，兩臺(tái)交換機(jī)均在線(xiàn)運(yùn)行，當(dāng)一臺(tái)發(fā)生故障時(shí)，另一臺(tái)交換機(jī)也能確保操作和監(jiān)視的正常運(yùn)行。

系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 原料場(chǎng)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)功能描述

原料場(chǎng)的監(jiān)視和操作是通過(guò)設(shè)在主控室的6臺(tái)操作站上進(jìn)行的，為了避免對(duì)受控設(shè)備的“爭(zhēng)用”情況，對(duì)各種操作進(jìn)行分類(lèi)，再給各操作站分配不同的操作權(quán)限，只有具備操作權(quán)限的操作站才可以進(jìn)行操作。一期經(jīng)過(guò)使用后，操作人員認(rèn)為不方便。因此，二期軟件中我們將這6臺(tái)操作站設(shè)為具有同等的權(quán)限。為了避免操作“爭(zhēng)用”情況，軟件設(shè)計(jì)為當(dāng)某一臺(tái)操作站對(duì)某一個(gè)流程進(jìn)行操作生效后，該流程即進(jìn)入選擇狀態(tài)，其他操作站均不能操作已被選擇的設(shè)備，從而避免設(shè)備“爭(zhēng)用”的發(fā)生。

控制系統(tǒng)對(duì)受卸系統(tǒng)、儲(chǔ)料系統(tǒng)、混勻配料系統(tǒng)、高爐用焦礦輸送系統(tǒng)、高爐用雜礦系統(tǒng)、高爐用燒結(jié)礦系統(tǒng)、燒結(jié)及石灰窯供料系統(tǒng)、返焦返礦系統(tǒng)等所涉及的所有單體電氣設(shè)備的啟動(dòng)/停止/故障處理以及所有模式和流程進(jìn)行集中管理。

2臺(tái)PLC的分工為：PLC1負(fù)責(zé)從受卸開(kāi)始到儲(chǔ)料過(guò)程以及混勻配料過(guò)程；PLC2負(fù)責(zé)從儲(chǔ)料場(chǎng)、混勻料場(chǎng)開(kāi)始到各用戶(hù)的原料配給過(guò)程。

任何一臺(tái)單體設(shè)備均設(shè)有3種狀態(tài)：備妥狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)及故障狀態(tài)。

備妥狀態(tài)：該設(shè)備已被某流程選中，并滿(mǎn)足進(jìn)行該流程運(yùn)行的條件。

故障狀態(tài)：該設(shè)備由于故障無(wú)法運(yùn)行，可能是選擇機(jī)旁操作、拉繩或二級(jí)跑偏或失速動(dòng)作、電氣設(shè)備故障等。

本文所稱(chēng)的模式是指具有同一個(gè)受料起點(diǎn)到同一個(gè)堆取料機(jī)終點(diǎn)，或同一個(gè)取料起點(diǎn)到同一個(gè)輸送目的地的受料終點(diǎn)稱(chēng)為一個(gè)模式。天鋼二期料場(chǎng)設(shè)有86個(gè)模式。流程則是指同一個(gè)模式下的不同輸送路徑，每一個(gè)輸送路徑稱(chēng)為一個(gè)流程。天鋼二期料場(chǎng)共有570個(gè)流程。如從翻車(chē)機(jī)-斗輪-2#混勻配料槽為一輸送模式，該模式對(duì)應(yīng)24個(gè)不同的輸送路徑，稱(chēng)為流程。

根據(jù)生產(chǎn)的需要還會(huì)增加其他模式和流程。

操作人員通過(guò)圖形化的界面選擇起點(diǎn)和終點(diǎn)，確定“模式”，系統(tǒng)自動(dòng)地列出該模式下所有的流程，并指出可用的流程和不可用的流程，供操作人員選擇。操作人員從HMI界面上選擇某一“流程”，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地出現(xiàn)該流程所有設(shè)備的模擬路徑圖，確認(rèn)后，所選擇的設(shè)備均被置為選擇狀態(tài)，不能被其他流程選用。

點(diǎn)擊“流程啟動(dòng)”按鈕后，該流程所選擇的設(shè)備按規(guī)定的順序啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣，PLC系統(tǒng)接收各操作站的指令，自動(dòng)完成流程歸集、流程選擇、流程連鎖、流程起動(dòng)、順序停止、一齊停止、凈化停止、緊急停止、流程報(bào)警、流程切換、流程合流等功能。

4 膠帶機(jī)群控軟件設(shè)計(jì)

施耐德的Concept提供了IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)兼容的全部5種編程語(yǔ)言，即功能塊語(yǔ)言FBD（功能塊圖）、LD（梯形圖）、順序語(yǔ)言SFC（順序功能圖）、指令表IL以及結(jié)構(gòu)化文本ST。

PLC廠家提供了編程工具，但是如何應(yīng)用編程工具，編制好用戶(hù)程序，則是程序設(shè)計(jì)人員的考慮的工作。

4.1 線(xiàn)性化設(shè)計(jì)編程方法

線(xiàn)性化編程是采用“平鋪直敘”的方法，將所有570個(gè)流程的邏輯順序編入程序中，程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 采用梯形圖線(xiàn)性化編程的程序結(jié)構(gòu)圖

針對(duì)原料場(chǎng)設(shè)備控制，這種線(xiàn)性化的編程方式存在以下3個(gè)方面的缺點(diǎn)。

4.1.1 浪費(fèi)PLC資源

PLC運(yùn)行時(shí)，在一個(gè)掃描周期內(nèi)循環(huán)執(zhí)行輸入采樣、用戶(hù)程序、輸出刷新三個(gè)階段。在用戶(hù)程序執(zhí)行階段，CPU不斷循環(huán)整個(gè)程序（流程1～流程570），不管該流程是否被選擇，均被掃描執(zhí)行，而實(shí)際上，生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中平均運(yùn)行的流程大約30個(gè)左右，只需對(duì)被選擇的大約30個(gè)流程進(jìn)行掃描執(zhí)行即可，如果全部掃描執(zhí)行，會(huì)大量浪費(fèi)機(jī)器資源。

4.1.2 參數(shù)調(diào)整較困難

由于膠帶機(jī)不是專(zhuān)用的，一條膠帶機(jī)往往要被多個(gè)模式和多個(gè)流程使用，程序中將會(huì)有多個(gè)流程涉及到同一條膠帶機(jī)的控制，在修改參數(shù)時(shí)，要將涉及到同一條膠帶機(jī)的所有流程的程序都修改一次，而不是修改一個(gè)流程，一個(gè)參數(shù)。如一條膠帶機(jī)，共有39個(gè)流程用到該膠帶機(jī)，如要修改此膠帶機(jī)的延時(shí)停車(chē)時(shí)，需要將這39個(gè)流程的延時(shí)時(shí)間都修改一次。

4.1.3 可讀性差

原料場(chǎng)膠帶機(jī)的群控不僅要考慮所選設(shè)備的順控與連鎖，還要進(jìn)行“優(yōu)先”及“占用”的判別等問(wèn)題。由于各設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)習(xí)慣不同，使得程序總是帶著某種個(gè)人色彩，導(dǎo)致程序的可讀性差，為今后的維護(hù)和功能擴(kuò)展帶來(lái)很大麻煩。

4.1.4 程序龐雜，可擴(kuò)展性差

在使用線(xiàn)性化編程時(shí)，流程越多，各種條件和判斷就越多，程序越龐雜，各個(gè)設(shè)備之間互相牽涉的關(guān)系越復(fù)雜。根據(jù)生產(chǎn)需要增加流程時(shí)，程序的編制需要考慮各設(shè)備之間的關(guān)系，有可能考慮不全，極容易出現(xiàn)意想不到的后果。

因此，原料場(chǎng)膠帶機(jī)群控軟件復(fù)雜程度高，采用線(xiàn)性化編程存在缺陷，分析原料場(chǎng)控制要求，結(jié)合一期原料場(chǎng)軟件編程的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，原料場(chǎng)的設(shè)備多，但設(shè)備種類(lèi)并不多，同樣的設(shè)備有同樣的控制要求，并具有相同的控制邏輯和同樣的管理方式。在二期原料場(chǎng)工程中，我們采用了模塊化、結(jié)構(gòu)化及面向?qū)ο缶幊痰乃枷敕椒?，編?#料場(chǎng)用戶(hù)程序，下面介紹這種編程思想，供讀者參考。

4.2 結(jié)構(gòu)化面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)編程方法

本文所述的結(jié)構(gòu)化編程并不是指用結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言（ST）進(jìn)行編程，而是借用軟件工程中廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)化和面向?qū)ο缶幊痰乃枷耄唧w來(lái)說(shuō)，就是對(duì)整個(gè)受控設(shè)備的控制動(dòng)作和功能進(jìn)行分析，抽象出整個(gè)控制過(guò)程中的類(lèi)似或相關(guān)的功能，并通過(guò)編程向整體提供可以用于多個(gè)任務(wù)的通用解決方案，同時(shí)通過(guò)特定的程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)管理程序，向指令塊提供有關(guān)數(shù)據(jù)（參數(shù)），即每一個(gè)模塊有相同的控制功能，有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)通用模塊的重復(fù)使用，從而簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)。面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)要求有兩項(xiàng)重要工作。

4.2.1 類(lèi)的抽象

在原料場(chǎng)的設(shè)備中，將具有類(lèi)似的控制設(shè)備分別相同的類(lèi)，抽象出共同點(diǎn)加以控制，從而有效減少程序的數(shù)量，如膠帶機(jī)、給料機(jī)、卸礦車(chē)等。每一個(gè)抽象出來(lái)的“類(lèi)”編制一個(gè)功能模塊，通過(guò)調(diào)用該功能模塊，完成所有符合此“類(lèi)”設(shè)備的功能控制。模塊化是結(jié)構(gòu)化的基礎(chǔ)。

膠帶機(jī)控制功能模塊功能示如圖3所示。

圖3 膠帶機(jī)控制功能模塊

再對(duì)各輸入/輸出管腳進(jìn)行定義，如DOWN1管腳的定義是，HMI傳給PLC的控制字，DOWN1的可能值及含義如表1所示。

表1 DOWN1的可能值及含義

4.2.2 參數(shù)管理

為滿(mǎn)足面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)的需要，根據(jù)各設(shè)備的不同點(diǎn)，如I/O地址、運(yùn)行狀態(tài)、延時(shí)時(shí)間等，在調(diào)用公用類(lèi)模塊時(shí)，必須對(duì)其中的變量不同的設(shè)備賦以不同的值。因此，對(duì)這些參數(shù)的管理就顯得極為重要。對(duì)應(yīng)于某對(duì)象的某一類(lèi)模塊，這些數(shù)據(jù)有必要專(zhuān)門(mén)編成一個(gè)數(shù)據(jù)模塊。這些數(shù)據(jù)模塊與設(shè)備有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

在Concept中，DFB變量有“內(nèi)部變量”和“形參”2種形式，在編程中要注意它們的區(qū)別。在分清設(shè)備控制要求后，程序的編寫(xiě)較簡(jiǎn)單，這里不做詳細(xì)闡述。根據(jù)對(duì)被控設(shè)備事先抽象出來(lái)的“類(lèi)”，編制符合該“類(lèi)”設(shè)備要求的功能模塊，不同的功能模塊有不同的功能。每一種模塊有若干個(gè)輸入端和輸出端，通過(guò)軟連接的方式，分別連接到所需的其他端子，完成所需的控制運(yùn)算或控制功能。功能模塊可以分為不同的類(lèi)型，在同一種類(lèi)型中，也可能因功能參數(shù)的不同而使功能或應(yīng)用范圍略有差別。

由于采用軟連接的方式進(jìn)行功能模塊之間及功能模塊與外部端子的連接，因此控制方案的更改、信號(hào)連接的替換等操作可以很方便地實(shí)現(xiàn)。

而各流程設(shè)備之間的聯(lián)接即是按工藝要求對(duì)這些功能模塊的連接和組合，主循環(huán)程序和被調(diào)用程序間沒(méi)有數(shù)據(jù)交換，因此各模塊間相互獨(dú)立，沒(méi)有沖突。采用結(jié)構(gòu)化編程的方法，主程序有目的地調(diào)用被選擇的流程，只有被選擇的流程才進(jìn)行掃描，最大限度地節(jié)省機(jī)器資源。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于原料場(chǎng)流程多，而且對(duì)每一條膠帶機(jī)來(lái)說(shuō)，其控制動(dòng)作是相同的，根據(jù)這一特點(diǎn)，軟件采用了模塊化和結(jié)構(gòu)化編程。將每類(lèi)設(shè)備所要求的各種功能封裝在一個(gè)模塊中，模塊有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，根據(jù)不同的流程組合，調(diào)用這些功能模塊。

采用結(jié)構(gòu)化及面向?qū)ο缶幊痰膬?yōu)勢(shì)總結(jié)如下：（1）從控制功能入手，使控制方案的分析和理解變得容易，具有較好的操作性；（2）參數(shù)修改變得極其容易；（3）大大方便了設(shè)計(jì)人員的編程，編程和調(diào)試效率高；（4）程序簡(jiǎn)練，可讀性好；（5）增加和修改流程容易。

本項(xiàng)目于2006年實(shí)施，與前期實(shí)施的原料場(chǎng)相比，采用結(jié)構(gòu)化及面向?qū)ο缶幊痰姆椒ǎ诰幊虝r(shí)間上節(jié)省了50%，軟件在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間減少了70%，一次性上線(xiàn)成功。該軟件從投產(chǎn)到現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)行良好。

[1]刁成嘉.面向?qū)ο蠹夹g(shù)導(dǎo)論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]邵維忠，楊芙清.面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[3]Marilyn B，Maria R.結(jié)構(gòu)化與面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)[M].張光庭，馬國(guó)富，王崧，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2001.

Application of Structurization and Object-oriented Programming in Stock Yard

LIU Rui-xia and ZHANG Yu-xia
Equipment Division,Tianjin Iron and Steel Group Company Limited,Tianjin 300301,China

Over one hundred belt conveyers of conveying system form a complicated transportation network at TISCO stock yard.In order to improve conveying efficiency and control reliability,the authors,focusing on the characteristic of converter group control,propose the programming principle of function modulization and structurization and object-orientation.Simple,highly effective,understandable and expandable,the process control system for stock yard was put into service only after one month's programming and commissioning and has been running for six years with satisfactory effect.

stock yard;process control;structurized programming

劉瑞霞（1963—），女，河南永城人，工程師，主要研究方向?yàn)檫^(guò)程控制技術(shù)在冶金企業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，E-mail：lrx_5902@126.com。

（收稿 2011－05－27 編輯 潘娜）