测控技术在冶金行业的应用

测控技术在冶金行业的应用摘要：本文介绍了真空冶金系统的结构、功能。

针对真空感应系统干扰强的特点, 分析了对该系统进行控制的要点。

介绍了冶金熔体黏度测控系统的设计、组成环节、功能及应用效果。

分析了生产现场对微机测控系统干扰的基础上,从硬件和软件两方面阐述了相应的抗干扰技术。

关键字冶金测控技术系统干扰1.引言随着计算机技术的迅猛发展，多种计算机技术已经应用与冶金行业。

冶金设备设计人员利用计算机技术来控制冶金的一些过程。

使得计算机控制系统已经成为当今自动化控制的主流。

测控技术在冶金行业的应用也越来越广泛。

1.真空感应冶金电炉控制系统真空感应炉是冶炼高温合金、特种合金材料和半导体材料的重要设备, 在航空、航天、军工、核电、能源、化工等领域的材料生产中起着重要的作用。

这些材料大部分都必须经过真空感应炉初次冶炼, 浇注成电极, 然后再经过电渣炉或真空电弧炉重熔成锭子, 再锻轧成材。

真空冶炼过程是在特殊的环境下进行的,并且需要复杂的系统协调工作才能完成, 所以设计先进的自动控制系统是十分必要的。

1.1真空感应冶金电炉系统简介图a所示系统主要由两台大型真空炉,一台为真空感应烧结炉,另一台为真空感应化学气相沉积炉组成。

其中,烧结炉主要用于对复合材料进行烧结处理的研究与生产。

真空感应化学气相沉积炉主要用于对复合材料进行化学气相沉积处理的研究与生产。

炉体为立式结构,由液压升降进出料系统、感应加热器、真空系统、尾气净化系统、中频可控硅电源、自动控制系统、自动记录装置、工作平台、粉尘过滤系统、水冷系统等组成。

图a.系统结构图1.2系统控制方案的设计1.1.2总线方案在集散型控制系统里担任管理工作的计算机称为上位机,而执行检测与控制任务的计算机称为下位机。

一般而言, 上位机为一台系统计算机, 如IBM - PC 计算机, 下位机为多台以PLC或单片机为核心的测控装置。

上位机需要对下位机发布命令, 下位机需要随时向上位机报告情况, 即它们之间要不断进行通信。

实际应用中一般采用串行通信1.1.3开关量控制方案本系统的开关量大约有60 几个, 主要是控制一些阀的开启和关闭, 还有一些是控制真空炉、泵的启停, 以及送料小车的运动。

可见, 本系统控制的开关量不仅数量多而且种类也比较多,所以我们采用一种功能强大、性能稳定的松下FP2 可编程控制器对其进行控制。

实现PLC 与微机之间的通信可以采用多种方式。

如利用串口通信单元或使用专用工业网络以及使用以太网进行网络通信。

其中利用串行口通信是最安全、最经济的通信方式。

因此在分析了其通信协议后, 采用可视化软件V isual Basic, 由计算机加PLC 组建成监督控制系统。

1.1.4模拟量控制方案模拟量是本系统所监控的重要参量, 这些参量对整个系统的运作以及产品的性能都产生直接的影响。

本系统所要求监控的模拟量不仅包括温度、压力而且还包括质量流量。

而且, 压力、质量流量传感器要通过模拟量输入、输出模块连接到RS- 485总线上, 才能实现与计算机间的通讯。

图2系统采用的是ADAM系列模块中的ADAM 4017、ADAM 4024、ADAM 4520。

1.3软件功能设计软件主要包括监控功能、数据存储功能、通讯参数设定功能、报警处理功能等。

下位机为基础测量级, 面向生产过程, 完成对真空炉、真空泵、罐等相关设备的温度、压力、液位、流量、阀门状态等信号采集及过程控制, 并将数据实时传送到上位机, 同时将运算后的结果或开关量输出至外围仪表。

通过VB 的M SComm 控件进行串行数据的传送与接收。

每个使用的M SComm 控件对应着一个串行端口。

图b.控制方案图1.3软件功能设计软件主要包括监控功能、数据存储功能、通讯参数设定功能、报警处理功能等。

下位机为基础测量级, 面向生产过程, 完成对真空炉、真空泵、罐等相关设备的温度、压力、液位、流量、阀门状态等信号采集及过程控制, 并将数据实时传送到上位机, 同时将运算后的结果或开关量输出至外围仪表。

通过VB 的M SComm 控件进行串行数据的传送与接收。

每个使用的M SComm 控件对应着一个串行端口。

1.3.1工控机与FP2 的串行通讯FP2在主从式通讯中作为从机时, 主机向FP2 下达命令,FP2 从机应答。

主机(一般为计算机) 向FP2 下达命令的格式要遵从M EW TOCOL - COM 协议(这是松下电工的专用通信协议)。

通讯时工控机与PLC 的比特率、起始位、停止位、奇偶校验方式、数据位必须一致。

上位机软件由VB 开发, 下位机软件采用松下PLC 厂家的FPW IN GR 编程软件开发。

上传、下载及上下位机之间的通讯是在FPW IN GR 软件组态中完成。

1.3.2工控机与FP93 温度表的通信通过计算机的串行口(COM 口) ,VB 可以与支持串行通信协议(RS- 232ö485 或R S232ö422) 的智能仪表进通讯。

以计算机作为上位机, 智能仪表作为下位机, 组成上下级监控系统。

工业控制领域中使用的智能仪表种类很多, 只要他们支持串行通讯, 则计算机就可以与它们进行通讯。

计算机与fp93 表进行通讯除了满足物理条件外(如: 比特率等) , 还应该按照fp 93 表规定的通讯命令格式(好比是语言的语法) 进行话语的收发。

计算机与fp 93 表进行通讯为主从式通讯, 即只能是计算机向fp93发送命令串, 根据命令串fp93 向计算机返回要求的字串(应答)。

发送命令格式(计算机向fp 93 发送字串) 包括计算机读fp93和计算机写fp93。

1.3.3工控机与ADAM 系列模块的通讯ADAM 系列智能模块可以实现标准信号的接入并将RS485 信号传入计算机。

本方案利用ADAM 模块将真空度、流量信号送入计算机, 同时实现了流量控制。

ADAM 模块的通讯模式一般为:[限定符] [地址] [命令] [数据] [校验码] [结束符Cr ] 每一个命令从一个限定符开始, 一共有四种限定符,分别为＄、# 、% 和@。

命令格式举例:# AAN 读N 通道数值# AA 读所有通道数值＄AA 读所有通道状态# AACn (data) 直接向某站某通道输出数据2.基于PC机的冶金熔体黏度测控系统炉渣通常以粉末状态放在石墨坩埚内,然后放入高温电炉内加热,当渣体熔融后,采用旋转柱体法，如图c所示装置,将吊丝连接的内柱体(钼棒)放入熔渣内,吊丝在旋转电机轴的带动下和内柱体一块在熔渣内旋转。

黏度测控装置由电炉及控温系统、机械升降及旋转系统、计数及计时系统组成,测控系统由PC 机及控制模块实现控制、通信、计算、图表显示及实验报告输出。

图c.炉渣黏度测量系统结构图2.1软件系统功能熔体黏度测控系统,可实现金属熔体、熔渣(高炉铁渣和中间包渣) 黏度的在线测量。

该系统功能全部由PC 机及控制模块和吊丝上、下端扭转角时差测控电路完成,操作员只需通过PC 机屏幕上提供的功能按钮点击鼠标就可以自动控制系统运行,完成黏度测量。

软件操作界面提供控温电炉参数设定;实时控温曲线显示;标定仪器常数k ;测量吊丝上、下端扭转角时差的平均值;计算试样在不同温度下的黏度;黏度随温度变化曲线的显示,实验报告的显示和打印等功能。

3.冶金设备测控抗干扰技术在冶金企业生产过程控制的现场, 往往有许多大功率电器设备, 它们在启动和运行中将产生各种干扰噪声, 此外, 来自空间无线电波、雷电、高电压、大电流的电力电线等都会对测控系统产生干扰。

这些干扰源形成的干扰信号往往通过一定的耦合通道对测控系统产生影响。

干扰一旦产生后, 若不能及时、有效地消除, 微机测控系统将不能正常工作。

现场恶劣的环境有可能使计算机系统发生异常,计算机程序指针PC失控就是常见的故障之一。

PC受到干扰而失控,引起程序乱飞,可能使程序陷入“死循环”,指令冗余技术和软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境。

因此,在冶金工业测控系统设计中,抗干扰能力的强弱是系统能否正常可靠运行的关键。

3.1系统的硬件抗干扰措施3.1.1看门狗技术一旦发生PC 失控,计算机系统就会出现工作混乱,酿成严重的事故。

为了尽量减少PC 失控带来的不利影响,并尽快使系统恢复正常,需要采取一定的软件措施和硬件措施。

一般工业应用中采用程序监视技术(“看门狗”技术) 使程序脱离“死循环”。

测控系统的应用程序往往采用循环运行方式,每次循环时间基本固定。

“看门狗”技术就是不断监视程序循环时间,如果发现时间超过最大的设定时间,将强迫PC 值为0 ,使程序重新开始运行。

3.1.2滤波技术在信号传输中由于各种因素的影响, 在信号上往往会叠加很多干扰噪声而妨碍系统正常工作。

利用电容、电感等储能元件可以抑制因负载变化而产生的噪声。

图d为电感电容滤波的示意图, 电感线圈可根据变压器的初级电流, 在适当的绝缘磁棒上绕50～100圈即可, 电容可用0.01 μF/400 V。

因此, 在硬件抗干扰技术中, 合理地加入滤波器及精心设计它的参数是非常重要的。

图d.电感电容滤波电路3.1.3隔离技术隔离是将电气信号转变为电、磁、光及其它物理量作为中间量, 使两侧的电流回路相对隔离又能实现信号的传递, 从而达到隔离现场干扰的目的。

常用的隔离方式有变压器隔离、继电器隔离和光电隔离三种。

3.2数字电路设计的抗干扰技术3.2.1抑制干扰源抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt，di/dt。

这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。

减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。

减小干扰源的di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。

抑制干扰源的常用措施如下：（1）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。

仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位。

（2）在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般是RC串联电路，电阻一般选几K 到几十K，电容选0.01uF），减小电火花影响。

（3）给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。

3.2.2提高敏感器件的抗干扰性能提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。

提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下：（1）布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。

（2）布线时，电源线和地线要尽量粗。

除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。

（3）对单片机使用电源监控及看门狗电路，如：IMP809，IMP706，IMP813，X25043，X25045等，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。

（4）在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。