焦炉机械走行计算机管理系统.pdf
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1、江苏科技大学硕士学位论文焦炉机械走行计算机管理系统姓名:吴帆申请学位级别:硕士专业:电力电子与电力传动指导教师:庞科旺2011-03-12摘要 I 摘要 焦炭是钢铁冶炼过程中不可缺少的原料,炼焦生产在国民经济中扮演重要的角色。焦炉生产属于高能耗行业,我国目前的焦化生产自动化控制技术亟待提高,管理模式有待进一步优化。焦炉生产过程引入计算机控制技术可以很好的提高焦炉生产效率和自动管理水平。本课题设计的焦化大车上位控制管理系统是由上位监控管理主站和四个焦化大车执行从站,以及无线通讯系统构成的。系统采用结构化的设计思想,不同的监控和管理功能采用模块化来实现。为了使生产管理人员能实时的监测和控制生产现场
2、情况,根据焦炉生产工艺的要求,系统采用 Visual Basic 6.0 开发和设计了上位监控人机界面,选用 SQL Server 2005作为后台数据库。上位监控功能主要包括:大车的工作和运行状态、大车的位置信号、推焦电流实时曲线、故障信号、根据推焦计划向发出大车运行信号;上位管理功能主要包括:推焦操作日志的记录及保存、生产报表的生成与打印、推焦计划的自动编排以及故障查询等。借鉴 MODBUS 协议,开发出具有侦错能力强的通信协议,利用PTR2000 无线通讯模块实现上位机与从站控制器 AT89C52 的串口通讯,保证系统通讯的可靠与高效。系统采用模块化的结构设计,可方便的对相关功能进行增减
3、,灵活性和适应性强。通过实验测试,达到了设计目标,有望应用于实际的生产现场。关键词 焦炉机械;计划编排;监控管理;无线通讯 Abstract IIAbstract Coke is an indispensable raw material in metallurgy,coke production plays an important role of the national economy.Coke production is a high energy consumption industries,Chinas current coke production automation and
4、control technology needs to be improved,management needs to be further optimized.Coke oven technology will greatly improve the efficiency of coke production and management control by introducing of computer-controlled production process.This topic designed digital control of coking cart system is co
5、nsisting of the upper control management station and four coke wagon master slave implementation,and wireless communication systems.System uses structured design,monitoring and management capabilities of different modular to achieve.For real-time production and management personnel to monitor and co
6、ntrol the production of the scene,according to the requirements for coke production process,the system uses Visual Basic 6.0 development and design of the upper control interface,use SQL Server 2005 as database.Host monitoring functions include:working and running carts,telling the cart position sig
7、nal,and the current real-time curve of pushing,fault signals,according to the issue of pushing the cart program run signal;Upper management features include:Pushing operation log recording and storage,production report generation and printing,automatic scheduling of pushing programs and fault inquir
8、ies.Reference MODBUS protocol,developed with a strong ability to debug communication protocol,the use of wireless communication module PTR2000 host computer and from the station controller AT89C52 serial communication,to ensure reliable and efficient system of communication.System uses a modular des
9、ign,can easily change the relevant features,flexibility and adaptability.Through experimental tests,meet the design objectives,may be used in the actual production site.Keywords coke machinery;Programme schedule;Monitoring and management;wireless communications 第 1 章 绪论 1第 1 章 绪论 焦化行业在国民经济发展中起着非常重要的
10、作用,焦化产品如焦炭、煤气、焦油都是冶金、机械、化工等行业的主要原料或燃料。随着我国经济持续较快发展,焦炭等焦化产品的需求量仍然比较大。焦炭在炼钢行业的作用是非常重要的,作为原料的焦炭,其质量会直接影响到钢铁产出的质量,因而焦炭的生产作为冶炼钢铁过程中的重要环节,一直都受到钢铁生产行业的重视,由此可见焦炉生产在国民经济生产中的地位。从上个世纪 90 年代以来我国的焦炭就一直位居世界的第一位。进入 21 世纪以来,我国的焦化生产技术水平得到了较大的提高,焦炭产量也得到大幅提高,也是目前世界上最大的焦炭进出口国。但是我国的优质炼焦煤严重短缺,对焦炭的质量及数量要求却与日提高,而且受工艺以及技术水平
11、的限制,焦炉生产中的燃烧加热耗费了大量煤气资源。为提高炼焦生产技术及管理水平,提高焦化企业效益,本文以国内某焦化厂自动化改造为背景,进行焦炉生产过程远程计算机管理系统的研究开发。1.1 课题背景及意义 焦炉机械是焦化行业主要的生产设备,由于焦炉生产环境条件的特殊性,生产工艺改进较慢,技术设备的改进更新速度也很缓慢,自动化技术应用方面较为落后。例如推焦计划仍然普遍采用人工的方式进行编排,既浪费时间又不便于管理,还经常存在焦车操作员记录推焦电流不认真、不能按计划时间点开关炉门等非自动控制的推焦生产操作现象。由于焦车是在高温度、大粉尘、严重腐蚀性气体的环境中工作,机车活动分散,运行时自身振动大,而且
12、焦车对正靠的是人工摆旗吹笛的方式甚至是司机的经验。这些都易引起信息传递不准确,生产操作不到位等后果。焦炉机械的安全可靠运行是焦炉生产的基本要求,随着在焦炉生产领域引入计算机控制技术,上述生产中所存在的现象问题得到了很好的解决。计算机控制技术是以计算机应用、检测传感器、自动控制、通信网络等技术综合于一体的一门综合控制技术,它的引入能有效的解决焦化生产现场信息采集、运行控制等人为操作问题,同时能自动快速的编排推焦计划,安全准确保存推焦日志记录等工作,避免了焦化生产管理上的人为错误因素,而且准确、快速、安全的执行远程控制。目前,国内焦化行业的生产设备、信息管理和自动化控制大部分还是局部的或者单独的体
13、系,没有形成一个完整的系统,。本课题要设计的是一个集焦炉生产过程控 江苏科技大学工学硕士学位论文 2制、现场信息监测和信息数据管理于一体的综合自动化管理系统,以焦炉生产现场无人化操作为目标,应用计算机控制技术实现生产信息的自动化管理,以光电传感技术、自动识别炉号技术及先进的无线数据传输技术为基础,实现焦炉生产过程的自动控制运行,最终达到规范操作管理,节省人力资源,提高劳动生产率1 2。1.2 国内外研究现状 焦车机械是焦炉生产中的核心设备,焦化环境恶劣、生产效率低下、操作技术落后。如何解放工作于高温炉顶、在有毒气体及粉尘严重环境中、工作强度大的焦炉生产工人,提高焦化生产效率、降低焦化生产成本、
14、同时保证生产安全,一直以来都是焦化行业亟待解决的问题。焦车机械的自动化控制管理是解决这些问题的主要途径,欧美、日本等国先后在这方面做了大量的研究,随着国内外焦化生产设备的升级以及自动化技术水平的提高,焦炉机械的走行控制实现无人化操作已经在在部分地区得以实现。目前德国、法国、芬兰、日本以及我国的多家焦化厂的焦化机车控制已经实现了远程的精确控制以及高效的管理,焦炉机械的的走行实现了无人化的高效运行。随着数据的无线通讯技术、计算机控制技术的进一步发展,焦炉生产设备的无人化操作管理将是不可避免的趋势3。1.2.1 国外焦炉自动化发展情况 国外发达国家在焦化生产中大规模引进自动控制技术是在上个世纪 70
15、 年代,目前处于领先地位是日本和西欧一些国家。虽然美国拥有世界上最先进的计算机技术和自动化技术,但是由于美国从上世纪 80 年代后期开始,焦炭的生产供大于求,焦炉生产控制技术的研究开发比较晚。在焦炉生产的自动化控制技术运用的最普遍的是日本,日本福山制铁所(NKK)投入使用的焦化生产线是目前世界上自动化水平最高的生产系统之一,其单座焦炉的班制定员仅为 2 人4。1.2.2 国内焦炉自动化发展情况 焦炉生产在国内一直以来被人们认为是笨重落后的劳动力密集型行业。直至上个世纪 70 年代后期,随着新的大型化焦炉的建造,焦炉生产的各个操作单元例如炉门炉室清扫等也逐步的要求实现自动化操作。近年来,随着计算
16、机技术、传感技术、集散式控制技术的快速发展,焦炉生产过程也开始告别以往的人工控制,向自动化方式转变。由于近年来国家对焦化这样的高能耗行业的高要求,自动化控制步伐将会更加快速5。2005 年济南钢铁公司开工新建的 6#、7#焦炉机车的自动控制系统目标就是要实现推焦车、拦焦车、熄焦车和装煤车的四车走行精确定位以及焦车相互之间的可靠信 第 1 章 绪论 3息通讯,以达到推焦生产过程中各大焦车操作的可靠协调工作,各大焦车操作的自动运行以及生产信息的计算机集中管理,最终实现焦炉设备的无人化操作目标。2005 年,马鞍山钢铁公司率先宣布已经将集生产信息管理、PLC 控制器单元、自动走行定位和焦车联锁于一体
17、的自动化控制系统运用于部分焦炉。但在当年 10 月份,该项目的实际设计应用只完成了既定目标的 10%,自动控制技术核心功能没有真正的开发出来。2009 年,首钢京唐钢铁联合公司建成了世界上最大之一的焦炉,这套焦炉的控制工艺及自动化技术均为世界先进水平6。1.3 课题主要研究的内容 焦炉生产过程自动化的实质是要实现焦炉生产现场的无人化操作以及生产过程的远程集中控制管理。本课题所研究的焦炉机械走行计算机管理系统是焦炉机械走行自动控制系统的监控管理部分,焦炉机械走行自动控制系统按实现的功能结构划分,具体分为三层:监控层、通信层和执行层。监控层是以 IPC 作为管理运行平台,利用Visual Basi
18、c 6.0 人机界面开发软件、数据库管理系统等软件进行功能开发,实现对生产现场的生产信息检测,按照生产工艺流程发送焦炉机械操作指令,保存过往生产信息等上位机监控功能。通信层是系统的联系纽带,实现的是监控层与执行层的信息交换功能,鉴于现场的条件限制,选用经济实用的无线通讯模块,保证系统通讯在硬件设计方面的可靠性,同时设计安全高效的通讯协议,保证系统通讯软件设计方面的合理性。执行层设计主要是如何实现炉号识别、精确定位、以及合理高效的走行控制设计,这部分任务是炉号识别、精确定位器件的选型、控制算法的选择与应用7 8 9。根据厂家对监控管理的功能要求,要开发的焦炉机械走行计算机管理系统是一套集焦化现场
19、信息监测管理、走行过程远程自动控制于一体的管理系统,其具体设计内容包括:开发一套上位机监控管理系统,具体包括三部分功能模块设计:焦炉生产过程管理模块设计:焦炉生产参数实时显示、推焦计划自动编排、推焦电流实时曲线、动画模拟显示,数据保存查询和打印,误操作报警等;焦炉生产自动控制功能设计:根据推焦计划编排自动发送控制指令,当出现操作偏差时,可以人工远程发送纠错指令使其达到预定效果,出现较大误操作时自动停止运行;上位机通讯模块设计:设计可靠的上位机通讯接口,保证上位机指令的发送以及反馈信息的接受,对通讯数据帧的信息截取,对通讯信息准确性校验等。设计本系统的数据库管理后台。江苏科技大学工学硕士学位论文
20、 4 实现主从站的无线通讯:构建一主四从的无线通讯网络,选取可靠的无线通讯设备,参考成熟高效的通信协议设计本系统安全可靠的通讯协议,保证信息传输的可靠、实时10。第 2 章 系统设计方案 5第 2 章 系统设计方案 焦炉机械是焦化生产中的主要设备,是本系统需要控制目标。按照生产管理要求,设计的管理系统必须具备以下的功能:自动编排推焦生产计划,实时监测各个大车状态,结合生产计划和机车状况远程发送机车运行指令,执行单元执行指令并返回执行情况信息,显示并保存生产情况信息,最终实现焦炉生产机械协调准确的自动运行。整个的焦炉机械运行控制是由三部分构成的:上位机监控管理界面、无线通讯模块、执行控制器及信号
21、检测装置。2.1 功能要求 实现焦炉生产的集中监控管理,提高焦炉生产的运行效率是系统设计的总体要求。系统必须实时的监控各个大车系统,按照生产要求自动编排生成推焦计划,推焦计划,对传输上来的各车工作状况,结合计划发送操作指令帧,远程控制焦车联动操作,实现焦化生产的无人、安全、准确的运行。本系统设计按照上述要求要实现以下焦化生产控制功能:各大焦车当前位置显示:焦车检测设备检测装煤、推焦、拦焦、熄焦四车当前所在炉号,在监控界面中显示出来;各车计划推焦炉号显示:自动生成的推焦计划各车接下来需要操作的炉号显示在上位机界面上;推焦计划显示:将自动编排好的推焦时序通过表的形式显示出来以供查询;装煤车远程控制
22、:根据检测返回的信息,结合推焦计划判断机车运行方向,到达相应炉号,由上位机给下位机控制器下达运行指令,由下位控制器控制目标炉号完成开炉盖、装煤、盖炉盖操作;推焦车远程控制:控制机车走行到目标炉号,到达检测到目标炉号,系统给控制器发出摘门动作指令,返回摘门结束信息,系统再发出推焦允许信号。等到拦焦车、熄焦车准备就绪后,发出指令让控制器执行推焦操作等工作;拦焦车远程控制:控制拦焦机车走行至推焦目标炉号,管理系统发出允摘炉门信号,控制器执行摘门,推倒焦栅,完成推焦后撤焦栅,关炉门等工作;熄焦车远程控制:推焦过程,熄焦车自行完成接焦、熄焦、卸焦等操作;焦化大车协同控制:按照控制要求,在推焦过程中,推焦
23、、拦焦、熄焦三车连锁;焦化信息管理:管理系统将下位机反馈上来的焦化生产信息进行存储,并提 江苏科技大学工学硕士学位论文 6供查询、打印等功能。2.2 结构分析与设计 2.2.1 系统现场布局 焦炉生产现场布局示意图,如图 2.1 所示。示意图大致地显示了焦炉控制系统的现场位置分布情况,主站与子站网络分布形式。主站是由位于主站的 IPC 机以及无线通讯模块、打印机、键盘等设备构成,从站分别是由装煤车、推焦车、拦焦车、熄焦车等四大机车上的控制器及其通讯检测装置构成。主站通过无线通讯模块发送查询指令,各个从站接收到指令后对应指令帧中的地址,查询的是否是本站的实时信息,如果是则通过无线通讯模块返回相应
24、的信息与主站。主站 IPC 显示从站发回来的信息,并保存生产信息,管理员在主站可以根据返回的现场信息人工发送操作指令。从站经无线通讯模块接收上位机发过来自动控制指令,传输给焦车内部的 MCU,MCU 根据炉号识别、精确对位等检测装置检测到的信息完成稳定走行、准确对位、推焦生产等焦化操作。推焦过程是焦化生产过程中的重要环节,推焦操作必须要在推焦、拦焦、熄焦三车与推焦炉号对正,且三车连锁后才能开始,而装煤与推焦是焦化生产过程中不同阶段的操作,装煤是煤炭焦化的前期操作,推焦是焦化的后期操作,推焦时推焦、拦焦、熄焦三车是正对在一条直线上的。图 2.1 焦化生产现场布局图 Fig2.1 Coking p
25、roduction site layout 推焦车拦焦车熄焦车轨道轨道轨道炉室上位机无线通讯模块主站从站从站从站 第 2 章 系统设计方案 72.2.2 系统分层设计 焦炉机械控制系统具有控制站点分散、站间交换信息量大、系统结构层次化等特点,按照系统现场布局及焦化生产工艺要求,本系统按照纵向分层的设计思路来设计。系统分层设计是目前工业网络控制设计过程中比较常用的设计方式,所谓分层设计就是根据系统中各个不同功能的子模块按照它们在系统中的相互关系及作用进行层次化分类,并按层次进行系统设计开发。层次化的结构设计不仅使得设计思路简洁明了,而且容易把握系统框架,同时结合功能结构模块化设计,便于实际开发时
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