基于现场总线的高炉炉顶信息采集系统及其信息采集方法

摘要

本发明公开了一种基于现场总线的高炉炉顶信息采集系统及其信息采集方法，属于炼铁自动化控制领域。本发明的信息采集系统包括上位机、数据采集单元、处理单元和执行单元，所述的上位机、数据采集单元、处理单元和执行单元依次连接，所述的数据采集单元通过现场总线将高炉炉顶各信息采集点连接起来并最终将所采集信息传输至处理单元；所述的高炉炉顶各信息采集点包括布料设备、探尺和阀门系统。本发明的系统和方法简化了现有信息采集的结构模式，用一根现场总线挂接多个设备，节约连接电缆与各种安装维护费用；同时避免数百个检测点和控制点的检测信号汇集到控制系统的入口处所造成的信号堵塞，增加了系统的可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于炼铁自动化控制领域，更具体地说，涉及一种高炉炉顶基础自动化级的高炉炉顶数据采集系统及其信息采集方法。

背景技术

高炉炉顶系统是高炉冶炼系统重要的组成部分，炉顶系统的工作状态直接影响着高炉炉况的稳定性，及影响高炉生产指标。高炉的布料方式、炉内亏料及悬料等状态均依赖于炉顶设备信号检测的准确性。

在高炉炉顶自动化系统中，生产条件特殊复杂，设备地域分散多点多面，造成了电气自动化控制系统故障率高，维护量大的缺点；而且现场信号分散，分布区域广、阀门多、煤气区域易燃易爆的特点；有些信号距离控制中心长达200-300m，影响信号传输的效果及准确度。

目前，现有的高炉炉顶信息采集系统大多采用一对一的设备接线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用封闭式的集散控制系统，将信息直接传输到控制中心，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换。同时，采集信息大量汇集到控制系统的入口处，易造成的信号堵塞，影响传输信号的准确度。

基于现场总线的信息采集系统就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。现场总线把单个分散的控制、测量设备变成网络节点，以现场总线为纽带，连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。PROFIBUS-DP是一种高速低成本的现场总线，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信，传输距离可达1.2km，加入中继器可延长至10km。能满足炉顶区域各信号之间的连接需求。

中国专利申请号201010584909.8，申请日2010.12.02，专利名称：现场总线系统，该发明的现场总线系统能够在进行激活/非激活的切换之前验证所下载的更新软件的正当性。在控制器中设置第1存储区域(M1)和第2存储区域(M2)，将第1存储区域(M1)作为激活的存储区域，使得更新前软件S1存储于其中，将第2存储区域(M2)作为非激活的存储区域，使得更新软件S2下载于其中。模拟实验用微处理器采用被下载的更新软件S2对现场设备的运行控制进行模拟实验。该模拟实验的执行状态可以由主机来监控。在模拟实验的执行状态的判定结果为“良”时，操作员向控制器发送激活化的指令。由此，控制器可以进行激活/非激活的切换。该专利通过设置2个存储区域等相关技术手段巧妙地解决了如何对更新软件进行验证的问题，但是，对于如何成熟地将现场总线技术运用于高炉炉顶信息采集过程、进行现场合理地总线布线却无法直接从该文献中获得。综上所述，对于如何通过现场总线提高高炉炉顶信息采集的准确率及可靠性的问题该文献仍旧无法给出明确的解决办法。

发明内容

本发明要解决的问题

针对现有技术高炉炉顶自动化系统中存在的生产条件复杂，现场信号采集过程复杂及信号采集准确率低的问题，本发明中提供了一种基于现场总线的高炉炉顶信息采集系统及其信息采集方法，可在集中式控制系统中融合现场总线的技术，实现彻底的分散控制，它可以提高检测与控制的准确度，减少传送误差，提高采集系统的可靠性，降低线路敷设的难度和施工的复杂性。

技术方案

本发明的以上目的通过以下技术方案实现： 

本发明的基于现场总线的高炉炉顶信息采集系统，它包括上位机、数据采集单元、处理单元和执行单元，所述的上位机、数据采集单元、处理单元和执行单元依次连接，所述的数据采集单元通过现场总线将高炉炉顶各信息采集点连接起来并最终将所采集信息传输至处理单元；所述的高炉炉顶各信息采集点包括布料设备、探尺和阀门系统。

所述的执行单元包括布料设备执行单元、探尺执行单元和阀门系统执行单元，所述的布料设备执行单元的输出端与高炉炉顶设备的布料设备连接，所述的探尺执行单元的输出端与高炉炉顶设备的探尺连接，所述的阀门系统执行单元的输出端与高炉炉顶设备的阀门系统连接。

数据采集单元中的现场总线还包括故障诊断单元和仿真单元，所述的故障诊断单元的输出端接处理单元, 所述故障诊断单元采用现场总线的现场模块提供的总线诊断功能，所述的仿真单元输出端接执行单元。

所述处理单元采用XGR-CPU H/T为中央处理器，为保证控制系统的可靠性，所述的中央处理器采用CPU冗余、电源冗余和网络冗余。

所述的故障诊断单元采用图尔克现场模块的诊断功能实现。

所述的现场总线采用Profibus-DP现场总线系统。

本发明的基于现场总线的高炉炉顶信息采集系统的信息采集方法，其步骤为：

1）数据采集单元实时采集布料设备的布料溜槽、探尺及阀门系统的运行状态，信号传送至上位机显示；

2）处理单元接收数据采集单元传送的信号，进行计算比较判断，产生阀门系统的阀位控制信号、料流调节阀的调节信号、布料设备的布料溜槽倾角角度和旋转位置的信号及探尺的提升或下降的信号；

3）执行单元接收来自仿真单元和处理单元的信号，控制各设备的运行：阀门系统执行单元，控制上料闸阀门、上下密封阀及均排压阀各阀门的开闭，调节料流调节阀的开度，调整介质系统阀门的状态；布料设备执行单元，调节布料设备的布料溜槽倾角角度及旋转位置，以完成设定的布料方式；探尺执行单元控制探尺的提升和下降，完成炉内料线的检测；

4）故障诊断单元通过图尔克现场模块，实现现场模块的组态，完成其逻辑地址的分配，及总线协议方式及速率的设置，完成总线上所有I／O模块的状态字，通过现场总线将检测结果传输至处理单元；

5）仿真单元连接至数据采集单元内的现场总线，接收各种阀位信号，并与设定值进行比较，产生模拟控制信号及供画面报警的报警信号，并将信号传至执行单元。

有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

（1）本发明的技术方案的特点是通过现场总线采集炉顶各设备的状态信息，通过总线形式传至处理单元，再通过控制单元控制炉顶布料设备、探尺及阀门系统的动作，该方法简化了现有高炉炉顶信息采集的结构模式，用一根现场总线挂接多个设备，节约了连接电缆与各种安装维护费用；同时避免数百个检测点和控制点的检测信号汇集到控制系统的入口处所造成的信号堵塞，增加了系统的可靠性；

（2）现场总线的现场模块采集散落在现场的各处信号，减少了变送器、隔离器的数量，也不再需要的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，节省了硬件投资，相应地减少控制室的占地面积，特别是对于直接影响到布料准确度的检测信号，如编码器，采用总线连接模式，改变了传输介质，提高了信号的精确度；

（3）本发明的仿真单元采用现场总线的现场模块提供的总线诊断功能，可以实时检测采集信息点的通讯状态及通讯速率，及时发现网络堵塞状况，监控故障报警状态，可有效地提高故障抢修的时间；

（4）本发明的技术方案避免了大量点到点的电缆敷设，降低了线路敷设的难度和施工的复杂性；减少传送误差，提高采集系统的可靠性和准确度；适合各种环境恶劣的工业现场。

附图说明

图1为本发明的系统结构框架图；

图2为本发明的执行单元的模块结构图。

图中：1. 数据采集单元；2. 处理单元；3. 执行单元；31. 布料设备执行单元；32. 探尺执行单元；33.阀门系统执行单元；4. 故障诊断单元；5. 仿真单元；6. 上位机；7. 布料设备；8. 探尺；9. 阀门系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例进一步说明本发明的技术方案。

结合图1，本发明的基于现场总线的高炉炉顶信息采集系统，它包括上位机6、数据采集单元1、处理单元2和执行单元3，所述的上位机6、数据采集单元1、处理单元2和执行单元3依次连接，所述的数据采集单元1通过现场总线将高炉炉顶各信息采集点连接起来并最终将所采集信息传输至处理单元；所述的高炉炉顶各信息采集点包括布料设备7、探尺8和阀门系统9。数据采集单元1中的现场总线还包括故障诊断单元4和仿真单元5，所述的故障诊断单元4的输出端接处理单元, 所述故障诊断单元4采用现场总线的现场模块提供的总线诊断功能，即采用图尔克现场模块的诊断功能实现，所述的仿真单元5输出端接执行单元3。所述处理单元2采用XGR-CPU H/T为中央处理器，所述的中央处理器采用CPU冗余、电源冗余和网络冗余。所述的现场总线采用Profibus-DP现场总线系统。

如图2，所述的执行单元3包括布料设备执行单元31、探尺执行单元32和阀门系统执行单元33，所述的布料设备执行单元31的输出端与高炉炉顶设备的布料设备7连接，所述的探尺执行单元32的输出端与高炉炉顶设备的探尺8连接，所述的阀门系统执行单元33的输出端与高炉炉顶设备的阀门系统9连接。

本发明的基于现场总线的高炉炉顶信息采集系统的信息采集方法，其步骤为：

1）数据采集单元1实时采集布料设备7的布料溜槽、探尺8及阀门系统9的运行状态，信号传送至上位机6显示；

2）处理单元2接收数据采集单元1传送的信号，进行计算比较判断，产生阀门系统9的阀位控制信号、料流调节阀的调节信号、布料溜槽倾角角度和旋转位置的信号及探尺8的提升或下降的信号；

3）执行单元3接收来自仿真单元5和处理单元2的信号，控制各设备的运行：阀门系统执行单元33，控制上料闸阀门、上下密封阀及均排压阀各阀门的开闭，调节料流调节阀的开度，调整介质系统阀门的状态；布料设备执行单元31，调节布料溜槽倾角角度及旋转位置，以完成设定的布料方式；探尺执行单元32控制探尺8的提升和下降，完成炉内料线的检测；

4）故障诊断单元4通过图尔克现场模块，实现现场模块的组态，完成其逻辑地址的分配，及总线协议方式及速率的设置，完成总线上所有I／O模块的状态字，通过现场总线将检测结果传输至处理单元2；

5）仿真单元5连接至数据采集单元1内的现场总线，接收各种阀位信号，并与设定值进行比较，产生模拟控制信号及供画面报警的报警信号，并将信号传至执行单元3。

实施例1

本发明的基于现场总线的高炉炉顶信息采集系统，它包括上位机6、数据采集单元1、处理单元2和执行单元3，所述的上位机6、数据采集单元1、处理单元2和执行单元3依次连接，所述的数据采集单元1通过现场总线将高炉炉顶各信息采集点连接起来并最终将所采集信息传输至处理单元；所述的高炉炉顶各信息采集点包括布料设备7、探尺8和阀门系统9。

所述的执行单元3包括布料设备执行单元31、探尺执行单元32和阀门系统执行单元33，所述的布料设备执行单元31的输出端与高炉炉顶设备的布料设备7连接，所述的探尺执行单元32的输出端与高炉炉顶设备的探尺8连接，所述的阀门系统执行单元33的输出端与高炉炉顶设备的阀门系统9连接。

数据采集单元1中的现场总线还包括故障诊断单元4和仿真单元5，所述的故障诊断单元4的输出端接处理单元2, 所述故障诊断单元4采用现场总线的现场模块提供的总线诊断功能，即图尔克现场模块的诊断功能实现。所述的仿真单元5输出端接执行单元3。

所述处理单元2采用XGR-CPU H/T为中央处理器，所述的中央处理器采用CPU冗余、电源冗余和网络冗余。现场总线采用Profibus-DP现场总线系统。

对于数据采集单元1中的现场总线在本实施例中采用以下四种模式的信号采集方式布设：

模式一，设置本地扩展机架，采用一对一硬接线模式实时采集布料设备7的布料溜槽、探尺8的准备信号，传送至本地扩展机架，扩展机架通过XGR-DBSFCEP 通讯模块将采集信息的状态传送处理单元2；

模式二，设置现场模块，实时采集阀门系统9阀位信号、炉顶液压润滑系统信息、炉顶罐压信号及炉顶气密箱温压信号，通过模块总线接口传送至处理单元2；

模式三，设置XGL-PMEA通讯模块，采用Profibus-DP现场总线连接，通过传动装置CP通讯卡接口采集布料设备的布料溜槽和探尺8传动装置的状态信号；

模式四，设置XGL-PMEA通讯模块，采用Profibus-DP现场总线连接至编码器的总线接口，采集料流调节阀开度、布料溜槽旋转位置及倾角角度及探尺8的料位等信号。

对于上述的基于现场总线的高炉炉顶信息采集系统，本发明的高炉炉顶信息采集方法，其步骤为：

1）数据采集单元1实时采集布料设备7的布料溜槽、探尺8及阀门系统9的运行状态，信号传送至上位机6显示；

2）处理单元2，设置一套冗余的控制系统，中央处理器选用XGR-CPU H/T；处理单元2接收数据采集单元1的信息，进行计算比较判断，产生阀门系统9的阀位控制信号、料流调节阀的调节信号、布料溜槽倾角及旋转位置的信号及探尺8的提升或下降的信号；

3）执行单元3，输入端连接至仿真单元5和处理单元2的输出端，接收来自仿真单元5和处理单元2的各种信号，控制各设备的运行：阀门系统执行单元 33，控制上料闸阀门、上下密封阀及均排压阀等阀门的开闭，调节料流调节阀的开度，调整介质系统阀门的状态；布料设备执行单元31，接收信号，调节布料溜槽倾角角度及旋转位置，以完成设定的布料方式；探尺执行单元32接收信号，控制探尺8的提升和下降，完成炉内料线的检测；

4）故障诊断单元4，采用XG5000编程软件，通过图尔克现场模块配置的GSD文件，实现现场模块的组态，完成其逻辑地址的分配及总线协议方式及速率的设置，完成总线上所有I／O模块的状态字。通过现场总线将检测结果传输至处理单元2；现场模块选用防护等级为IP67的图尔克模块，以满足现场恶劣的环境；传输介质采用Profibus-DP 屏蔽电缆；并根据距离的远近设置中继器，以保证信号传输的可靠性；

5）仿真单元5，连接至数据采集单元1内的现场总线，接收各种阀位信号，并与设定值进行比较，产生模拟控制信号及供画面报警的报警信号，并将信号传至执行单元3，在保证高炉安全生产的前提下，保证炉顶设备的正常工作。如模拟高炉单环或多环布料模式，模拟下料状态。

本案例中基于现场总线的分散型控制系统结构模式，设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了高炉炉顶信息采集现有控制系统集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。