一种智能槽控的制造方法

专利名称:一种智能槽控的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种智能槽控机，包括CPU芯片、显示触摸屏、电源电路、复位电路、两个PLD接口芯片、AD采集电路、DA输出电路、开关量输入输出接口电路、输入输出保护电路、输入输出隔离电路，所述显示触摸屏、电源电路、复位电路、两个PLD接口芯片均与CPU芯片连接，所述AD采集电路、DA输出电路、开关量输入输出接口电路均与PLD接口芯片连接，且AD采集电路、DA输出电路均串接有输入输出保护电路，所述开关量输入输出接口电路，输入输出保护电路均与输入输出隔离电路连接。
【专利说明】一种智能槽控机

【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种自动控制领域，具体为一种智能槽控机。

【背景技术】
[0002]槽控机是铝电解槽自控系统的主体部分。由于铝电解是连续进行的，铝电解的车间环境现场的条件相对恶劣得多，因此，铝电解控制系统必定是具备实时控制功能的高可靠性系统，并且作为控制系统的核心部件——槽控机，理所当然地应能适应特殊应用场合的环境要求。
[0003]另外，槽控机控制软件必须满足电解槽控制的要求，其主要功能是实时采集槽电压和系列电流等现场信号及各种手动操作命令，包括槽温、打壳反馈、下料反馈；根据电解槽的实际生产状况，控制电解槽的阳极移动和氧化铝和氟化盐的下料；实现自动调节和控制电解槽的能量平衡与物料平衡；并配合上位机实现智能控制系统的关键参数修改，使电解生产保持在高效平稳的状态。所以槽控机硬件与软件要统一考虑，硬件在满足使用方便、可靠地基础上，尽可能地实现软件模块的多种需求。
[0004]然而，现有的铝电解槽自焙槽生产系列上使用的自控系统普遍为“大板结构”槽控机，是将控制系统的主体控制电路集成在一块“大板”上，并与其它的面板电路、输出电路等电路板连接在一起，构成控制系统的硬件电路，并将软件功能固化在硬件系统的ROM上的铝电解槽自控系统。因其非标的硬件结构和较弱的软件二次开发功能，已不能满足现代铝电解工艺对自控技术要求精细化控制的需求。另外，“大板结构”槽控机系统，软件普遍采用C、VC、或汇编语言软件编程，在PC上运行实时控制算法，编程工作量大、可靠性低、风险大。使用企业如需二次开发，一是需生产厂家开放原有的编程源代码，二是软件编程需具有相对应软件的编程人员才可能修改，同时还需同步开发上位机对应的通讯应用程序，软件二次开发的难度较大。
[0005]同时硬件上由于未按工业用标准PLC系统生产，致使硬件接口、通讯等差异较大，与其它系统对接的技术要求较高，且硬件故障率相对较高。如中国专利202369664U公开的“一种分布式铝电解槽控制机”；中国专利2787682公开了 “铝电解槽控机的逻辑控制电路板结构”都存在以上问题。
实用新型内容
[0006]本实用新型针对现有技术存在的技术问题:提出一种可靠性、可扩展性和兼容性都很好的一种智能槽控机。
[0007]本实用新型所采用的技术方案为:一种智能槽控机，包括CPU芯片、显示触摸屏、电源电路、复位电路、两个PLD接口芯片、AD采集电路、DA输出电路、开关量输入输出接口电路、输入输出保护电路、输入输出隔离电路，所述显示触摸屏、电源电路、复位电路、两个PLD接口芯片均与CPU芯片连接，所述AD采集电路、DA输出电路、开关量输入输出接口电路均与PLD接口芯片连接，且AD采集电路、DA输出电路均串接有输入输出保护电路，所述开关量输入输出接口电路，输入输出保护电路均与输入输出隔离电路连接。
[0008]根据上述方案可以看出本实用具有如下优点:本实用新型通过在原有“大板结构”槽控机基础上将硬件和软件按PLC架构进行制造和配置，硬件上安全按照工业用PLC (可编程控制器)的标准制造，软件上将PLC的编程环境嵌入到槽控机的系统之中，并将电解槽控制的专用模块作为子程序固化写入，而开发的全新铝电解槽用控制系统。由于采用PLC标准制作，硬件的电气性能、通讯接口、以及软件编程等全部标准化，完全为PLC体系，硬件上可按标准PLC与系统相连接，软件上可连接标准的“组态软件”，如AB、西门子、组态王、以及触摸屏等。本系统编程可使用标准的梯形图、功能块、及语句的编程方式。硬件上大大提高了集成度，软件上编程简单方便、运算功能更强大，软件编程无需了解已有的编程模块细节，只是在现有的基础上增加新的软件功能即可。与“大板结构”槽控机相比，在提高硬件和软件质量方面作了更精心的设计。硬件为标准化的工业可编程控制器，与第三方系统接口容易，二次开发相对方便，硬件在针对电解槽控制需求作了专门设计，不但满足电解车间特有的强磁场，粉尘大的使用需求，输入输出也作了特别的处理，抗干扰能力强，可靠性高；软件则嵌入了 PLC的编程方式，更嵌入了专用的控制模块和先进控制算法，自动化程度更高，控制系统二次开发更方便、实用，既满足了电解槽控制系统作为独立系统控制的功能要求，有解决了作为分散集控系统使用“管控一体化”需求，硬件质量为电解槽控制体系提供了保证。
[0009]具有以下主要技术特点和有益效果:
[0010](I)标准PLC体系:采用标准PLC软件和硬件体系，支持标准的RS232、RS485和CANBUS通讯，支持O — 10VDC和4 一 20mADC标准信号接入，支持标准的梯形图和组态化编程方式；编程效率提高30%以上。
[0011](2)可靠性高:嵌入式PLC软件平台成熟、稳定、可靠。硬件为标准PLC结构，满足CE标准，防干扰能力强、可靠性高、故障率低，为免维护设计；平均故障停机检修率低于0.02次/台.年，仅为“大板式”槽控机平均故障率的1%左右。
[0012](3)在线编程:嵌入式PLC采用梯形图、功能块和语言编程，能在线编程和下载程序，可方便响应用户提出工艺改进、生产试验的特殊要求，实现个性化控制。
[0013](3)真正分布式控制:能通过触摸屏现场修改控制参数(需有相应权限);能显示实时数据、状态信息、故障信息等并能现场查询电压、电流等相关数据的实时和历史曲线；脱离上位机时仍能选择和切换控制策略与参数，并可安全独立运行，实现真正的分布式控制。
[0014](4)人性化设计:采用图形化的显示方式，直观明了。人机界面显示更加智能化，操作人员不需死记硬背复杂的组合按键含义和故障码信息即可操作；显示内容可自动跟随槽况，不需人工干预可直接显示当前槽况的相关参数。可自动显示效应时、和特殊工艺操作时的系统主要参数和状态。
[0015](5)完善的保护功能:软件保护、硬件逻辑保护和硬件动力回路保护组成三级保护体系，有限时、限幅、限位和防硬件故障等多种保护方式。操作界面进行防误操作设计，安全性提闻;
[0016](6)开放式系统:方便接入第三方槽控辅助系统，如阳极导杆电流分布传感器、槽壳温度测量传感器、炉底压降测量传感器、母线接地报警系统、天车出铝系统等用于辅助槽况测量、分析系统。方便与管控一体化系统实现互联。
[0017]PLC以其高可靠性，在解决好了逻辑控制的同时，加强过程控制的功能，并增加了大量的先进控制模块，其应用范围向上挤占DCS的市场，向下覆盖了部分嵌入式单片机应用市场。PLC的现场总线功能、支持人机界面及易学易用的梯形图语言，让工厂电工都易于接受。但由于通用PLC中没有任何可使用的“槽控模块”，槽控软件系统必须全新开发，由于槽控机是一个与工艺结合非常强的控制系统，通用PLC同样难以胜任。
[0018]作为优选，CPU为嵌入式CPU。
[0019]作为优选，所述智能槽控机还包括以太网接口、CAN BUS接口、RS485和RS232接口，所述以太网接口、CAN BUS接口、RS485和RS232接口与系统接口芯片连接，均可PLC编程控制。
[0020]作为优选，使用了触摸屏代替了传统的参数显示和显示切换、以及增加的控制操作。
[0021]作为优选，使用了标准PLC结构、以及标准PLC编程、具有PLC架构的分散集控性槽控机。

【附图说明】

[0022]图1是本实用新型系统硬件框图。
[0023]图2是本实用新型软件系统框图。
[0024]图3是本实用新型控制软件模块框图。
[0025]图4是本实用新型编译过程对比图。
[0026]图5是本实用新型系统硬件接口框图。
[0027]图6是本实用新型嵌入式PLC结构智能槽控机内部结构示意图。
[0028]图7是本实用新型嵌入式PLC结构智能槽控机组成的铝电解生产智能监控系统示意图。

【具体实施方式】
[0029]本实施例所述的电解槽用嵌入式PLC智能槽控机是将传统控制软件嵌入到PLC控制系统之中，是建立在智能槽控机技术、和PLC技术之上的控制系统，使硬件、软件满足PLC标准，同时集成了电解槽专用模块的控制系统。是传统槽控机、与PLC控制系统的集成体。通过将原“大板式”结构改为标准PLC结构，原输入、输出接口改为标准PLC接口，并将标准PLC软件系统嵌入系统软件之中。针对电解铝厂使用槽控的特殊环境，将槽控系统硬件作相应的处理。而软件设计采用结构化设计的方法，分为三个层次，B1S控制层、PLC系统功能层、以及用户应用程序层。其原则是:自上而下，逐步细化，模块化，结构化编程。软件设计从底层开始逐步细化，每层都由若干个模块组成，程序采用结构化编程。在应用程序层可直接调用控制层和功能层、以及本层的计算和控制等各种模块，最终方便、可靠地实现电解槽的分布式的管理与控制。本实用新型基于嵌入式技术和开源的Linux操作系统，对智能槽控机的硬件平台、人机界面、软件编程技术提出设计和解决方案。
[0030]下面，结合附图进一步详细说明:
[0031]图1所示为系统硬件框图。主电路采用嵌入式结构，使用ARM芯片作为CPU核心芯片，扩展ROM与RAM，利用嵌入式技术，将标准的PLC软件操作系统嵌入槽控机系统，并使用可编辑逻辑器件EPLD简化硬件结构和将标准软件功能硬件固化(固定性的简单功能);通讯方面，采用先进的CANBUS网络等核心芯片与成熟的485芯片嵌入系统，形成标准的PLC编程和标准通用接口，增加标准的485与232接口，使用触摸屏代替数码管加指示灯的显示方式，以及代替传统的按键。由于嵌入式PLC采用模块化设计，具有标准PLC的软件、硬件体系，支持标准的RS232、RS485和CANBUS通讯，支持标准PLC的梯形图、指令表和功能块编程方式，能在线修改、下载程序。人机界面采用标准工业触摸屏，采用组态化编程方式，有标准以太网接口和RS485/232接口。
[0032]另外，在系统的设计中，使用可编程逻辑器件(EPLD)以实现系统的部分电路功能和逻辑部分的保护功能，利用EPLD硬件电路“软件化的显著特点简化硬件电路，并将专用的“软件”功能硬件化，如“三相交流电”的缺项及反向判断等，特定逻辑控制功能在日后还可以通过修改EPLD芯片程序来更改，同时还使用EPLD将系统的特殊软件进行了加密，使得用户的“高级模块”在PLC编程完全开放的情况下得到保护。
[0033]图2所示软件系统框图:由于智能槽控机的PLC系统软件设计是槽控机系统实现的关键难点，因此，设计的优劣直接关系到系统的稳定性、可移植性、可扩展性。通过系统嵌入式软件、可编程逻辑器件，将系统软件分为三层结构，第一层:为系统的核心层，即操作系统层，使用Linux系统，利用Linux内核高效稳定、公开源代码、可移植性、可裁减、支持多任务等特点，实现对嵌入式PLC的移植、裁剪。此层主要实现固化PLC系统、及部分特定的通讯、接口等模块，PLC槽控系统的快速启动、自检、输入输出接口基本处理和电源、时钟、以及掉电保护等管理等。此层在出厂前固化，只能返厂改动;第二层:为系统的服务功能层，处理PLC程序用户接口、中间件系统以及嵌入式人机交互接口，支持PLC程序下载、加密与运行、嵌入式数据服务等，以及固化槽控软件计算模块。主要固化系统的“特定模块”，如出铝模块、换极模块、抬母线模块、单点下料模块、以及部分其他先进控制模块等，以及各类硬件逻辑层面上的限时、限幅、限位保护模块；此层在出厂前固化，但可在离线情况下修改，一般不对外开放，是自有知识产权模块的保护层；第三层:为系统的应用层，实现槽控机的编程功能及其他应用等，主要放置用户应用程序，并对用户完全开放，通过此层用户可调用第一层、第二层、以及本层的软件。
[0034]图3所示为控制软件模块框图。软件引入的部分标准软件作为“软件模块”固化在系统中，如阳极升降保护、工艺操作等软件。不仅能实现接触器粘连、接触器不吸、升降接触器互锁、电源缺相、反序等故障的防护和脱扣器故障监视。硬件逻辑保护和软件保护、硬件动力回路保护组成三级保护体系，确保阳极升降安全、可靠。应用系统可通过EPLC编程，直接调用系统中的软件模块。而且能将成熟的电解槽控制软件写入到应用之中，还可以将用户的新工艺、新思路、新改进放入PLC下的用户的编程模块中，实现用户的新措施。支持模块的增补和PLC的软件高效编程，更适合电解槽的控制功能扩展。因此，需要搭建系统编程环境和准备功能层软件开发
[0035]搭建系统编程环境:一般的Linux程序开发都是以本地的方式进行开发与调试，程序的运行场地就是开发所用的计算机。这种方式不适合嵌入式系统的开发，因为嵌入式系统本身资源有限，不能运行开发与调试工具，没有自主开发能力。所以嵌入式Linux程序开发一般采用交叉编译的方式，在宿主机上(通常是P C )开发并编译程序，将结果下载到目标板上运行。开发与运行的环境不同，需要交叉编译是嵌入式系统开发的主要特点之一。由于宿主机与目标机的C P U—般不相同，宿主机一般为I n t e I X 8 6体系，而目标机为A RM体系结构，所以在宿主机开发编译程序时需要使用交叉编译工具包。开发时使用宿主机上的交叉编译、汇编及链接工具将应用程序转换生成与硬件C P U特征有关的只能在目标机上执行的二进制代码，然后将此可执行文件下载到目标机上运行，开发时以上步骤交替结合进行。本文使用Windows下的超级终端,通过串口与目标机相连接，同时启用以太网口连接方便调试。编译器选择Linux下的自由软件GNUGCC，它是Qt程序推荐的编译工具，可以完成几乎所有知名C P U的交叉编译及调试。Q t的一个重要特点就是它的跨平台特性，所有的Q t库函数都有Windows和Linux版本,用户所写的应用程序基本不需要改动就能够在Linux和W i n d O w平台移植运行。
[0036]准备功能层软件开发:硬件平台及底层的软件开发基本完成后，可以开始准备应用层及功能层的软件设计开发了。由于大多PLC平台是在C系列软件的基础上开发的，将PLC平台软件通过交叉编译及调试，下载到A RM的硬件中，在A RM的Linux平台运行即可。另外电解控制模块的开发，原有模块是在C51下开发的，直接将在P C.Window平台上编程并测试，然后将完成的模块嵌入主程序，移植到A RM.Linux平台下即可。得益于Q t的平台移植的良好特性，本文所要编写的大量应用程序模块不需要考虑太多就能达到程序与硬件平台的无关性，同时在P C和Linux上运行。所有程序在编写时不调用平台特有函数，用纯C/ C ++及Q t库完成，以减少硬件平台的不同带来的影响，减小软件开发工作量。
[0037]嵌入式PLC又称客制式PLC，是将PLC的梯形图语言作为一种支持工艺过程编程的嵌入式实时操作系统移植到特定的硬件上，设计出客户特定功能的专用PLC。嵌入式PLC的设计方法是根据客户需求，规划硬件结构(如I/O、ΑΙ/Α0等)加载嵌入式PLC内核，在关联的二次开发环境(内核开发方提供)中编写接口驱动程序。嵌入式PLC的应用包括:①传统的PLC如标准I/O型PLC设计②单片机嵌入板设计在嵌入板中加载嵌入式PLC内核及驱动程序用梯形图语言编写工艺过程控制。
[0038]本实施例使用的嵌入式PLC软件为EASY-V1.00，嵌入式PLC软件的扩展能力体现在扩展接口及协议的开放性上。世界上各家的PLC生产商都有现场总线接口，如三菱的CC一Link,西门子的Profibus等。之所以选择了 CANbus,—是中国的现场总线标准是DeviceNet (CANbus是其底层协议),二是CANbus在中国工控市场上已形成事实标准。嵌入式PLC软件的网络互连能力体现在嵌入式Web服务器上，其深度裁剪TCP/IP协议(仅运行TCP/IP、ICMP ARP)，在远程端加载专用浏览器后，即可实现远程监控。嵌入式PLC软件提供的硬实时体现在用户定制中断系统干预内核任务调度机制，实现高速实时控制系统要求(如步进驱动，可控硅移相触发等)上。
[0039]EASY-V1.00嵌入式PLC软件，具备以下功能:
[0040]1、支持三菱、台达等多家人机界面
[0041]2、支持梯形图编程(86条指令)
[0042]3、支持CANbus互连(多机并联运行或扩展单元连接)
[0043]4、支持第三方开发扩展单元的接线
[0044]5、提供硬实时，用户嵌入接口
[0045]EASY-V1.00嵌入式PLC软件，为单片机嵌入设计提供了一个全新的设计方法，设计人员更多地关注接口及可靠性，而将用户工艺交给梯形图语言，仅需数数I/O 口数量，画画PCB板，就可快速推出产品。EASY-V1.0O嵌入式PLC软件，将改变国产PLC设计格局，使PLC生产厂家能快速设计出贴近终端市场的PLC，即嵌入式PLC，也可更形象地称为客制式PLC (为客户定制的PLC)。
[0046]图4所不为传统和PLC编程对比图。传统编程米用C语目、汇编语目编译,需要尚线下载、固化，存在复杂、难度大使用不方便的问题；而PLC编程采用梯形图、功能块、语句编译，可在线下载、修改，具有编程方式简单灵活、使用方便的特点。
[0047]图5所示为系统硬件接口框图
[0048]图6所示为嵌入式PLC结构智能槽控机结构示意图:智能槽控机结构在外观上采用壁挂式，分左右两个独立箱体，左边为动力箱体，右边为逻辑箱体。动力箱体主要由主电源开关、控制开关、交流接触器、槽压表、动力检测PLC模块、控制按钮等部分组成。控制箱体槽控机的控制核心，主要由二个嵌入式PLC模块、人机界面(触摸屏)组成。二个嵌入式PLC模块之间通过RS485通讯，PLC模块与触摸屏之间通过RS232通讯，PLC模块与上位机通过CANBUS通讯。
[0049]图7所示为嵌入式PLC结构智能槽控机组成的铝电解生产智能监控系统。以PLC结构智能槽控机为主要设备构成的NEUTL铝电解智能控制系统采用“局域网一生产监控一槽控机”三级网络分布式控制结构，控制系统由安装在电解生产现场的智能槽控机(直接控制级)，和安装在计算机站的管理机(生产监控管理级)以及安装在电解车间的工区工作站组成。每个区内的智能槽控机采用CANBUS连接，每个区的CANBUS在车间内转为以太网并进行光电转换，通过光纤与位于控制室的监控管理机相连接，光纤使用以太网的通讯协议进行传输。整流所送来的系列电流信号和系列电压信号(4一20mA)在通讯接口箱进行转换，系列电流信号转换为频率信号通过电流总线送到各槽控机，系列电压由嵌入式PLC采集后通过CANBUS通讯接入上位机。
[0050]电解工经过简单介绍和培训即可适应并熟悉这种具有可视化的人机操作界面。通过触摸屏及时查看完整的电解槽信息，并能现场查询实时和历史曲线，现场查询和修改参数(修改需权限)，有异常情况及时处理，真正做到的了独立分布式控制，充分发挥了电解工的主动性。改变了以前“大板式”槽控机过分依赖上位机，电解工对电解槽槽况了解太少，一旦槽控通讯异常，槽控只能维持当前控制参数不变，且不能及时了解详细的槽况数据信息，延误时机造成槽子恶化。当发生异常时，智能槽控机直接显示异常情况的详细信息，并通过分析直接显示异常原因和处理方法，指示相关人员快速处理，实现了真正的智能化。
[0051]可以理解的是，以上关于本实用新型的具体描述，仅用于说明本实用新型而并非受限于本实用新型实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种智能槽控机，包括CPU芯片、显示触摸屏、电源电路、复位电路、两个PLD接口芯片、AD采集电路、DA输出电路、开关量输入输出接口电路、输入输出保护电路、输入输出隔离电路，所述显示触摸屏、电源电路、复位电路、两个PLD接口芯片均与CPU芯片连接，所述AD采集电路、DA输出电路、开关量输入输出接口电路均与PLD接口芯片连接，且AD采集电路、DA输出电路均串接有输入输出保护电路，所述开关量输入输出接口电路，输入输出保护电路均与输入输出隔尚电路连接。2.根据权利要求1所述的智能槽控机，其特征在于:CPU为嵌入式CPU。3.根据权利要求1所述的智能槽控机，其特征在于:所述智能槽控机还包括以太网接口、CAN BUS 接口、RS485 和 RS232 接口，所述以太网接口、CAN BUS 接口、RS485 和 RS232 接口与系统接口芯片连接，均可PLC编程控制。4.根据权利要求1所述的智能槽控机，其特征在于:使用了触摸屏代替了传统的参数显示和显示切换、以及增加的控制操作。5.根据权利要求1所述的智能槽控机，其特征在于:使用了标准PLC结构、以及标准PLC编程、具有PLC架构的分散集控性槽控机。
【文档编号】C25C3-20GK204281875SQ201420638884
【发明者】王德全, 魏清汉, 王振伟, 王炜峰 [申请人]河南科达东大国际工程有限公司