专利名称：高炉槽下配、上料仿真装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及工业控制模拟领域，特别是涉及一种高炉槽下配、上料仿真装置。
技术背景大型高炉槽下配、上料系统设备众多，状态复杂，却也是高炉自动化的核心环节，其 能否稳定高效地运行，直接影响到整个高炉的生产效率和经济效益。眼下，在工控领域， 均通过可编程逻辑控制器(PLC)实现对该系统的基础自动化控制，由操作人员通过操作 站进行操作，而PLC控制系统的调试都是通过现场设备进行空载试车和热负荷试车。但高 炉生产的特殊性决定了该系统在点火前无法带料试车，也无法对操作人员进行实际生产操 作的培训，并且一旦高炉点火，就必须确保整个系统稳定高效地运行。这种固有的矛盾往 往影响了高炉的顺利投产和迅速达产。在国内最近新建的几座高炉工程中，对操作人员的 培训， 一般是将操作人员送到其它同类高炉学习操作，这往往需要将大量人员送到外地进 行长达数月的培训，并且即使是同类高炉其运行操作方式也不完全相同。目前，各大PLC供货商基本上提供的主要是在PC机上对PLC本体包括CPU和存储器 的运行进行仿真，因为不能对外部工艺设备的电气特性和整个工艺过程进行仿真，其防真 过程需要通过不断进行人工强制发出输入信号来模拟工艺设备的状态，无法用于复杂、庞 大的工艺系统。 发明内容本实用新型所要解决的技术问题是针对上述大型高炉槽下配、上料控制系统存在的 问题，提供一种高炉槽下配、上料仿真装置，该装置不需要实际的高炉槽下工艺设备，不 需任何人工干预，即可模拟高炉槽下配、上料系统各种工艺设备的运行特性，及整个系统 运行的各种状态，以便用来测试PLC控制程序和培训操作人员。本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是包括可编程控制器PLC、工业控制用计算机即工控机、0SM即光学交换机模板，PLC设有CPU模块、输入输出模块、通讯模块。 输入输出模块作为远程10，通过现场总线与CPU模块相连。通讯模块和工控机，通过0SM 连接在整个高炉的工业拟太网一高炉环网上。CPU模块内固化有"虚拟装置"。 本实用新型与现有技术相比，具有以下主要的优点其一.结合人机界面，能够实现对完整系统包括PLC本体、外部物理工艺设备以及人 机界面三位一体的仿真，具有实时性、全面性、可扩展性。其二.固化在CPU内的"虚拟装置"可以自动模拟工艺设备运行特性，不需要任何人工干预。可对料流运行状况及整个系统在各种工矿下的复杂状态进行仿真。其三.操作站提供对仿真过程进行监控和操作，监控和操作的方式和实际生产时完全
相同。为操作人员提供方便、适用的培训和练习。其四.CPU内的跟踪功能块可自动对配料状态和料流在上料系统皮带上的运行情况进 行检测，跟踪每批料头、料尾所在位置，检验系统的运行是否符合工况要求。如有异常， 能够在操作站上及时报警，指出故障类型，并显示出故障发生的位置。其五.能够模拟各种设备的各种故障，检测PLC系统控制程序和操作人员对各种故障 的处理方式是否达到最优。其六.提供两种仿真模式，"测试模式"和"培训模式"。"测试模式"用于测试PLC 系统控制程序是否在各种工矿情况下都能满足高炉的要求，从而解决槽下配、上料控制系 统无法带负荷试车的问题。"培训模式"用于操作人员的培训，操作人员可通过操作站熟 悉工艺过程和操作方式。CPU内的功能块可模拟各种工矿，检测操作人员的是否正确，并 通过操作站对其进行提示和评分。
图1是本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
本实用新型的结构如图l所示包括可编程控制器PLC、工控机即工业控制用计算机4、 0SM即光学交换机模板6。 PLC设有CPU模块1、输入输出模块2、通讯模块3，它们 装在PLC柜7内。输入、输出模块2作为远程10，通过现场总线与CPU模块1相连。通 讯模块3和工控机，通过OSM连接在整个高炉的工业拟太网一高炉环网5上。CPU模块内 固化有"虚拟装置"。上述工控机作为操作站，具有实现操作和监控功能。上述通讯模块通过TCP/ IP协议或ISO协议访问安装于工控机上的OPC服务器，同样 安装于工控机上操作站也访问OPC服务器，从而实现PLC和操作站的数据交换。OPC( Object linking and embedding for process control)为用于过程控制的对象链接禾口嵌入协议。上述"虚拟装置"为虚拟的现场的工艺设备，例如为虚拟的低压电机驱动的皮带和 虚拟的四台高压电机驱动的主皮带，为虚拟的给料机和虚拟的震动筛，为虚拟的称量斗闸 门和虚拟的称量装置，等等。其以功能块的形式固化在PLC的CPU模块内，可模拟各种工 艺设备的电气及运行特性，对控制系统发出的各种指令作出反馈；但对各工艺设备的控制 仍由CPU完成。上述PLC可选用SIEMENS、施耐德、ABB等系列的PLC,其适用的编程软件为 SIEMENS公司的step7、施耐德公司的CONCEPT等，均支持OPC服务器。或者，依据 实际需要采用其它类型的的PLC和编程软件，但该软件需能够支持OPC服务器。上述工业控制用计算机4，用作操作站(HMI)和OPC服务器，以及编程器。操作站 所采用的开发软件可以是SIEMENS公司的WINCC、悉雅特公司的CITECT等；或者， 依据实际需要采用其它同类型的监控开发软件。
仿真过程的监控、显示和操作，与实际生产过程完全一样，都是通过监控站对PLC进行访 问。监控站和PLC之间的通信采用工业拟态网，协议采用TCP/ IP协议，或IS0协议。目前基本上所有的基于WINDOWS的软件都支持OPC，而OPC Server的搭建既可以 通过现有的OPC软件，也可以通过编程来实现。本装置目前采用的PLC为SIEMENS S7系列，操作站为悉雅特公司的CITECT。 PLC 通过TCP/ IP协议和OPC APPLOICATION通讯，操作站以S7NT方式和OPC APPLOICATION 通讯建立通讯。高炉槽下配、上料仿真装置的工作模式通过用PLC编程语言编制的程序建立被控对 象的电气特性仿真模型和料流运行模型，构成电气上的"虚拟装置"。每种模型都被放在 相应的功能块中。模型功能块具有输入管脚和输出管脚，用于模拟物理设备接收基础自动 化控制系统发出的指令，并向基础自动化控制系统反馈信号。下面叙述本实用新型的仿真过程，但不限定本实用新型。目前被广泛采用的基础自动化控制系统工作模式通过用PLC编程语言编制的控制程 序，对PLC输入模块从现场采集来的输入信号进行处理，程序运行后发出的指令，通过 PLC的输出模块驱动中间继电器、接触器动作，最终控制各设备的运行。本实用新型与目前被广泛采用的基础自动化控制系统工作模式不同，在仿真过程中， 基础自动化系统程序发出的指令没有通过PLC的输出模块驱动中间继电器、接触器，而是 传给了相应构成"虚拟装置"仿真模型功能块的输入管脚，即将信息传给了仿真模型，在 仿真模型经过特定的处理后，根据"虚拟装置"的电气特性，通过仿真模型功能块的输出管脚发出反馈信号，并将其送至基础自动化系统程序，用来模拟来自现场的各种信号。本 装置具体工作歩骤如下1) 仿真模型模拟物理设备，给出初始化状态；2) 基础自动化系统程序运行，根据操作员从操作站发出的操作命令，经过程序处理 后，将PLC的输出指令传给仿真模型。3) 仿真模型收到PLC的输出指令后，模拟物理设备的电气特性，发出反馈信号给PLC。 仿真模型的建立根据工艺设备电气特性，将工艺设备分为若干类，分别对每一类设备建立仿真模型，同时还需要建立料流等工艺过程的仿真模型。仿真模型能够像真实的物 理设备 -样接收基础自动化系统程序发出的指令，并发出反馈信号，其反馈信号的数量、 意义同真实的物理设备完全一样，并能发出故障信号，模拟物理设备可能发生的各种故障。 可通过以下方法建立仿真模型1.基于实际PLC控制器的实施方式采用实际PLC控制器参与仿真以最大限度的与实际工况相似。外部设备的仿真模块 与PLC控制程序在统一环境下编辑。 一方面PLC与模拟的现场设备之间可以形成直连； 另一方面，PLC循环扫描并询问现场设备状态的工作机制也类似于实际工况。 监控站采用TCP/IP协议，或ISO协议协议和PLC集成环境连接(如STEP7+WINCC)， 监控站一方面可以显示运行状态使设计人员直观的发现程序运行正确与否，另一方面可以 对现场设备的累积运行状态进行统计分析，根据结果设计人员可以确定PLC控制程序是 否需要改动，另外，监控站还可以对一些随机的电气故障和非电气故障进行模拟测试控制 程序能否识别。2.脱离实际PLC控制器的实施方式当没有条件采用实际PLC控制器时可采用PLC供货商提供的仿真软件如PLCSIM在 编程器上对PLC本身的运行进行模拟。这些仿真软件功能比较齐全，操作简单，而且不 需要设计人员做二次开发工作。监控站上的人机界面(HMI)能够直接连接大多数的实际PLC控制器。但是在采用 PLCSIM等软件对PLC本体进行仿真时，受到仿真机制的约束，HMI无法建立和模拟PLC 之间的通讯。需要搭建OPC Server实现两者之间的正常联络，而且，这种方式的普适性 非常好，只要PLC集成环境和HMI都支持OPC，就能实现两者的正常通讯。
权利要求1.一种高炉槽下配、上料仿真装置，其特征是包括可编程控制器PLC、工业控制用计算机(4)即工控机、OSM即光学交换机模板(6)；PLC设有CPU模块(1)、输入输出模块(2)、通讯模块(3)；输入、输出模块(2)作为远程I0，通过现场总线与CPU模块(1)相连；通讯模块(3)和工控机，通过OSM连接在整个高炉的工业拟太网一高炉环网(5)上；CPU模块(1)内固化有“虚拟装置”。
2. 根据权利要求1所述的高炉槽下配、上料仿真装置，其特征在于所述的虚拟装 置为虛拟的现场的工艺设备。
3. 根据权利要求2所述的高炉槽下配、上料仿真装置，其特征在于所述的虚拟的现 场的工艺设备，其包括虚拟的低压电机驱动的皮带和虚拟的四台高压电机驱动的主皮带。
4. 根据权利要求2所述的高炉槽下配、上料仿真装置，其特征在于所述的虚拟的现 场的工艺设备，其包括虚拟的给料机和虚拟的震动筛。
5. 根据权利要求2所述的高炉槽下配、上料仿真装置，其特征在于所述的虚拟的现 场的工艺设备，其包括虚拟的称量斗闸门和虚拟的称量装置。
专利摘要本实用新型是一种高炉槽下配、上料仿真装置，其包括可编程控制器PLC、工控机，PLC设有CPU模块(1)、输入输出模块(2)、通讯模块(3)和OSM即光学交换机模板(6)；输入输出模块作为远程IO，通过现场总线与CPU模块相连；通讯模块和工控机，通过OSM连接在整个高炉的工业拟太网一高炉环网(5)上；CPU模块内固化有“虚拟装置”。本实用新型能够实现对完整系统包括PLC本体、外部物理工艺设备及人机界面三位一体的仿真；“虚拟装置”可以自动模拟工艺设备运行特性，不需要任何人工干预，可对料流运行状况及整个系统在各种工矿下的复杂状态进行仿真，以及为操作人员提供方便、适用的模拟培训和练习。
文档编号G09B25/02GK201041705SQ20062017269
公开日2008年3月26日 申请日期2006年12月28日 优先权日2006年12月28日
发明者卢家斌, 叶理德, 周卫东, 徐岸飞, 菁 赵, 陈申燏 申请人:中冶南方工程技术有限公司