本钢热轧生产线控制系统的设计.docx
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本钢热轧生产线控制系统的设计
摘要
本钢热轧生产线控制系统，就是通过计算机仿真界面对生产现场的远程控制。
它主要包括主控计算机、标准工业控制网络、各种模块、各种继电器、传感器、控制开关等。
采用VisualBasic作为仿真系统的开发工具，因为VisualBasic所提供的功能强大且使用简单方便的动画功能、多媒体功能、字符串操作功能和串行通信控件——MSComm等，开发仿真控制系统是稳定而快速的，整个系统直观，使用方便。
采用标准工业控制网络——485网络作为通信网络，这种网络最大的优点就是具有极强的抗干扰能力，可以大大降低信号在传输中的误差，采用数字输入输出模块、模拟输入模块、电平转换模块等各种模块作为下层的控制部分。
模块使用方便，可以轻松的接入485网络。
控制也很简单，通过对字符串的操作实现各种控制功能。
同时，由于生产车间的环境极其恶劣，容易对工人的身体造成危害，远程控制就可以避免工人直接接触危险环境。
整个生产过程可以在主控计算机的仿真控制界面前集中控制，使其成为一个有机的整体，可以大大减少控制操作人员的数量，保证工人的安全，极大的提高生产效率。
关键词：
VisualBasic；串行通信；分布控制；MSComm
Abstract
Thissteel-worksheat-rollingsteelcomputeremulationdistributedcontrolsystemisasystemtocontrolthewholeprocessofheat-rollingsteelwiththeemulationinterface.
Thesystemismadeofmastercontrolcomputer、standardindustrycontrolnet—485-net、allkindsofmodulesandallkindsofrelays.
ThiscomputeremulationdistributedcontrolsystemisbuiltontheflatofVisualBasic.VisualBasichavestronganimationfunction、multimediafunction、characterstringprocessingfunction、serialcommunicationcontrol--MSCommandsoon.EspeciallyVisualBasicisveryeasytouse.WecanuseVisualBasictobuildoursystemeasily.Itcanreducegreatlydisturbofthesignalwhentransporting.Weusestandardindustrycontrolnet—485-netinthesystem.485-nethavestronganti-jammingability.Weusedigitalinput/outputmodules、simulationinputmoduleandothermodulestocontrolallkindsofmachines.Itiseasytocontrolmodules.Wecancontrolthemoduleswithoperatingcharacterstring.Itiseasytobefixedinthe485-net.
Wecansitinfrontofmastercontrolcomputertocontrolthewholeprocessofproduction.Somanycontrol-operatingworkerswillbespared.Thiscanincreasegreatlyproductionefficiency.
Keywords:
VisualBasic;serialcommunication;distributedcontrol;MSComm
第1章系统概述
问题的提出
钢铁工业是我国的基础工业，也是国家的经济命脉，本钢连铸连轧是钢铁生产中的重点环节。
在钢铁的生产过程中，会产生有毒气体与物质，对人体的危害极大，因此，远程控制技术引进了本钢连铸连轧生产中。
同时，随着自动化的不断普及，工艺水平的不断提高，生产环节越来越多，单靠手工控制会造成人力资源的极大浪费。
随着信息技术的发展依靠计算机和网络来实现的计算机远程分布控制系统越来越多的在一些现代化工厂中被采用。
系统的需求分析
系统的结构分析
系统的结构图如下
图1.1系统结构图
系统每个部分说明如下：
1.钢块的温度由一个温度传感器测量
2.两个高压水枪的压力由压力传感器测量
3.四个接近开关检测钢块的位置
4.四个电流传感器分别检测传送带、初轧机、精轧机和卷板机的运行与否
5.四个继电器分别控制钢块的传送带、初轧机、精轧机和卷板机的运行与否
由系统的角度分离出输入和输出的方向。
必须被系统检测的参量为输入，这些参数通常用来显示某些数值和状态。
而需要被系统控制的参量为输出。
因此上述的各部分可以归纳出：
1.钢块的温度需要被测量，为输入，数量为一个，温度由一个温度传感器来测量，温度传感器输出一个模拟的电信号，此电信号传入一个模拟输入模块7012（站号：
3），此模拟输入模块输出的是数字量，经过485网络传入主控计算机。
2.两个高压水枪的压力需要被测量，为输入，数量为两个。
压力由一个压力传感器来测量，压力传感器输出一个模拟的电信号，此电信号传入一模拟输入模块7012（站号：
4、5）此模拟模块输出的是数字量，经过485网络传入主控计算机。
3.钢块位置的检测用四个接近开关，为输入量，这四个输入量传入一个数字输入输出。
模块7060（站号：
1）此数字输入输出模块输出的是数字量，经过485网络传入主控计算机。
4.传送带、初轧机、精轧机和卷板机的运行与否的检测用四个电流传感器，为输入量，这四个量传入一个数字输入输出模块7060（站号：
2），然后经过485网络传入主控计算机。
5.传送带、初轧机、精轧机和卷板机的运行需由主控计算机控制，为输出量。
主控计算机输出的命令由485网络出入一个数字输入输出模块7060（站号：
2），此模块来控制各个继电器，继电器控制传送带、初轧机、精轧机和卷板机的运行。
监控要求
本钢生产是一个环环相扣的过程，哪个步骤出了问题，将直接影响整个生产，因此，越早发现问题，越早解决，越有利。
本系统包括报警功能，实时监控功能。
传感器监控生产过程中的数据，如不符合警戒线的要求，将启动紧急处理程序。
系统性能要求
系统相应时间短，运行稳定，传输错误率低，操作简单，控制可靠，可以提供声音报警功能，有良好的安全性。
系统硬件环境
主控计算机一台，要求奔腾级以上，要求有串行口。
标准工业控制网专用网线若干
模拟输入输出模块7012三个，数字输入输出模块7060两个。
压力传感器两个，输出双线制，范围0——100Mpa
温度传感器一个要求测量范围大于1000摄氏度
接近开关四个
继电器四个要求额定电压380，额定电流10A
电流传感器四个
系统的软件环境
Windows98/2000或更高版本；VisualBasic，要求安装企业控件MSComm。
系统的整体设计
整个系统的运行是由主控计算机来控制整个轧钢的过程，既由软件控制硬件,所以系统的设计包括软件设计和硬件设计两部分。
系统流程图如图1.2所示。
图1.2系统流程图
首先是由密码登陆来保证系统的安全。
不是谁都可以进入系统，只有操作员凭密码才可以进入系统，这样非专业人员就不能随意进入系统，可以避免由非专业人员误入而引起的误操作产生的损失。
系统的操作界面如图1.3所示。
图1.3系统操作界面
当点击钢块运行开始启动系统，系统启动包括对图2.1中的3个7012模块设置警戒值。
对7012模块设置警戒值的意思在于当模块的输入超过高值警戒值或低于低值警戒值即产生警戒信号。
以引起注意。
本系统中模块7012（站号：
3）用于检测钢块的温度。
当钢块的温度过低时不能进行诈制。
所以在系统初始化时设置7012（站号：
3）的低温警戒值。
当钢块的温度低于此低温警戒值时会产生报警来告知系统。
系统由此可以进行适当的措施予以解决出现的问题。
本系统中的7012（站号：
3）的低温警戒值设置为800摄氏度。
当低于800摄氏度是此模块即发出报警信号。
同理，高压水枪水压过低时也不能起到打毛边的作用。
也要设置这两个模块——7012（站号：
4）、7012（站号：
5）的低压警戒值。
本系统中水压的低压警戒值设置为50个标准大气压。
开始轧制后，在进入粗轧机前要检测粗轧机是否正常运行，当粗轧机没有正常运行则要是钢块停止，以免发生事故。
检测功能和处理功能由系统自动进行。
粗轧机正常运行时可以进行轧制，轧制后再经过高压水枪打毛边。
在进入精轧机前也同样要检查精轧机是否正常运行，如精轧机没有正常工作则系统自动将钢块停止，等待精轧机排除故障。
如精轧机正常运行则可以进行精轧，之后再经过高压水枪打毛边。
在进行卷板操作前也要检查卷板机是否正常工作，如卷板机没有正常工作则系统自动将钢块停止，等待卷板机排除故障。
如卷板机正常运行则可以进行卷板。
至此一块钢锭即轧制完成。
系统将自动进行下一块钢块的轧制，知道执行“退出”命令退出系统。
第2章
系统的硬件设计
系统的硬件设计包括系统网络的规划、器件的选择等。
本系统的硬件包括：
一个温度传感器、两个压力传感器、四个接近开关、四个继电器、四个电流传感器、三个模拟输入模块、两个数字输入输出模块、一个电平转换模块、RS-485网线若干、一个120欧姆电阻、一台工控计算机。
下面分别加以介绍
网络的规则
RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。
因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。
RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端RS485接口采用DB-9（孔），与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9（针）
它具有以下特点：
1.RS-485的电气特性：
逻辑“1”以两线间的电压差为+（2—6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2—6）V表示。
接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TL电路连接。
2.RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。
3.RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，
即抗噪声干扰性好。
4.RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。
而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。
即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。
表2.1RS-485网络的相关参数如下表：
标准类型
RS-485
信号模式
差动式
连线方式
2线制
续表2.1
最高驱动端数目
32
最高接收端数目
32
传输距离
1200m
传输速率
10M
传输类型
半双工
器件的选择
压力传感器的选择
由于本系统采用了高压水枪来打毛边，所以对压力传感器的要求是：
测量范围要满足50到100个标准大气压。
为此我们选择了海天压力传感器。
它的参数如下表：
表2.2海天压力传感器参数表
输出信号
两线制，4-20mA
被测介质
液体、气体、蒸汽
隔离式
0-40MPa
电源
24V（标准）
量程、零位
连续可调
量程调节
额定量程内5:
1
非线性
0.1%FS
0.2%FS
总精度
0.2%FS
0.3%FS
长期稳定性
0.2%FS（1年）
零位温漂
0.5%FS
灵敏度温漂
0.5%FS
允许过载
极限压力的2倍
反向保护
加反压45V应为安全
限流
26mA
温度传感器的选择
本系统要求在钢块进行轧制前要测量钢块的温度，温度过低（低于800摄世度）不适合轧制。
要求温度传感的测量范围600-1500摄世度。
我们选择Raynger3i型红外线测位仪。
它具有低温报警功能
表2.3Raynger3i型红外线测位仪参数表
测量范围
600-3000℃
相应波长
1
m
测量精度
1%或
1℃
响应时间
700ms
距离系数
180:
1
接近开关
由于钢块的温度高，一般的接近开关在与钢块的接触中必将受到钢块的温度影响不能正常工作甚至被损坏。
所以我们选择接近开关。
接近开关的优点就是不需要接触从而避免由于钢块的温度过高而产生的不利影响。
下面是选用的接近开关的参数。
表2.4接近开关参数表
产品序列号
IA01
标准距离Sn（mm）
1
AC型
二线常开
工作电压AC（V）
10~30
操作频率（Hz）
1000
工作电流（mA）
150
工作环境温度（℃）
-25~75
重复精度
≤5%Sn
消耗电流/漏电流（mA）
10
电压降（V）
1.0
动作指标
LED
短路/极性保护（DC）
-/。
连接方式
PUR-电缆/插件
外壳材料
高级钢
感应面材料
PBT
防护等级
IP67
符合标准
GB/14048.10
固体继电器
选用小型大功率双路交流固体继电器。
表2.5固体继电器参数表
额定电流
5A、10、20A
额定电压
220V、380V
尺寸
57mm
44mm
30mm
特点及应用
体积小插接式，双路输出广泛应用于工控自动化等领域
电流传感器
我们选用四通牌ST电流传感器，它广泛用于空业产品的交直电流，脉动电流的非接触测量，控制和保护涉及地铁铁轨车辆和铁路机车的调速系统，电力系统无人职守危机监控智能大厦电信机房环境检测拖动调速等领域。
表2.6电流传感器的参数
额定电源
500A
最大测量范围
0-600A
输出电流
200mA
非线性
0.1FS
精度
0.5FS
绝缘耐压
6KV（50Hz，1min）
电源电压
15V
孔径（mm）
φ20/8
模拟输入模块
下面介绍7012的引脚。
电源：
标明了（R）+Vs和（B）GND10的两只引脚分别是正电源线和接地线。
正电源线必须接在+10V——+30V之间的电压上。
图2.17012模块的外形
图2.27012模块的引脚图
信号传输：
（Y）DATA+和（G）DATA-的两只引脚，所有RS-485网络上的DATA+必须接在一起，DATA-也必须接在一起。
模块初始化：
INTI*引脚。
当模块初始化时，将此引脚和GND引脚接在一起，模块内的设置值就会回到默认值。
模拟输入：
+IN和-IN。
这两点分别用来作为模拟输入的正接入点和负接入点。
数字输出：
DO1/HI和DO0/LO，此二引脚有两个不同的作用。
一般用来作数字输出用，可由主控计算机的程序控制其输出与否。
另一个用途则是将输出控制权交给7012模块，当输入的模拟电压高于一个设置的警戒值或低于一个设置的警戒值时，模块即控制这两个数字输出。
数字输入：
DI0/EV此引脚有两个用途。
一个是当作纯数字输入，另一个用途是当作事件Event用，当此输入的状态改变时，改变的次数将被纪录在模块内，主控计算机可读取此计数值。
7012有警戒输出功能。
所谓警戒输出就是可以设置高低警戒值，当超过安全范围就发出警戒信号。
下面是警戒输出的相关命令和返回值。
表2.7警戒输出的相关命令和返回值
功能
命令格式
返回格式
激活警戒
@AAEAT
！
AA
取消警戒
@AADA
！
AA
设置高值警戒
@AAHI（DATA）
!
AA
设置低值警戒
@AALO（DATA）
!
AA
清楚警戒锁存
@AACA
!
AA
读取高值警戒值
@AARH
!
AA（DATA）
读取低值警戒值
@AARL
!
AA（DATA）
读取警戒范围
@AADI
!
AASOOII
数字输入输出模块
我们选择7060模块作为数字输入输出模块，下面对7060模块进行介绍。
7060模块的外形和引脚如图2.3所示。
图2.37060引脚
图2.47060模块的外观
表2.8数字输入输出模块7060
数字输出
数字输入
规格
数值
规格
数值
输出信道
4
输入信道
4
继电器类型
RL1，RL2：
FormA
RL3，RL4：
FormB
隔离
用普通电源隔离
触电级别
0.6A@125VAC2A@30VDC
隔离电压
3750Vrms
冲击强度
500V
数字0
+1Vmax
导通时间
3毫秒
数字1
+4—+30V
断开时间
2毫秒
输入阻抗
3K
最小周期
5*100000ops
电源输入
+10—+30VDC
数字输入部分：
四个数字输入通道均作了隔离设计并使用相同的输入电源
数字输出部分：
此部分的输出是采用继电器输出，也提供四个通道，分成两组（FormA和FormB）。
引脚介绍：
电源：
标明了（R）+Vs和（B）GND10的引脚。
正极接＋10V-+30V,负极接地。
信号传输：
（Y）DATA+和（G）DATA-。
用这两条线接如RS-485网络。
模块初始化：
INIT*引脚。
将此引脚和地接在一起就可以将模块的设置为出厂值。
数字输入：
IN1——IN4。
IN.COM为输入回路中的共接点。
数字输出：
（RL1NO，RL1COM）、（RL2NO，RL2COM）、（RL3NO，RL3NC，RL3COM）、（RL4NO，RL4NC，RL4COM）。
下表为7060模块的相关命令
表2.97060模块的相关命令
命令字符串格式
正确时的响应格式
说明
%AANN40CCFF
！
AA
设置模块配制
$AA2
!
AA40CCSS
读取模块配制
$AA5
！
AAS
返回重置状态
$AAF
！
AA（number）
读取软件版本号
$AAM
！
AA
读取模块名称
$AAC
!
AA
清除被锁存的输入
~**
Noresponse
主控计算机正常
~AA0
!
AASS
读取模块配制
~AA1
！
AA
重置模块设置
~AA2
！
AAST
读取主控计算机看门狗状态
~AA3ETT
！
AA
启动主控计算机看门狗
~AA4P/~AA4S
！
AAVV00
读取开机/安全输出设置值
~AA5P/~AA5S
！
AA
设置开机/安全输出
~AAO（name）
！
AA
设置模块名称
表2.10数字输入相关命令
命令字符串格式
正确响应格式
简述
$AA6
!
（data）
读取数字输入数值
$AALS
!
（data）
读取被锁存住的数字输入值
$AAC
!
AA
清除被锁存住的数字输入值
7060模块输入状态参数，如表2.11：
输入信号1000，返回状态字：
000E00；输入信号0100，返回状态字：
000D00。
表2.11数字输入状态和返回字符串
（IN1~IN4）
1表示连接，0表示开路
使用$016命令所返回的字符串
IN1
IN2
IN3
IN4
0000
！
000F00
1000
！
000E00
0100
！
000D00
0010
！
000B00
0001
！
000700
1010
！
000A00
0101
！
000500
1111
！
000000
表2.12数字输出命令及结果
命令
返回值
接点状态
RL1
RL2
RL3
RL4
#AA0001
>
ON
OFF
OFF
OFF
#AA0003
>
ON
ON
OFF
OFF
#AA0009
>
ON
OFF
OFF
ON
#AA000F
>
ON
ON
ON
ON
电平转换模块
不管是RS-232还是RS-485，都是串行通信的一种，对用户来说，如果可以使用和RS-232相同的方式在RS-485网络上作通信是比较方便的。
由于RS-232和RS-485采用的IC不一样，它们之间的信号标准也不同，如果希望使用RS-232来代替RS-485，就必须将RS-232标准电位作一下转换。
7000系列中7520模块就可以用来作标准电位的转换用。
下表为7520模块的参数表。
表2.137520模块的参数
协议
双线式RS-485（D+，D-）协议
连接器
插卡式螺丝固定的接线盒
续表2.13
速度
内置“自适应芯片”可改变波特率（范围：
300bps~115200bps）
扩展能力
没有中继器时一个RS-485网络最多可以有256个模块，有中继器时最多可以有2048个模块
隔离电压
3000V
隔离现场
RS-232
需要中继器
4000英尺后超过256个模块
电压
+10V~30VDC
耗电量
2.2W（Max）
图2.57520模块的外形和引脚如图
图2.67520模块的外观
7520模块采用Self-TunnerChip（自适应芯片），这种设计的目的是为了满足不同速率的要求，当传入的速率是A时，传出的速率也是A，当传入的速率是B时，传出的速率也是B。
这种设计为网络上的不同的模块具有不同的传输速率提供了方便。
分控节点单片机控制系统
我们选用89C51单片机作为下位机控制芯片，将传感器测量到的数据通过RS-485网络传送给控制主机，并利用主机发送的指令与数据控制继电器等设备工作，是工业现场主要的控制及数据处理设备，引脚如图
图2.7在现场中将89C51与7012相连
图2.889C51与7060相连
图2.9以89C51单片机为中心，组成分控节点控制系统。
模块程序设计
7012模块的程序设计
本系统用到三个7012模块，一个用于接收钢块的温度传感器输出模拟量，另两个用于接收高压水枪的压力传感器的输出的模拟量。
下面分别介绍如下：
'7012（站号：
3）的控制部分钢块温度输入显示
Subm70123（）
Dimbuf$
DimposAsInteger
Dimi%
DimvaluestrAsString
buf=sendcmd2comm（MSComm1,"#03",vbCr,1000）‘读取温度并显示
Ifbuf<>""Then
Labelgkwd.Caption="读取钢块温度失败"
ExitSub
EndIf
'找“'”所在位置
pos=InStr（1,buf,">"）
Ifpos=0Th
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