0 前言
自20世纪90年代以来，国外钢铁冶金企业开始广泛采用全自动分析设备作为冶炼过程品质管理和控制的主要手段，国内钢铁企业自1994年宝钢三期电炉引进全自动分析系统并成功运行后，逐步进入了全自动分析时代。
本文以宝钢集团一钢公司不锈钢工程大型全自动快速分析实验室(以下简称快分室)为例，介绍了目前国际先进的快速分析室的控制系统原理及应用。
1 快分室系统
宝钢集团一钢公司快分室筹建于2001年，项目总投资约7 000万人民币，由德国PFAFF公司总承包，上海冶金设计研究院设计，十七冶承建，是一个可以全自动处理不锈钢试样、碳钢试样、炉渣试样和棒样的快速分析系统。
快分室内配有德国、荷兰、日本等国生产的先进分析设备，采用德国PFAFF公司最新的科研成果PALOS控制系统，实现了对全套实验室设备的自动控制，使用丹麦FINK & PARTNER公司的DIA2000数据库管理系统对分析数据进行管理，实现了分析仪和过程质量控制系统的数据及信息的自动传输。
快分室共包括六大系统：风动送样系统，试样传输系统，试样加工系统，试样分析系统，分析数据处理系统和手动加工设备。
钢水试样由专用取样器从冶炼炉中取出，经过切柄后放入试样传输盒中由气动传输管道送入快分室中。试样代码由取样工人在PCS代码输入终端上进行选择。进入快分室的试样由试样传输小车根据不同试样类型送人相应的后续加工工位。系统自动判别试样类型并选择相应的加工程序，然后使用相应的分析仪器对试样进行成分分析。分析结束后，自动贴上试样代码标签并分类存档。分析结果自动保存在DIA数据处理计算机的本地数据库中，同时通过生产管理级网络发送到位于操作室的相应生产过程计算机的数据库中。快分室主要工艺流程如图1所示。
2 控制系统网络结构
快分室的控制系统采用全自动设计方案和分级控制策略，由三级组成：生产管理级(若干生产管理计算机)、过程控制级(PALOS中心计算机等)和现场控制级(PLC等)。控制系统硬件设备多选用德国西门子公司的工业控制产品。控制系统网络结构如图2所示。
DIA数据处理计算机负责分析结果的本地保存以及与生产管理级计算机的通信任务。它作为生产管理级和现场控制级进行数据通信的关键环节，设有冗余备份。DIA软件作为分析数据的管理软件，提供对分析结果的本地查询及统计等功能;并对来自不同分析仪器的分析结果进行数据合并然后上传;同时还负责接收来自生产管理级计算机的生产计划指令，并转发给PALOS中心计算机。
PALOS中心计算机负责整个快分室的全过程控制与调度，两台PALOS中心计算机可以实现冗余备份的手动切换。PALOS软件可以对整个分析过程进行动态监视和控制，同时将来自DIA数据处理计算机的生产计划指令转发相应工位控制器，它还可以设定不同工位的试样的分析路径，并且保存最近已分析试样的相关历史记录，可以方便地进行查询。
2.1 过程控制级网络
PALOS中心计算机作为过程控制器，它的PCI插槽中分别安装了工业以太网卡和Profibus通信卡。其中工业以太网卡通过48口以太网交换机与各个过程控制器相联，组成一个由23台计算机或控制器组成的大型工业以太网络。过程控制级网络设备配置如表1所示。
2.2 现场控制级网络
PALOS中心计算机上的Profibus卡使用DP协议连接到Profibus DP主网络中。整个Profibus主网络的站点由12台西门子PLC和2台PALOS中心控制计算机组成。这14台主站设备又各自组成一个单独的Profibus DP子网络，子网络之间由12个DP/DP耦合器互接成Profibus DP主网。为保证整个连通的主Profibus网络不超过DP网络的最大连接距离，主网络由两个中继器分割成3个网络段，以保证可靠通信。现场控制级Profibus DP主网络如图3所示。
同时为了方便系统维修工程师快速准确地查找故障，现场控制级还使用12台PLC上的MPI接口组态了专门用于故障诊断及监测的MPI网络。即现场控制级的12台Siemens PLC既在Profibus网络中拥有DP地址，同时还在MPI网络中拥有通信地址。
3 控制系统软件方案
控制系统软件编程主要分人机界面的开发、过程控制软件、数据通信处理及数据库管理软件4大部分。系统软件解决方案如图4所示。
3.1 人机界面
人机界面选用VB语言开发，具有独特的个性化界面和监控系统，有1个主监控界面，多项控制菜单组成。显示画面用于监视系统中各个设备的工作状态，以及动态显示试样目前所在工位。控制菜单提供给用户设定试样路径等各项控制功能，在设备状态允许的情况下，用户在控制画面中可以对单体设备进行简单操作及测试。
3.2 过程控制编程
现场级控制软件编程主要在S7 PLC上进行，PLC编程主要负责实现各个设备的状态检测和动作控制。局部过程控制由中心控制PLC来完成调度和协调，它从各个设备中获得必要的反馈信息，根据人机界面中对试样工艺的不同设定值，自动对各个设备发出相应的控制指令，再由现场控制网络将指令送达相应设备，最终完成一系列的全自动分析过程。
机械手程序在专用的三菱编程平台上完成，包括机械手空间轨迹控制程序和过程控制级网络通信程序。
3.3 数据通信的处理
分析结果数据通信由DIA计算机负责完成，包括与生产管理计算机的数据通信、与分析仪计算机的数据通信等。 DIA数据计算机负责接收来自于分析仪计算机的分析数据，将分析结果存放在DIA计算机的本地数据库中，并根据试样来源将数据写入相关的生产管理计算机的数据库中。
过程控制数据通信由一台48个端口的工业以太网交换机进行数据交换。现场控制级数据通信通过中心控制PLC与PALOS中心计算机之间的通信来实现。
3.4 数据库管理程序的开发
数据库管理程序使用Delphi软件开发。根据用户权限的不同，可分别对历史数据进行相应的查询、修改、新增和删除等操作。关键数据还将定时送往DIA冗余计算机的数据库中进行保存。DIA计算机的本地数据库管理程序还可完成数据备份、检索、打印日常报表等功能。
3.5 编程软件
所有计算机操作系统选用Windows 2000 Professional+Service PACk 4;PALOS人机界面采用Visual Basic 6.0语言开发;DIA数据管理使用Delphi开发;数据库则使用SQL Server数据库;机械手控制采用Mistbish专用软件编程;S7-300 PLC编程使用Simatic Step 7 V5.2软件。
4 控制系统特点
过程控制级共有23个通信点，内部使用以太网交换机进行互联，通过DIA计算机与生产管理级通信;现场控制级网络共14个通信点，内部使用DP/DP耦合器进行互联，通过PALOS计算机与过程控制级通信;控制系统规模较大，在通信关键点(DLA计算机、PALOS计算机)处都设有冗余备份，提高系统可靠性。
5 结束语
宝钢集团一钢公司快分室于20O4年2月投入使用，运行状态良好，生产效果完全达到设计目标，钢铁块样和渣样从进入分析室到分析结束整个过程完全不需操作人员的干预，试样分析结果通过DIA计算机自动发送到生产管理计算机的数据库中，分析后的试样自动归类存档。完全能够满足炼钢生产工艺对分析结果快速性和准确性的要求。
