曹子昆

（中核建中核燃料元件有限公司，四川宜賓 644000）

0 引言

燃料組件零部件熱處理是核燃料元件生產(chǎn)的重要工序，用于改善零部件力學性能和加工性能[1]。釬焊在燃料組件中用于有關結構件的焊接，也是核燃料組件制造中不可或缺的重要工藝。因此，真空熱處理爐和釬焊爐是核燃料元件生產(chǎn)關鍵設備之一，承擔多種關鍵零部件的生產(chǎn)任務。目前，在零部件車間不同廠房共分布有多臺不同型號的熱處理和釬焊爐，每臺爐子根據(jù)產(chǎn)品熱處理工藝的不同，工作時間6～24 h、溫度360～1040 ℃。在整個生產(chǎn)過程中，操作人員需要在現(xiàn)場時刻監(jiān)視設備的運行狀況，確保設備安全、穩(wěn)定運行。由于現(xiàn)場溫度較高，操作人員無法長時間進行現(xiàn)場監(jiān)視，加上多臺爐子分布在不同的廠房，因此需要大量的操作人員現(xiàn)場值守。并且整個生產(chǎn)流程過程重復、操作效率低、缺乏信息化管理和數(shù)據(jù)無保留，因此需要提升設備運行管理水平。

通過對設備情況的分析，決定研發(fā)一套遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)，對分散在不同廠房操作間內(nèi)的多臺熱處理爐進行集中監(jiān)控，實現(xiàn)設備的集中化、信息化管理和遠程操作，為熱處理爐提供實時的數(shù)據(jù)監(jiān)控服務，保證熱處理爐安全、穩(wěn)定運行，從而確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定和質(zhì)量安全。同時，集中監(jiān)控系統(tǒng)有利于提高操作效率，節(jié)省人力成本，降低勞動強度。

遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)是基于和利時SCADA 系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）進行研發(fā)的。它是以計算機技術為基礎的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)，可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能。作為國產(chǎn)系統(tǒng)，目前廣泛應用于國內(nèi)各個工業(yè)領域。

1 真空熱處理爐組成分析

熱處理崗位共有多臺不同型號的熱處理爐，爐子的主要組成部分相同，每臺爐子的差異主要來自于本體結構和控制系統(tǒng)的不同，因此操作方式也各有差異。每臺爐子根據(jù)控制功能，進行不同工藝的產(chǎn)品生產(chǎn)。具體結構如圖1 所示。

圖1 真空熱處理爐

真空熱處理爐分為如下部分：

（1）爐體加熱室：產(chǎn)品熱處理的工作區(qū)域。

（2）真空系統(tǒng)：用于對爐體內(nèi)部進行抽真空，以防止金屬在熱處理過程中發(fā)生氧化。

（3）電氣控制系統(tǒng)：用于熱處理設備的運行控制、數(shù)據(jù)監(jiān)控等。

（4）水冷系統(tǒng)：用于保護爐體本體，將加熱區(qū)域與外界隔離。

（5）快冷系統(tǒng)：用于熱處理工序中的冷卻環(huán)節(jié)。

（6）加熱系統(tǒng)：提供加熱電流，給加熱室升溫。

2 設計思路

2.1 主要研究對象

電氣控制系統(tǒng)是整個設備的核心部分，包括整個設備的邏輯控制、信號采集與顯示。因此，遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要源于對電氣控制系統(tǒng)的分析，通過電氣系統(tǒng)與上位機進行通信連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，再由SCADA 系統(tǒng)進行組態(tài)。

2.2 電氣控制系統(tǒng)分析

熱處理爐設備的電氣控制系統(tǒng)主要由PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）、HMI（Human Machine Interface，人機界面）、溫控儀、真空計、電流電壓表、執(zhí)行器件、各類信號采集傳感器組成，其中有3 臺爐子未使用HMI。電氣控制系統(tǒng)各部件功能如表1 所示。

表1 電氣控制系統(tǒng)部件功能

2.3 設計步驟

根據(jù)控制系統(tǒng)的組成，結合現(xiàn)有技術，設計步驟如下：

（1）集中監(jiān)控區(qū)的建立。設計裝修一個遠程集中監(jiān)控室，爐子的數(shù)據(jù)將集中采集并保存到監(jiān)控室，作為整個遠程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制、指揮中心。

（2）通信連接。由上位機與現(xiàn)場各個電子設備（PLC、溫控儀、真空計、電流電壓表）建立通信連接，從而進行數(shù)據(jù)交換。

（3）開發(fā)遠程監(jiān)控界面。通過軟件，對采集的數(shù)據(jù)進行編程組態(tài)，實現(xiàn)畫面顯示、遠程操作等功能。

3 方案實施

3.1 遠程集中監(jiān)控室

集中監(jiān)控室是進行數(shù)據(jù)采集、處理、遠程操作的控制中心，掌握各臺熱處理設備的數(shù)據(jù)，通過監(jiān)控室統(tǒng)一監(jiān)管、調(diào)度設備。

監(jiān)控室配置有服務器、工程師站和操作員站（圖2）。服務器作為歷史數(shù)據(jù)庫后臺，用于讀取、保存歷史數(shù)據(jù)和操作界面的使用。工程師站作為整個控制系統(tǒng)的設計、調(diào)試以及操作界面。操作員站主要用于操作界面的。監(jiān)控室配置了液晶顯示拼接屏，用于現(xiàn)場視頻監(jiān)控，還配有打印機，可進行數(shù)據(jù)打印。

圖2 監(jiān)控室

3.2 通信

3.2.1 通信協(xié)議

現(xiàn)場電子設備支持Modbus 串行通信協(xié)議。Modbus 通信協(xié)議是一種應用層報文傳輸協(xié)議，包括RTU、ASCII 和TCP，標準的Modbus 協(xié)議物理層接口包括RS232、RS485 和以太網(wǎng)[2]。上位機采用TCP 協(xié)議，因此上位機可以采用Modbus TCP 通信協(xié)議與現(xiàn)場電子設備建立連接。

3.2.2 傳輸方式

現(xiàn)場設備電子設備種類較多、接口復雜、電纜數(shù)量多。設備采用的信號傳輸方式包括RS232、RS485 和以太網(wǎng)。由于監(jiān)控室與現(xiàn)場設備距離較遠，RS232 方式的最大傳輸距離只有15 m左右[2]，無法直接連接。RS485 方式的遠距離傳輸存在信號干擾問題。

以太網(wǎng)作為目前工業(yè)通信傳輸最為普遍的方式，其特點有防干擾、傳輸距離遠、傳輸速度快，僅需一根光纜就能傳輸。而采用RS232/RS485 方式傳輸?shù)碾娮釉O備可以通過串口轉網(wǎng)線的方式將數(shù)據(jù)信號轉變?yōu)橐蕴W(wǎng)傳輸，再通過交換機連接，由光纖收發(fā)器通過光纜將信號集中傳輸?shù)竭h程監(jiān)控室，實現(xiàn)遠距離傳輸。

3.2.3 通信方式轉換

使用以太網(wǎng)傳輸需要進行傳輸轉換，由于電子設備種類多，接口復雜，因此采用專業(yè)轉換模塊進行轉換，將傳輸模式統(tǒng)一變?yōu)橐蕴W(wǎng)傳輸模式（表2）。

表2 通信方式轉換

由于電流、電壓表由于沒有通信接口，因此，先通過電流、電壓變送器將電流電壓值轉換為標準4～20 mA 電流信號，再通過阿爾泰轉換模塊轉換實現(xiàn)以太網(wǎng)連接。

3.2.4 通信網(wǎng)絡拓撲

將傳輸模式變?yōu)橐蕴W(wǎng)后，進行網(wǎng)絡架構設計。通過網(wǎng)絡地址就可以查找到對應的電子設備。通信網(wǎng)絡拓撲（局部）如圖3所示。

圖3 通信網(wǎng)絡拓撲（局部）

3.2.5 Modbus 地址查看與調(diào)用

上位機與電子設備通過Modbus TCP 通信，讀取Modbus 地址。不同的電子設備，內(nèi)部寄存器地址與Modbus 地址存放位置不同，存放的數(shù)據(jù)類型也不同，需要查看對應的轉換模塊手冊進行對照。也可以通過ModScan32 軟件查看Modbus 地址，與現(xiàn)場電子設備的狀態(tài)顯示進行對照。地址調(diào)用可通過使用HiaPlantSCADA 組態(tài)軟件，調(diào)取相應的Modbus 地址值進行使用。

3.3 集中監(jiān)控界面

集中監(jiān)控界面作為整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心，所有的數(shù)據(jù)顯示以及操作功能都需要集中到界面上。通過使用HiaPlantSCADA 組態(tài)軟件，對監(jiān)控界面進行開發(fā)。監(jiān)控界面顯示了熱處理爐設備的生產(chǎn)工藝流程、狀態(tài)、參數(shù)，具備遠程控制功能（圖4）。熱處理爐的監(jiān)控界面可以根據(jù)需要自由切換。

圖4 遠程操作界面

3.4 遠程監(jiān)控界面

3.4.1 狀態(tài)顯示功能

操作界面能夠顯示數(shù)字量的開關信號狀態(tài)，通過組態(tài)軟件定義采集的Modbus 變量地址，將畫面中對應的符號賦予變量值，以顏色、閃爍等變化來顯示狀態(tài)值。

3.4.2 模擬量顯示功能

模擬量顯示包括設備溫度、真空度、電流、電壓。溫度信號和真空度信號是從溫控儀、真空計直接讀取的，只需要找到對應的Modbus 地址讀取具體數(shù)值，并進行單位換算，就可以顯示當前的實際值。

電流、電壓表的信號需要經(jīng)過計算才能作為顯示使用。電流、電壓信號經(jīng)過變送器后變?yōu)闃藴?～20 mA 電流信號，經(jīng)過阿爾泰轉換模塊讀取后，放入Modbus 地址中，地址中的讀取值為0～65 535，電流表的量程為0～1200 A，由此可以得出電流：

式中，I 為電流顯示值，單位為A，Mi為Modbus 測量值。

電壓表量程為0～60 V，得出電壓：

式中，U 為電壓顯示值，單位為V，Mu為Modbus 測量值。

計算處理后的值可以直接通過軟件組態(tài)編輯，作為操作界面顯示輸出使用。模擬量寫入界面如圖5 所示。

圖5 模擬量寫入

3.4.3 趨勢查看

通過軟件編程，對溫度、真空度、電流、電壓、水溫等模擬量新增加了一個趨勢查看功能，這些功能在原有的控制系統(tǒng)中是沒有的。趨勢查看是對整個數(shù)據(jù)趨勢最直觀展示，可以觀測到各類模擬量數(shù)據(jù)的走勢，并且能夠進行歷史查詢。對于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的記錄，和故障維修診斷，趨勢查看效果十分明顯。

圖6 記錄的是一段升溫曲線，縱向是溫度坐標，橫向是時間坐標，坐標值可以設定大小范圍，可通過打印機打印。

圖6 溫度趨勢曲線

3.4.4 遠程控制

遠程控制是通過上位機遠程賦予現(xiàn)場電子設備信號、參數(shù)值，從而實現(xiàn)遠程控制、修改參數(shù)等功能。地址寫入主要是對PLC 和溫控儀，其他電子設備因功能不同無需寫入。地址寫入功能是通過Modbus TCP 協(xié)議改變Modbus 地址值。針對PLC 地址寫入，點擊每個操作按鈕，都會彈出相應的操作框。而溫控儀設置了統(tǒng)一的參數(shù)修改框。

3.4.5 操作記錄

在使用遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)進行遠程操作時，操作內(nèi)容、時間、操作人會被記錄下來。

3.4.6 報警管理

原有獨立設備地控制系統(tǒng)只有少數(shù)報警功能，而遠程監(jiān)控系統(tǒng)設置了更多的報警提示功能，增加了冷卻水溫異常報警、電流電壓過大報警、真空報警等，報警功能更全面。并且系統(tǒng)會記錄報警的時間、地點、報警內(nèi)容，以便快速查找、診斷故障（圖7）。

圖7 報警管理

4 應用效果

（1）通過對現(xiàn)場設備的分析，成功完成對遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)，將真空熱處理爐設備集中控制，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控以及控制。并于2022 年6 月，成功運用到生產(chǎn)環(huán)節(jié)，已記錄的完整生產(chǎn)周期數(shù)據(jù)已達上百次。

（2）相較于原有的獨立式操作，操作員可以在更舒適的環(huán)境下通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)工作，一個操作員就可以完成對熱處理爐的實時監(jiān)控。系統(tǒng)具有豐富詳細的報警提示功能，可以更好地提醒操作人員更有針對性的保障設備正常運行。

（3）遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)具有更多的數(shù)據(jù)監(jiān)控功能，自動化程度大幅提高，能夠更加全面地監(jiān)視設備的運行情況，進而保障產(chǎn)品質(zhì)量。生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)能夠保存，高層管理人員可以隨時調(diào)取數(shù)據(jù)，從而展開更全面的工藝分析，也更方便設備調(diào)度，對生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品質(zhì)量的提高提供可靠的技術參考。

（4）遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生故障時，不會直接影響現(xiàn)場設備的運行。而在現(xiàn)場設備發(fā)生故障導致無法操作時，可以通過遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)遠程操作應急處理，做到雙重保險。

（5）系統(tǒng)可根據(jù)需求后續(xù)增加新的功能，為生產(chǎn)線集中監(jiān)控改造提供了技術經(jīng)驗。

5 結論

使用Modbus TCP 通信協(xié)議和以太網(wǎng)通信傳輸轉換，成功將現(xiàn)場多個電子設備的多種數(shù)據(jù)接口進行統(tǒng)一標準化，實現(xiàn)遠距離、防干擾傳輸，建立上位機與多個電子設備的通信連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。利用和利時SCADA 系統(tǒng)成功開發(fā)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，將分散在不同廠房操作區(qū)間的熱處理爐進行集中管理，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控、參數(shù)修改、趨勢查看、遠程控制、事件管理功能。遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)成功，并投入生產(chǎn)運行環(huán)節(jié)。