基于PLC的高爐槽下控制系統(tǒng)

某鋼鐵公司煉鐵廠(chǎng)的高爐容量為380m，高爐煉鐵所用的原料是經(jīng)過(guò)槽下系統(tǒng)處理，符合化學(xué)成分及粒度要求后再裝入高爐，但此煉鐵廠(chǎng)槽下系統(tǒng)的自動(dòng)化程度不高，存在明顯問(wèn)題：未經(jīng)工藝處理的燒結(jié)礦直接投入高爐，其帶有大量粉塵阻礙了高爐內(nèi)礦石和焦炭的充分燃燒，影響了鐵水的質(zhì)量和效率；下料靠操作人員的手動(dòng)控制，各種礦石的稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)誤差較大，同時(shí)配料系統(tǒng)沒(méi)有稱(chēng)重補(bǔ)償處理，就使到達(dá)高爐的各種礦石重量誤差大，影響煉鐵質(zhì)量；每批料的各種數(shù)據(jù)都是靠人工記錄，不利于監(jiān)督和數(shù)據(jù)存檔查詢(xún)等。鑒于原先存在的缺陷，為使生產(chǎn)工藝達(dá)到較高的自動(dòng)化水平，對(duì)此煉鐵廠(chǎng)的高爐槽下系統(tǒng)進(jìn)行了改造。

　　PLC是用微電腦技術(shù)制造的通用自動(dòng)控制設(shè)備，它具有指令存儲(chǔ)和數(shù)字量或模擬量輸入輸出接口，能進(jìn)行位運(yùn)算，并完成邏輯、順序、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算功能，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制。一般PLC分為主模板、擴(kuò)展模板、編程器等。每個(gè)模板的體積都比較小，相互連接方便。有的PLC還有模/數(shù)或數(shù)/模轉(zhuǎn)換、專(zhuān)用智能模塊、數(shù)據(jù)處理和通信網(wǎng)絡(luò)等功能。PLC的最大特點(diǎn)是將控制過(guò)程以程序方式存放在存儲(chǔ)器中，修改程序也就修改了控制過(guò)程，這就給控制過(guò)程的設(shè)計(jì)、調(diào)試、修改、擴(kuò)展帶來(lái)了極大的方便。PLC的另一特點(diǎn)是能適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，在電源波動(dòng)大、溫差大、沖擊振動(dòng)較大的惡劣條件下，仍能長(zhǎng)時(shí)間、不間斷運(yùn)行，抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、具有很好的可靠性。由于PLC的種種優(yōu)點(diǎn)，它已經(jīng)成為一種最重要、最普及的工業(yè)控制器，占據(jù)了電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的核心位置。

一、系統(tǒng)要求

　　高爐槽下系統(tǒng)改造后，料倉(cāng)、焦倉(cāng)都設(shè)置振動(dòng)篩，篩下粉礦經(jīng)皮帶運(yùn)走，碎焦也經(jīng)碎焦車(chē)運(yùn)走，這就避免把粉礦和碎焦帶入高爐，影響高爐煉鐵的透氣性能和鐵水質(zhì)量。

　　每個(gè)料倉(cāng)都裝有壓力稱(chēng)重傳感器，稱(chēng)重信號(hào)可及時(shí)被PLC采集，PLC的CPU根據(jù)采集的稱(chēng)重信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，以控制料倉(cāng)和焦倉(cāng)的開(kāi)關(guān)，從而提高了稱(chēng)重精確度；另一方面通過(guò)對(duì)PLC編程能自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)稱(chēng)重補(bǔ)償，進(jìn)一步減小了稱(chēng)重誤差，從而達(dá)到優(yōu)化配料的目的。

　　生產(chǎn)過(guò)程中存在大量物理量，如壓力、溫度、流量等模擬量參數(shù)，槽下系統(tǒng)中的PLC主要就是采集現(xiàn)場(chǎng)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)繼電器、接觸器和電磁閥控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。控制功能主要由PLC來(lái)完成。

PLC將比較重要的數(shù)據(jù)分別傳送給槽下操作室的工控機(jī)和高爐值班室的工控機(jī)，工控機(jī)所采用的監(jiān)控軟件要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、存檔和顯示，以便于對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況模擬，使操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)主要設(shè)備的運(yùn)行情況有比較清楚的了解，并帶有報(bào)警功能，來(lái)提高系統(tǒng)可靠性。

二、硬件配置

?　 高爐槽下控制系統(tǒng)的操作站由兩臺(tái)研華工控機(jī)組成，一臺(tái)用來(lái)顯示槽下系統(tǒng)主畫(huà)面，另一臺(tái)用來(lái)顯示生產(chǎn)操作技術(shù)參數(shù)，兩臺(tái)互為熱備份。工控機(jī)具體配置為：Pentium IV處理器，2.66GHz主頻，512MB內(nèi)存，80GB硬盤(pán)，Windows 2000操作系統(tǒng)，21英寸Philips CRT。

　　為了滿(mǎn)足上面提到的高爐槽下控制系統(tǒng)要求，采用SIMATIC S7-400 PLC作控制站，該站除電氣部分的邏輯控制外，主要完成原料料斗電子稱(chēng)量、料鐘爐頂部分工藝參數(shù)檢測(cè)和控制及各種閘門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)。該控制站由一套S7-400主站通過(guò)Profibus-DP連接8個(gè)ET-200M遠(yuǎn)程I/O從站。該系統(tǒng)的硬件配置如圖1所示：

（一）控制站PLC的硬件構(gòu)成

　　1．電源模板（PS407 10A）：用于對(duì)SIMATIC S7-400的供電，將AC或DC網(wǎng)絡(luò)電壓轉(zhuǎn)換為所需的5V DC或24V DC工作電壓，輸出電流為10A，電源模板安裝在機(jī)架最左面（從槽位1開(kāi)始），根據(jù)配置，它們可占用槽1到槽3。

　　2．中央處理器模板（CPU 414-2DP）： 適用于中等性能應(yīng)用范圍中有較高要求的場(chǎng)合，能滿(mǎn)足對(duì)程序規(guī)模和指令處理速度及復(fù)雜通信的更高要求。集成的Profibus-DP接口使它能夠作為主站，直接連到Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)；擴(kuò)展的存儲(chǔ)能力，256KBRAM分別用于程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；靈活的擴(kuò)展性，可連接多達(dá)131072個(gè)數(shù)字量或81932個(gè)模擬量的I/O；多點(diǎn)接口（MPI），用MPI最多能夠建立32個(gè)站的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)據(jù)傳輸速率最大為12Mb/s。

　　3．通信處理器模塊（CP443-1）：是SIMATIC S7-400用于工業(yè)以太網(wǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)的通信處理器，它有自己的微處理器，因而能減輕CPU的通信任務(wù)和進(jìn)一步擴(kuò)展連接，通過(guò)CP443-1，S7-400可以實(shí)現(xiàn)與編程設(shè)備、計(jì)算機(jī)、HMI設(shè)備的通信。

（二）ET200遠(yuǎn)程控制站

　　1．IM153-1接口模板：用于將ET-200M作為從站連接到Profibus-DP（銅導(dǎo)線(xiàn)），適用于冗余系統(tǒng)。

　　2．1＃～8＃IM153-1機(jī)架：每個(gè)機(jī)架上帶有所需的數(shù)字量I/O模塊和模擬量I/O模塊。

三、軟件配置

　　高爐槽下系統(tǒng)的軟件配置包括上位機(jī)的監(jiān)控組態(tài)軟件和下位機(jī)的PLC編程軟件。對(duì)于監(jiān)控軟件，選用西門(mén)子的專(zhuān)業(yè)工業(yè)控制組態(tài)軟件WinCC6.0；編程軟件選用西門(mén)子的STEP 7編程軟件，它是基于Windows 2000或Windows NT，為S7-300/400 PLC配置和編程的標(biāo)號(hào)軟件包。

（一）工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件

　　工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件WinCC是一個(gè)集成的人機(jī)界面（HMI）系統(tǒng)和監(jiān)控管理（SCADA）系統(tǒng)，它是在Windows環(huán)境下，面向?qū)ο蟮?2位工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件，適合任何自動(dòng)化控制系統(tǒng)。該組態(tài)軟件集成了圖形技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)等，使控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員不必依靠某種具體專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，只需通過(guò)可視化的組態(tài)方式，就可完成監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)，降低了監(jiān)控畫(huà)面開(kāi)發(fā)難度。組態(tài)軟件擁有豐富的工具箱、圖形庫(kù)和操作向?qū)В归_(kāi)發(fā)人員避免了軟件設(shè)計(jì)中許多重復(fù)性開(kāi)發(fā)工作，可提高效率，縮短開(kāi)發(fā)周期，它已經(jīng)成為監(jiān)控系統(tǒng)主要軟件開(kāi)發(fā)工具之一。

　　WinCC提供各種PLC的驅(qū)動(dòng)軟件，因此使PLC與上位機(jī)的通信變得非常容易，把WinCC和STEP 7結(jié)合在一起使用，更是大幅度降低了工程時(shí)間，因?yàn)樵赟TEP 7中配置的變量表可在WinCC的過(guò)程編程中直接使用。

　　槽下配料上料監(jiān)控系統(tǒng)主要完成對(duì)槽下物料稱(chēng)重、配料和上料環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集和控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料稱(chēng)重、配料和上料環(huán)節(jié)的監(jiān)控，使物料顆粒狀況滿(mǎn)足高爐生產(chǎn)工藝的要求、配料精確和上料及時(shí)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間工程狀況和控制要求，槽下控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)了以下幾個(gè)界面：高爐槽下系統(tǒng)、上料制度、配料制度、生產(chǎn)記錄查詢(xún)界面、報(bào)警記錄。

　　利用對(duì)WinCC軟件的二次開(kāi)發(fā)，完成高爐槽下系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝過(guò)程的監(jiān)控和管理，并可用來(lái)顯示所有現(xiàn)場(chǎng)模擬量數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、流量、料線(xiàn)等。同時(shí)利用它的報(bào)警記錄，還可發(fā)現(xiàn)并控制在配料過(guò)程中，當(dāng)焦倉(cāng)、中間倉(cāng)、礦倉(cāng)的重量超過(guò)設(shè)定的倉(cāng)中上限時(shí)，可提供關(guān)于錯(cuò)誤和操作狀態(tài)的綜合信息，利于及早檢測(cè)重要情況。

　　圖2所示為槽下監(jiān)控系統(tǒng)的主界面，其主要功能是直觀的顯示現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備的運(yùn)行情況，包括稱(chēng)量斗料滿(mǎn)料空信號(hào)、礦門(mén)開(kāi)關(guān)信號(hào)、礦篩和給料機(jī)工作情況、焦倉(cāng)料滿(mǎn)料空情況、焦倉(cāng)門(mén)開(kāi)關(guān)信號(hào)、碎焦車(chē)運(yùn)行情況、翻板運(yùn)行情況、中間倉(cāng)門(mén)開(kāi)關(guān)信號(hào)以及礦車(chē)運(yùn)行情況等，并實(shí)現(xiàn)了聯(lián)鎖控制功能。如在料空時(shí)礦門(mén)不能打開(kāi)，礦門(mén)打開(kāi)時(shí)礦篩、給料機(jī)不能工作，礦車(chē)到底時(shí)中間倉(cāng)門(mén)和焦倉(cāng)門(mén)才能打開(kāi)等。該監(jiān)控界面可使操作人員在操作室便能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的運(yùn)行狀況一目了然。

（二） PLC編程

　　通過(guò)STEP 7，用戶(hù)可進(jìn)行系統(tǒng)配置和程序編寫(xiě)、調(diào)試，在線(xiàn)診斷PLC硬件配置狀態(tài)、控制PLC運(yùn)行狀態(tài)和I/O通道狀態(tài)等。

　　在STEP 7中，可用語(yǔ)句表編程語(yǔ)言（STL）、梯形邏輯編程語(yǔ)言（LAD）、功能塊圖編程語(yǔ)言（FBD）。LAD是STEP 7編程語(yǔ)言的圖形表達(dá)方式，它的指令語(yǔ)法與一個(gè)繼電器梯形邏輯圖相似；STL是STEP 7編程語(yǔ)言的文本表達(dá)方式，與機(jī)器碼相似；FDB是STEP 7編程語(yǔ)言的圖形表達(dá)方式，使用與布爾代數(shù)相類(lèi)似的邏輯框來(lái)表達(dá)。本系統(tǒng)采用梯形圖方式編程。

　　根據(jù)控制要求，在設(shè)計(jì)整個(gè)流程的過(guò)程中，采用STEP 7結(jié)構(gòu)化編程，即把復(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù)分解為能反映過(guò)程工藝、功能或可反復(fù)使用的小任務(wù)，把實(shí)現(xiàn)不同功能的程序放在不同塊中，然后在主程序模塊OB1中根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)用，OB1為啟動(dòng)塊，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)調(diào)用。OB1作為循環(huán)掃描塊，每次執(zhí)行完后從頭執(zhí)行，周而復(fù)始。

四、通信方式

（一）WinCC與PLC之間的通信

　　S7的PLC網(wǎng)絡(luò)有幾種典型類(lèi)型：（1）多點(diǎn)接口網(wǎng)絡(luò)（MPI），CPU可同時(shí)與多個(gè)設(shè)備建立通信聯(lián)系；（2）TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)；（3）工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)（Profibus），是一種實(shí)時(shí)、開(kāi)放性工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。它的特點(diǎn)是：使用數(shù)字傳輸，易于正確接收和差錯(cuò)檢驗(yàn)，保證了數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，有利于降低工廠(chǎng)底層設(shè)備之間的電纜連接成本，易于安裝、維修和擴(kuò)充，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，便于及早處理。它的最大優(yōu)點(diǎn)是具有充分利用智能設(shè)備的能力；（4）工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet），是一種符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式通信網(wǎng)絡(luò)。專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)它來(lái)經(jīng)濟(jì)地解決工業(yè)環(huán)境中所要求的通信任務(wù)。這種子網(wǎng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于其傳送數(shù)據(jù)的速度快、簡(jiǎn)單的擴(kuò)展性和開(kāi)放性，及其高利用率和在全球的分布性。只需花費(fèi)很小的氣力就可配置工業(yè)以太網(wǎng)子網(wǎng)。

　　本系統(tǒng)采用了工業(yè)以太網(wǎng)，在上位機(jī)端，與工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的連接通過(guò)通信處理器CP1413建立；在下位機(jī)端，PLC裝有CPU414-2 DP模塊，通過(guò)通信處理器模塊CP443-1建立至網(wǎng)絡(luò)的連接。通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)，把高爐工藝參數(shù)設(shè)定值和對(duì)電氣設(shè)備的操作從人機(jī)接口傳送到各PLC，把各設(shè)備的狀態(tài)和工藝、電氣參數(shù)及故障由PLC收集，并送到人機(jī)接口的CRT顯示。

（二）S7-400與ET200站間的通信

　　S7-400 PLC借助于通信接口模塊IM153-1將ET-200M作為從站連接到Profibus-DP，與分布式ET-200M站通過(guò)Profibus-DP組成主從式通信網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的網(wǎng)絡(luò)連接，為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)使用的設(shè)備提供過(guò)程值和消息等。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，Profibus是主要的網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的I/O控制，通常選用Profibus協(xié)議。

五、結(jié)論

　　本文討論了基于PLC的高爐槽下控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本控制系統(tǒng)已在生產(chǎn)線(xiàn)上得到實(shí)際使用，PLC系統(tǒng)的程序控制滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的工藝要求，監(jiān)控界面操作簡(jiǎn)單方便、結(jié)構(gòu)清晰，使高爐生產(chǎn)的技術(shù)層次和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)得到很大提高。在該系統(tǒng)中，PLC充分發(fā)揮了其配置靈活、控制可靠、編程方便和可現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)，給整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定帶來(lái)了較大的益處。