基于PLC的高爐槽下控制系統

基于PLC的高爐槽下控制系統

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)工藝處理的燒結礦直接投入高爐，其帶有大量粉塵阻礙了高爐內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)重數據誤差較大，同時(shí)配料系統沒(méi)有稱(chēng)重補償處理，就使到達高爐的各種礦石重量誤差大，影響煉鐵質(zhì)量；每批料的各種數據都是靠人工記錄，不利于監督和數據存檔查詢(xún)等。鑒于原先存在的缺陷，為使生產(chǎn)工藝達到較高的自動(dòng)化水平，對此煉鐵廠(chǎng)的高爐槽下系統進(jìn)行了改造。

　　PLC是用微電腦技術(shù)制造的通用自動(dòng)控制設備，它具有指令存儲和數字量或模擬量輸入輸出接口，能進(jìn)行位運算，并完成邏輯、順序、定時(shí)、計數和算術(shù)運算功能，實(shí)現復雜的邏輯控制。一般PLC分為主模板、擴展模板、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/數或數/模轉換、專(zhuān)用智能模塊、數據處理和通信網(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)程的設計、調試、修改、擴展帶來(lái)了極大的方便。PLC的另一特點(diǎn)是能適應工業(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(cháng)時(shí)間、不間斷運行，抗干擾能力強、穩定性好、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，占據了電氣控制系統中應用最為廣泛的核心位置。

一、系統要求

　　高爐槽下系統改造后，料倉、焦倉都設置振動(dòng)篩，篩下粉礦經(jīng)皮帶運走，碎焦也經(jīng)碎焦車(chē)運走，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)料倉都裝有壓力稱(chēng)重傳感器，稱(chēng)重信號可及時(shí)被PLC采集，PLC的CPU根據采集的稱(chēng)重信號進(jìn)行相應的處理，以控制料倉和焦倉的開(kāi)關(guān)，從而提高了稱(chēng)重精確度；另一方面通過(guò)對PLC編程能自動(dòng)地實(shí)現稱(chēng)重補償，進(jìn)一步減小了稱(chēng)重誤差，從而達到優(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，槽下系統中的PLC主要就是采集現場(chǎng)傳過(guò)來(lái)的數據，進(jìn)行數據處理，通過(guò)繼電器、接觸器和電磁閥控制現場(chǎng)設備?？刂乒δ苤饕蒔LC來(lái)完成。

PLC將比較重要的數據分別傳送給槽下操作室的工控機和高爐值班室的工控機，工控機所采用的監控軟件要對現場(chǎng)數據進(jìn)行記錄、存檔和顯示，以便于對歷史數據進(jìn)行查詢(xún)，同時(shí)對現場(chǎng)設備運行狀況模擬，使操作人員對現場(chǎng)主要設備的運行情況有比較清楚的了解，并帶有報警功能，來(lái)提高系統可靠性。

二、硬件配置

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

　　為了滿(mǎn)足上面提到的高爐槽下控制系統要求，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檢測和控制及各種閘門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測。該控制站由一套S7-400主站通過(guò)Profibus-DP連接8個(gè)ET-200M遠程I/O從站。該系統的硬件配置如圖1所示：

（一）控制站PLC的硬件構成

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

　　2．中央處理器模板（CPU 414-2DP）： 適用于中等性能應用范圍中有較高要求的場(chǎng)合，能滿(mǎn)足對程序規模和指令處理速度及復雜通信的更高要求。集成的Profibus-DP接口使它能夠作為主站，直接連到Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)；擴展的存儲能力，256KBRAM分別用于程序和數據存儲；靈活的擴展性，可連接多達131072個(gè)數字量或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 )，其數據傳輸速率最大為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)一步擴展連接，通過(guò)CP443-1，S7-400可以實(shí)現與編程設備、計算機、HMI設備的通信。

（二）ET200遠程控制站

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

　　2．1?！?＃IM153-1機架：每個(gè)機架上帶有所需的數字量I/O模塊和模擬量I/O模塊。

三、軟件配置

　　高爐槽下系統的軟件配置包括上位機的監控組態(tài)軟件和下位機的PLC編程軟件。對于監控軟件，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配置和編程的標號軟件包。

（一）工業(yè)監控組態(tài)軟件

　　工業(yè)監控組態(tài)軟件WinCC是一個(gè)集成的人機界面（HMI）系統和監控管理（SCADA）系統，它是在Windows環(huán)境下，面向對象的32位工業(yè)監控組態(tài)軟件，適合任何自動(dòng)化控制系統。該組態(tài)軟件集成了圖形技術(shù)、人機界面技術(shù)、數據庫技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )與通信技術(shù)等，使控制系統開(kāi)發(fā)人員不必依靠某種具體專(zhuān)業(yè)的計算機語(yǔ)言，只需通過(guò)可視化的組態(tài)方式，就可完成監控軟件設計，降低了監控畫(huà)面開(kāi)發(fā)難度。組態(tài)軟件擁有豐富的工具箱、圖形庫和操作向導，使開(kāi)發(fā)人員避免了軟件設計中許多重復性開(kāi)發(fā)工作，可提高效率，縮短開(kāi)發(fā)周期，它已經(jīng)成為監控系統主要軟件開(kāi)發(fā)工具之一。

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

　　槽下配料上料監控系統主要完成對槽下物料稱(chēng)重、配料和上料環(huán)節的數據采集和控制，實(shí)現對物料稱(chēng)重、配料和上料環(huán)節的監控，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)。根據現場(chǎng)時(shí)間工程狀況和控制要求，槽下控制系統監控軟件設計了以下幾個(gè)界面：高爐槽下系統、上料制度、配料制度、生產(chǎn)記錄查詢(xún)界面、報警記錄。

　　利用對WinCC軟件的二次開(kāi)發(fā)，完成高爐槽下系統的生產(chǎn)工藝過(guò)程的監控和管理，并可用來(lái)顯示所有現場(chǎng)模擬量數據，如溫度、壓力、流量、料線(xiàn)等。同時(shí)利用它的報警記錄，還可發(fā)現并控制在配料過(guò)程中，當焦倉、中間倉、礦倉的重量超過(guò)設定的倉中上限時(shí)，可提供關(guān)于錯誤和操作狀態(tài)的綜合信息，利于及早檢測重要情況。

　　圖2所示為槽下監控系統的主界面，其主要功能是直觀(guān)的顯示現場(chǎng)各種設備的運行情況，包括稱(chēng)量斗料滿(mǎn)料空信號、礦門(mén)開(kāi)關(guān)信號、礦篩和給料機工作情況、焦倉料滿(mǎn)料空情況、焦倉門(mén)開(kāi)關(guān)信號、碎焦車(chē)運行情況、翻板運行情況、中間倉門(mén)開(kāi)關(guān)信號以及礦車(chē)運行情況等，并實(shí)現了聯(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、給料機不能工作，礦車(chē)到底時(shí)中間倉門(mén)和焦倉門(mén)才能打開(kāi)等。該監控界面可使操作人員在操作室便能對現場(chǎng)各設備的運行狀況一目了然。

（二） PLC編程

　　通過(guò)STEP 7，用戶(hù)可進(jìn)行系統配置和程序編寫(xiě)、調試，在線(xiàn)診斷PLC硬件配置狀態(tài)、控制PLC運行狀態(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)言的文本表達方式，與機器碼相似；FDB是STEP 7編程語(yǔ)言的圖形表達方式，使用與布爾代數相類(lèi)似的邏輯框來(lái)表達。本系統采用梯形圖方式編程。

　　根據控制要求，在設計整個(gè)流程的過(guò)程中，采用STEP 7結構化編程，即把復雜的自動(dòng)化任務(wù)分解為能反映過(guò)程工藝、功能或可反復使用的小任務(wù)，把實(shí)現不同功能的程序放在不同