基于PLC的高爐槽下控制系統(tǒng)

某鋼鐵公司煉鐵廠的高爐容量為380m，高爐煉鐵所用的原料是經(jīng)過槽下系統(tǒng)處理，符合化學(xué)成分及粒度要求后再裝入高爐，但此煉鐵廠槽下系統(tǒng)的自動化程度不高，存在明顯問題：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控制，各種礦石的稱重數(shù)據(jù)誤差較大，同時配料系統(tǒng)沒有稱重補(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)到較高的自動化水平，對此煉鐵廠的高爐槽下系統(tǒng)進(jìn)行了改造。

　　PLC是用微電腦技術(shù)制造的通用自動控制設(shè)備，它具有指令存儲和數(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、計數(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程，這就給控制過程的設(shè)計、調(diào)試、修改、擴(kuò)展帶來了極大的方便。PLC的另一特點(diǎn)是能適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，在電源波動大、溫差大、沖擊振動較大的惡劣條件下，仍能長時間、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、焦倉都設(shè)置振動篩，篩下粉礦經(jīng)皮帶運(yùn)走，碎焦也經(jīng)碎焦車運(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。

　　每個料倉都裝有壓力稱重傳感器，稱重信號可及時被PLC采集，PLC的CPU根據(jù)采集的稱重信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，以控制料倉和焦倉的開關(guān)，從而提高了稱重精確度；另一方面通過對PLC編程能自動地實(shí)現(xiàn)稱重補(bǔ)償，進(jìn)一步減小了稱重誤差，從而達(dá)到優(yōu)化配料的目的。

　　生產(chǎn)過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)場傳過來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過繼電器、接觸器和電磁閥控制現(xiàn)場設(shè)備。控制功能主要由PLC來完成。

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)控軟件要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、存檔和顯示，以便于對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，同時對現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀況模擬，使操作人員對現(xiàn)場主要設(shè)備的運(yùn)行情況有比較清楚的了解，并帶有報警功能，來提高系統(tǒng)可靠性。

二、硬件配置

?　 高爐槽下控制系統(tǒng)的操作站由兩臺研華工控機(jī)組成，一臺用來顯示槽下系統(tǒng)主畫面，另一臺用來顯示生產(chǎn)操作技術(shù)參數(shù)，兩臺互為熱備份。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，Windows 2000操作系統(tǒng)，21英寸Philips CRT。

　　為了滿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量、料鐘爐頂部分工藝參數(shù)檢測和控制及各種閘門開關(guān)狀態(tài)檢測。該控制站由一套S7-400主站通過Profibus-DP連接8個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合，能滿足對程序規(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)場總線；擴(kuò)展的存儲能力，256KBRAM分別用于程序和數(shù)據(jù)存儲；靈活的擴(kuò)展性，可連接多達(dá)131072個數(shù)字量或81932個模擬量的I/O；多點(diǎn)接口（MPI），用MPI最多能夠建立32個站的簡單網(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CP443-1，S7-400可以實(shí)現(xiàn)與編程設(shè)備、計算機(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），適用于冗余系統(tǒng)。

　　2．1＃～8＃IM153-1機(jī)架：每個機(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。對于監(jiān)控軟件，選用西門子的專業(yè)工業(yè)控制組態(tài)軟件WinCC6.0；編程軟件選用西門子的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)開發(fā)人員不必依靠某種具體專業(yè)的計算機(jī)語言，只需通過可視化的組態(tài)方式，就可完成監(jiān)控軟件設(shè)計，降低了監(jiān)控畫面開發(fā)難度。組態(tài)軟件擁有豐富的工具箱、圖形庫和操作向?qū)В归_發(fā)人員避免了軟件設(shè)計中許多重復(fù)性開發(fā)工作，可提高效率，縮短開發(fā)周期，它已經(jīng)成為監(jiān)控系統(tǒng)主要軟件開發(fā)工具之一。

　　WinCC提供各種PLC的驅(qū)動軟件，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間，因?yàn)樵赟TEP 7中配置的變量表可在WinCC的過程編程中直接使用。

　　槽下配料上料監(jiān)控系統(tǒng)主要完成對槽下物料稱重、配料和上料環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集和控制，實(shí)現(xiàn)對物料稱重、配料和上料環(huán)節(jié)的監(jiān)控，使物料顆粒狀況滿足高爐生產(chǎn)工藝的要求、配料精確和上料及時。根據(jù)現(xiàn)場時間工程狀況和控制要求，槽下控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計了以下幾個界面：高爐槽下系統(tǒng)、上料制度、配料制度、生產(chǎn)記錄查詢界面、報警記錄。

　　利用對WinCC軟件的二次開發(fā)，完成高爐槽下系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝過程的監(jiān)控和管理，并可用來顯示所有現(xiàn)場模擬量數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、流量、料線等。同時利用它的報警記錄，還可發(fā)現(xiàn)并控制在配料過程中，當(dāng)焦倉、中間倉、礦倉的重量超過設(shè)定的倉中上限時，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(jiān)控系統(tǒng)的主界面，其主要功能是直觀的顯示現(xiàn)場各種設(shè)備的運(yùn)行情況，包括稱量斗料滿料空信號、礦門開關(guān)信號、礦篩和給料機(jī)工作情況、焦倉料滿料空情況、焦倉門開關(guān)信號、碎焦車運(yùn)行情況、翻板運(yùn)行情況、中間倉門開關(guān)信號以及礦車運(yùn)行情況等，并實(shí)現(xiàn)了聯(lián)鎖控制功能。如在料空時礦門不能打開，礦門打開時礦篩、給料機(jī)不能工作，礦車到底時中間倉門和焦倉門才能打開等。該監(jiān)控界面可使操作人員在操作室便能對現(xiàn)場各設(shè)備的運(yùn)行狀況一目了然。

（二） PLC編程

　　通過STEP 7，用戶可進(jìn)行系統(tǒng)配置和程序編寫、調(diào)試，在線診斷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，可用語句表編程語言（STL）、梯形邏輯編程語言（LAD）、功能塊圖編程語言（FBD）。LAD是STEP 7編程語言的圖形表達(dá)方式，它的指令語法與一個繼電器梯形邏輯圖相似；STL是STEP 7編程語言的文本表達(dá)方式，與機(jī)器碼相似；FDB是STEP 7編程語言的圖形表達(dá)方式，使用與布爾代數(shù)相類似的邏輯框來表達(dá)。本系統(tǒng)采用梯形圖方式編程。

　　根據(jù)控制要求，在設(shè)計整個流程的過程中，采用STEP 7結(jié)構(gòu)化編程，即把復(fù)雜的自動化任務(wù)分解為能反映過程工藝、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為啟動塊，在系統(tǒng)啟動時調(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)有幾種典型類型：（1）多點(diǎn)接口網(wǎng)絡(luò)（MPI），CPU可同時與多個設(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)場總線（Profibus），是一種實(shí)時、開放性工業(yè)現(xiàn)場總線網(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)的開放式通信網(wǎng)絡(luò)。專門設(shè)計它來經(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、簡單的擴(kuò)展性和開放性，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)的連接通過通信處理器CP1413建立；在下位機(jī)端，PLC裝有CPU414-2 DP模塊，通過通信處理器模塊CP443-1建立至網(wǎng)絡(luò)的連接。通過工業(yè)以太網(wǎng)，把高爐工藝參數(shù)設(shè)定值和對電氣設(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)場級的網(wǎng)絡(luò)連接，為現(xiàn)場級使用的設(shè)備提供過程值和消息等。對于現(xiàn)場級，Profibus是主要的網(wǎng)絡(luò)類型。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)計與實(shí)現(xiàn)。本控制系統(tǒng)已在生產(chǎn)線上得到實(shí)際使用，PLC系統(tǒng)的程序控制滿足現(xiàn)場的工藝要求，監(jiān)控界面操作簡單方便、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)場調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)，給整個系統(tǒng)的穩(wěn)定帶來了較大的益處。