基于PLC的高爐槽下控制系統(tǒng)
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(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)工藝達到較高的自動化水平,對此煉鐵廠的高爐槽下系統(tǒng)進行了改造。
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,能進行位運算,并完成邏輯、順序、定時、計數(shù)和算術(shù)運算功能,實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制。一般PLC分為主模板、擴展模板、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、擴展帶來了極大的方便。PLC的另一特點是能適應(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、不間斷運行,抗干擾能力強、穩(wěn)定性好、具有很好的可靠性。由于PLC的種種優(yōu)點,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)皮帶運走,碎焦也經(jīng)碎焦車運走,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編程能自動地實現(xiàn)稱重補償,進一步減小了稱重誤差,從而達到優(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??刂乒δ苤饕蒔LC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和高爐值班室的工控機,工控機所采用的監(jiān)控軟件要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行記錄、存檔和顯示,以便于對歷史數(shù)據(jù)進行查詢,同時對現(xiàn)場設(shè)備運行狀況模擬,使操作人員對現(xiàn)場主要設(shè)備的運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;擴展的存儲能力,256KBRAM分別用于程序和數(shù)據(jù)存儲;靈活的擴展性,可連接多達131072個數(shù)字量或81932個模擬量的I/O;多點接口(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)和進一步擴展連接,通過CP443-1,S7-400可以實現(xiàn)與編程設(shè)備、計算機、HMI設(shè)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(dǎo)線),適用于冗余系統(tǒng)。
2.1#~8#IM153-1機架:每個機架上帶有所需的數(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的監(jiān)控組態(tài)軟件和下位機的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)?,使開發(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,因為在STEP 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、礦篩和給料機工作情況、焦倉料滿料空情況、焦倉門開關(guān)信號、碎焦車運行情況、翻板運行情況、中間倉門開關(guān)信號以及礦車運行情況等,并實現(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)備的運行狀況一目了然。
(二) PLC編程
通過STEP 7,用戶可進行系統(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方式,與機器碼相似;FDB是STEP 7編程語言的圖形表達方式,使用與布爾代數(shù)相類似的邏輯框來表達。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),把實現(xiàn)不同功能的程序放在不同
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