基于PLC的高爐槽下控制系統

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過槽下系統處理，符合化學成分及粒度要求后再裝入高爐，但此煉鐵廠槽下系統的自動化程度不高，存在明顯問題：未經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，影響了鐵水的質量和效率；下料靠操作人員的手動控制，各種礦石的稱重數據誤差較大，同時配料系統沒有稱重補償處理，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等。鑒于原先存在的缺陷，為使生產工藝達到較高的自動化水平，對此煉鐵廠的高爐槽下系統進行了改造。

　　PLC是用微電腦技術制造的通用自動控制設備，它具有指令存儲和數字量或模擬量輸入輸出接口，能進行位運算，并完成邏輯、順序、定時、計數和算術運算功能，實現復雜的邏輯控制。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、專用智能模塊、數據處理和通信網絡等功能。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計、調試、修改、擴展帶來了極大的方便。PLC的另一特點是能適應工業環境，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、穩定性好、具有很好的可靠性。由于PLC的種種優點，它已經成為一種最重要、最普及的工業控制器，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、焦倉都設置振動篩，篩下粉礦經皮帶運走，碎焦也經碎焦車運走，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根據采集的稱重信號進行相應的處理，以控制料倉和焦倉的開關，從而提高了稱重精確度；另一方面通過對PLC編程能自動地實現稱重補償，進一步減小了稱重誤差，從而達到優化配料的目的。

　　生產過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主要就是采集現場傳過來的數據，進行數據處理，通過繼電器、接觸器和電磁閥控制現場設備。控制功能主要由PLC來完成。

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數據進行記錄、存檔和顯示，以便于對歷史數據進行查詢，同時對現場設備運行狀況模擬，使操作人員對現場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，一臺用來顯示槽下系統主畫面，另一臺用來顯示生產操作技術參數，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，Windows 2000操作系統，21英寸Philips CRT。

　　為了滿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量、料鐘爐頂部分工藝參數檢測和控制及各種閘門開關狀態檢測。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網絡電壓轉換為所需的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合，能滿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現場總線；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個數字量或81932個模擬量的I/O；多點接口（MPI），用MPI最多能夠建立32個站的簡單網絡，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用于工業以太網總線系統的通信處理器，它有自己的微處理器，因而能減輕CPU的通信任務和進一步擴展連接，通過CP443-1，S7-400可以實現與編程設備、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），適用于冗余系統。

　　2．1＃～8＃IM153-1機架：每個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軟件和下位機的PLC編程軟件。對于監控軟件，選用西門子的專業工業控制組態軟件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）工業監控組態軟件

　　工業監控組態軟件WinCC是一個集成的人機界面（HMI）系統和監控管理（SCADA）系統，它是在Windows環境下，面向對象的32位工業監控組態軟件，適合任何自動化控制系統。該組態軟件集成了圖形技術、人機界面技術、數據庫技術、控制技術、網絡與通信技術等，使控制系統開發人員不必依靠某種具體專業的計算機語言，只需通過可視化的組態方式，就可完成監控軟件設計，降低了監控畫面開發難度。組態軟件擁有豐富的工具箱、圖形庫和操作向導，使開發人員避免了軟件設計中許多重復性開發工作，可提高效率，縮短開發周期，它已經成為監控系統主要軟件開發工具之一。

　　WinCC提供各種PLC的驅動軟件，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。

　　槽下配料上料監控系統主要完成對槽下物料稱重、配料和上料環節的數據采集和控制，實現對物料稱重、配料和上料環節的監控，使物料顆粒狀況滿足高爐生產工藝的要求、配料精確和上料及時。根據現場時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界面：高爐槽下系統、上料制度、配料制度、生產記錄查詢界面、報警記錄。

　　利用對WinCC軟件的二次開發，完成高爐槽下系統的生產工藝過程的監控和管理，并可用來顯示所有現場模擬量數據，如溫度、壓力、流量、料線等。同時利用它的報警記錄，還可發現并控制在配料過程中，當焦倉、中間倉、礦倉的重量超過設定的倉中上限時，可提供關于錯誤和操作狀態的綜合信息，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，其主要功能是直觀的顯示現場各種設備的運行情況，包括稱量斗料滿料空信號、礦門開關信號、礦篩和給料機工作情況、焦倉料滿料空情況、焦倉門開關信號、碎焦車運行情況、翻板運行情況、中間倉門開關信號以及礦車運行情況等，并實現了聯鎖控制功能。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。該監控界面可使操作人員在操作室便能對現場各設備的運行狀況一目了然。

（二） PLC編程

　　通過STEP 7，用戶可進行系統配置和程序編寫、調試，在線診斷PLC硬件配置狀態、控制PLC運行狀態和I/O通道狀態等。

　　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，使用與布爾代數相類似的邏輯框來表達。本系統采用梯形圖方式編程。

　　根據控制要求，在設計整個流程的過程中，采用STEP 7結構化編程，即把復雜的自動化任務分解為能反映過程工藝、功能或可反復使用的小任務，把實現不同功能的程序放在不同塊中，然后在主程序模塊OB1中根據需要進行調用，OB1為啟動塊，在系統啟動時調用。OB1作為循環掃描塊，每次執行完后從頭執行，周而復始。

四、通信方式

（一）WinCC與PLC之間的通信

　　S7的PLC網絡有幾種典型類型：（1）多點接口網絡（MPI），CPU可同時與多個設備建立通信聯系；（2）TCP/IP協議網絡；（3）工業現場總線（Profibus），是一種實時、開放性工業現場總線網絡。它的特點是：使用數字傳輸，易于正確接收和差錯檢驗，保證了數據的可靠性和準確性，有利于降低工廠底層設備之間的電纜連接成本，易于安裝、維修和擴充，能及時發現故障，便于及早處理。它的最大優點是具有充分利用智能設備的能力；（4）工業以太網（Industrial Ethernet），是一種符合IEEE802.3標準的開放式通信網絡。專門設計它來經濟地解決工業環境中所要求的通信任務。這種子網的主要優點在于其傳送數據的速度快、簡單的擴展性和開放性，及其高利用率和在全球的分布性。只需花費很小的氣力就可配置工業以太網子網。

　　本系統采用了工業以太網，在上位機端，與工業以太網網絡的連接通過通信處理器CP1413建立；在下位機端，PLC裝有CPU414-2 DP模塊，通過通信處理器模塊CP443-1建立至網絡的連接。通過工業以太網，把高爐工藝參數設定值和對電氣設備的操作從人機接口傳送到各PLC，把各設備的狀態和工藝、電氣參數及故障由PLC收集，并送到人機接口的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組成主從式通信網絡，這種網絡主要應用于現場級的網絡連接，為現場級使用的設備提供過程值和消息等。對于現場級，Profibus是主要的網絡類型。為了實現遠程的I/O控制，通常選用Profibus協議。

五、結論

　　本文討論了基于PLC的高爐槽下控制系統的設計與實現。本控制系統已在生產線上得到實際使用，PLC系統的程序控制滿足現場的工藝要求，監控界面操作簡單方便、結構清晰，使高爐生產的技術層次和經濟指標得到很大提高。在該系統中，PLC充分發揮了其配置靈活、控制可靠、編程方便和可現場調試的優點，給整個系統的穩定帶來了較大的益處。