王建鵬

(山西省自動(dòng)化研究所，山西太原030012)

山西新泰鋼鐵公司180 m2燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用三電一體化的集中控制模式，分為電氣控制、儀表控制和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，包含了原料供料系統(tǒng)、一二次配料系統(tǒng)、燒結(jié)系統(tǒng)、成品篩分系統(tǒng)，各個(gè)系統(tǒng)各由一套6ES7－414 CPU單獨(dú)控制，各系統(tǒng)CPU之間采用工業(yè)以太網(wǎng)ISO－on－TCP通訊方式，系統(tǒng)功能之間的聯(lián)鎖通過通訊實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程模塊采用ET200與WAGO－I/O總線模塊相結(jié)合的硬件結(jié)構(gòu)，上位機(jī)軟件采用Wonderware公司InTouch v10.1，S7－400通過通訊方式實(shí)現(xiàn)對EMERSON EV2000變頻器的控制，下面詳細(xì)介紹新泰燒結(jié)自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

采用計(jì)算機(jī)控制，可以極大地提高生產(chǎn)效率，通過遠(yuǎn)程控制，節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間，加快了生產(chǎn)節(jié)奏。新泰180 m2燒結(jié)機(jī)采用計(jì)算機(jī)對主要工藝生產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)控制。該控制系統(tǒng)采用儀電合一方式，由Siemens S7400系列PLC完成全過程的順序控制和回路控制?？刂普九c監(jiān)控站之間，通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)通訊，從而實(shí)現(xiàn)的燒結(jié)機(jī)各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換穩(wěn)定、準(zhǔn)確。

該系統(tǒng)設(shè)置11個(gè)客戶端，1臺(tái)服務(wù)器。其中燒結(jié)主控室設(shè)置4臺(tái)客戶端，一臺(tái)服務(wù)器，配料室設(shè)7臺(tái)客戶端?？梢酝瓿蓪θ剂喜糠帧⑴淞喜糠帧Y(jié)冷卻部分、成品篩分部分進(jìn)行監(jiān)控。通過交換機(jī)統(tǒng)一掛在工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)上。圖1為燒結(jié)主控室網(wǎng)絡(luò)配置圖。

圖1 燒結(jié)主控室網(wǎng)絡(luò)配置圖

1.2 網(wǎng)絡(luò)通訊

1.2.1S7400之間ISO－on－TCP工業(yè)以太網(wǎng)通訊

各系統(tǒng)間采用工業(yè)以太網(wǎng)ISO－on－TCP通訊方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖集中操作及機(jī)旁操作，并設(shè)有解除聯(lián)鎖工作制，設(shè)備啟動(dòng)前發(fā)出聲光報(bào)警，延時(shí)啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)逆物流運(yùn)輸方向依次啟動(dòng)，停止時(shí)順物流運(yùn)輸方向依次停止，當(dāng)系統(tǒng)中某一設(shè)備出現(xiàn)事故時(shí)，逆物流方向的設(shè)備立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，順物流方向的設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行，直至物料運(yùn)輸完畢為止，崗位人員遇到緊急情況時(shí)，可以就地解除聯(lián)鎖，就地停車。

1.2.2EV2000 變頻器與 S7400 Profibus DP 通訊

EV2000采用獨(dú)特的控制方式實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)，滿足通用變頻器高性能化的趨勢，具有超出同類產(chǎn)品的防跳閘性能和適應(yīng)惡劣電網(wǎng)、溫度、濕度和粉塵能力，提高了產(chǎn)品可靠性，EV2000通過優(yōu)化PWM控制技術(shù)和電磁兼容性整體設(shè)計(jì)，滿足用戶對應(yīng)用場所的低噪音、低電磁干擾的環(huán)保要求。

燒結(jié)機(jī)、圓滾給料機(jī)、環(huán)冷機(jī)、板式給礦機(jī)四臺(tái)設(shè)備由艾默生變頻器EV2000控制轉(zhuǎn)速以達(dá)到物料均衡，EV2000變頻器通過配置TDS－PA01實(shí)現(xiàn)與S7400系統(tǒng)通訊，TDSPA01現(xiàn)場總線適配器是艾默生公司遵照PROFIBUS現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)，為滿足艾默生變頻器在PROFIBUS現(xiàn)場總線領(lǐng)域的應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)生產(chǎn)的產(chǎn)品。如圖2所示。

圖2 PROFIBUS總線連接示意圖

打開 SIMATIC 400 站點(diǎn)［1］，新建 Profibus(2)，組態(tài) PROFIBUS站地址，設(shè)定傳輸速率1.5 Mb/s，在 DP網(wǎng)上添加EV2000，并組態(tài)EV2000通信區(qū)，選擇PPO1，由4PKW/2PZD組成，EV2000僅支持PPO1，在OB1里調(diào)用特殊功能模塊SFC14和SFC15，完成從站(EV2000)數(shù)據(jù)的讀和寫。PPO1功能如圖3。

圖3 PPO1功能

LADDR，硬件組態(tài)時(shí)PZD的起始地址 w#16#224，RET_VAL程序塊的狀態(tài)字，存放在數(shù)據(jù)塊DB30.DBW8=W#16#2000中，RECORD數(shù)據(jù)塊DB4中定義的PZD數(shù)據(jù)區(qū)相應(yīng)的數(shù)據(jù)地址P#DB4.DBX5.0 BYTE 4，即對 EV2000請求讀寫F00參數(shù)，設(shè)定為04，在自動(dòng)模式下頻率給定通道為CCI。Z4燒結(jié)機(jī)變頻器EV2000與S7400 CPU的控制程序如下:

請求讀取PPO1 PZD中的EV2000實(shí)時(shí)運(yùn)行頻率:

S7400與TDS－PA01通過通訊方式實(shí)現(xiàn)了對燒結(jié)機(jī)、圓滾給料機(jī)、環(huán)冷機(jī)、板式給礦機(jī)的控制，向變頻器發(fā)送控制命令(如:起、停、點(diǎn)動(dòng))，向變頻器發(fā)送頻率給定信號(hào)，從變頻器中讀取工作狀態(tài)信息和實(shí)際值，修改變頻器的功能碼設(shè)置，對變頻器進(jìn)行故障復(fù)位。

1.2.3WAGO 總線模塊與 S7－400通訊

德國WAGO的總線模塊應(yīng)用在現(xiàn)場控制箱，既小巧又安全可靠，節(jié)省了控制箱內(nèi)空間，分站之間只需一根通訊Profibus DP電纜連接，不需要現(xiàn)場的控制電纜敷設(shè)及接線，使得電氣故障率大大降低。

打開SIMATIC 400站點(diǎn)，安裝WAGO公司提供的硬件GSD文件，STEP7HW congfig窗口，新建 Profibus(1)，組態(tài)WAGO 750－333，選擇固件版本號(hào)為11，STEP7軟件自動(dòng)為模塊分配硬件地址，也可以對此硬件地址進(jìn)行修改，硬件組態(tài)完成，可以對模塊地址進(jìn)行編程控制。

2 控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)控制軟件的功能分為:設(shè)備連鎖電控、PID調(diào)節(jié)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊、參數(shù)采集監(jiān)控、故障報(bào)警處理。整個(gè)燒結(jié)機(jī)的工藝生產(chǎn)過程控制的計(jì)算機(jī)軟件由InTouch v10.1實(shí)現(xiàn)。

2.1 組態(tài)梯形圖和功能塊圖實(shí)現(xiàn)電氣控制

設(shè)備運(yùn)行分為就地控制、遠(yuǎn)程控制以及CRT手動(dòng)控制。遠(yuǎn)程控制方式分為自動(dòng)方式與解除聯(lián)鎖CRT手動(dòng)。遠(yuǎn)程控制方式下PLC首先檢測受控設(shè)備是否滿足啟動(dòng)條件，電源是否具備，模式選擇開關(guān)是否打在遠(yuǎn)程狀態(tài)，設(shè)備是否有故障等，若滿足啟動(dòng)條件，CRT顯示允許啟動(dòng)信號(hào)，然后選擇相應(yīng)系統(tǒng)順啟順停按鈕實(shí)現(xiàn)對受控設(shè)備的控制。系統(tǒng)中某臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障，其上游設(shè)備齊停，下游設(shè)備順停，并伴有報(bào)警。

2.2 PID調(diào)節(jié)控制及儀表控制

根據(jù)工藝要求編制工藝監(jiān)控畫面，對主要數(shù)據(jù):點(diǎn)火爐燃燒溫度、煤氣總管壓力、煤氣總管流量等建立歷史趨勢;實(shí)現(xiàn)對各個(gè)設(shè)備的操作運(yùn)行情況的監(jiān)控、參數(shù)報(bào)警、閥門調(diào)節(jié)等功能。

(1)點(diǎn)火爐溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)

點(diǎn)火爐溫度控制系統(tǒng)，點(diǎn)火爐燃燒控制是燒結(jié)機(jī)控制的重要部分。該系統(tǒng)控制的精確度、穩(wěn)定性直接關(guān)系到燒結(jié)礦石的質(zhì)量。點(diǎn)火爐溫度控制根據(jù)實(shí)際情況在畫面選擇PID控制系統(tǒng)，STEP7 V5.4 FB41功能塊實(shí)現(xiàn)，具有手/自動(dòng)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了無擾動(dòng)切換。

影響點(diǎn)火爐溫度有兩個(gè)重要的方面:助燃風(fēng)流量及點(diǎn)火爐煤氣流量。理化驗(yàn)室對兩種氣體成分分別進(jìn)行了分析與測定，分析結(jié)果顯示煤氣和助燃風(fēng)按照1∶3的比例進(jìn)行混合后能達(dá)到最佳的燃燒效果，比例設(shè)定作為點(diǎn)火爐溫度調(diào)節(jié)的一個(gè)參數(shù)在上位機(jī)操作界面上輸入并顯示。對點(diǎn)火爐溫度的控制由兩級PID控制來實(shí)現(xiàn)，分別是煤氣流量PID控制(如圖4所示)及助燃風(fēng)流量PID控制(如圖5所示)。

圖4 煤氣流量PID控制圖

圖5 助燃風(fēng)流量PID控制圖

(2)煤氣壓力自動(dòng)控制

為保證點(diǎn)火爐燃燒平穩(wěn)，對煤氣總管壓力采用負(fù)反饋控制。其操作方式分為手動(dòng)/自動(dòng)兩種操作方式［2］。手動(dòng)方式(M):操作員可通過計(jì)算機(jī)畫面上的手操器，參照畫面顯示煤氣壓力值(PT－1401)，根據(jù)生產(chǎn)需要手動(dòng)控制FV－1401閥門的開度，調(diào)節(jié)煤氣壓力的大小。自動(dòng)方式(A):操作員在計(jì)算機(jī)畫面上輸入煤氣壓力的給定值SP，計(jì)算機(jī)則根據(jù)煤氣壓力的測量值PV(PT－1401)與給定值SP的偏差進(jìn)行PID計(jì)算，自動(dòng)控制閥門FV－1401的開度，保持煤氣壓力穩(wěn)定在給定值的范圍之內(nèi)。

點(diǎn)火爐煤氣使用的是安泰集團(tuán)焦化廠焦?fàn)t煤氣，在特定時(shí)期煤氣總管壓力不穩(wěn)定，根據(jù)安全規(guī)程，煤氣總管壓力低于2.5 kPa時(shí)必須緊急關(guān)斷總管切斷閥SV1403，煤氣總管壓力高于8 kPa時(shí)聲光報(bào)警。

3 結(jié)束語

通過近1個(gè)月緊張調(diào)試，系統(tǒng)正式順利投入生產(chǎn)，一直運(yùn)行良好，控制水平先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)為燒結(jié)廠的順利投產(chǎn)、快速達(dá)產(chǎn)起了重要的作用，無論從投產(chǎn)后運(yùn)行的順利程度還是從生產(chǎn)狀態(tài)的穩(wěn)定性來看，都達(dá)到了非常領(lǐng)先的水平，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用以及總線模塊的大量應(yīng)用大大降低了設(shè)備故障率，使得今后的維護(hù)工作大量減少，生產(chǎn)更加穩(wěn)定。

［1］羅紅福，胡斌，鐘存福，等.PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線工程應(yīng)用實(shí)例解析［M］.北京:中國電力出版社，2008，9:74－103.

［2］公維娥，張新寧，田美.265 m2燒結(jié)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的三電一體化設(shè)計(jì)［J］.國內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)，2008(1):81－83.