宋 杰

(中天鋼鐵集團有限公司設(shè)備處，江蘇 常州 213011)

軋鋼廠水處理系統(tǒng)電氣及自動化技術(shù)改造

宋 杰

(中天鋼鐵集團有限公司設(shè)備處，江蘇 常州 213011)

概述了中天鋼鐵某軋鋼廠水處理系統(tǒng)的工藝現(xiàn)狀及改造方案和策略，然后分別介紹了自動化系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、HMI系統(tǒng)、程序編程及系統(tǒng)調(diào)試，以期可為相關(guān)人士提供參考。

水泵房；PLC；S7-300；STEP 7；WinCC

0 引言

中天鋼鐵某軋鋼廠是2007年5月建成投產(chǎn)的工程項目，整個車間的用水及污水處理由該工程配套的水處理系統(tǒng)來實現(xiàn)。早期設(shè)計的為繼電器控制，存在故障率高、可靠性差、控制方式不靈活以及消耗功率大等缺點，而PLC控制系統(tǒng)具有運行可靠性高、使用維修方便、抗干擾性強、設(shè)計和調(diào)試周期較短等優(yōu)點，因此，2013年8月，根據(jù)設(shè)計資料進行了電氣控制系統(tǒng)的二次設(shè)計和改造，包括自動化元器件設(shè)計選型、論證，軟、硬件設(shè)計選型、配置，程序編寫及調(diào)試等，最終實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的順利投運。

1 生產(chǎn)工藝流程

根據(jù)水處理系統(tǒng)設(shè)計水量分布及工藝流程，水處理共包括3個區(qū)域，分別是循泵房、一次鐵皮沉淀池、化學(xué)除油器及污泥脫水間。其中循泵房包括3個水池，分別是凈環(huán)水冷水池、濁環(huán)水冷水池、濁環(huán)水熱水池以及冷卻塔。凈環(huán)水作為整個生產(chǎn)車間主要設(shè)備的冷卻用水，負(fù)責(zé)入爐輥道冷卻、出爐輥道冷卻、液壓潤滑站冷卻、空調(diào)冷卻、高溫攝像冷卻、中間運輸輥冷卻、主/輔傳動電機冷卻以及加熱爐冷卻等；濁環(huán)水冷水池負(fù)責(zé)沖氧化鐵皮、鋸機系統(tǒng)冷卻、粗軋機組冷卻、精軋機組冷卻、夾送輥道冷卻以及高壓水除磷等；使用后的冷卻水經(jīng)過一次鐵皮沉淀池、化學(xué)除油器以及污泥脫水間等流入循泵房濁環(huán)水熱水池，通過水泵將濁環(huán)熱水打到塔上，經(jīng)過冷卻塔冷卻，進入濁環(huán)水冷水池進行循環(huán)利用；同時，外部廠區(qū)生產(chǎn)凈水管道不斷進行凈水補給，以保證整個系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。水處理系統(tǒng)循環(huán)率為94.86%。

循泵房水泵共分成5組，第一組為應(yīng)急柴油泵，主要在停電時為加熱爐提供冷卻用水，作為事故應(yīng)急用水，不在該系統(tǒng)控制內(nèi)；第二組為501M、502M 2臺泵，功率為30 kW；第三組為503M、504M、505M 3臺泵，功率為160 kW；第四組為506M、507M、508M 3臺泵，功率為110 kW；第五組為509M、510M、511M 3臺泵，功率為45 kW。其中，凈環(huán)水冷水池包括第二組和第三組共5臺泵，濁環(huán)水冷水池包括第四組共3臺泵，濁環(huán)水熱水池包括第五組共3臺泵。另外，冷卻塔電機共6臺，功率分別為：2臺37 kW，3臺22 kW，1臺11 kW；電動蝶閥共15臺，0.18 kW。

2 自動化系統(tǒng)

2.1 硬件組態(tài)

自動化系統(tǒng)整體配置如圖1所示：包括操作員站上位機1臺，打印機1臺，交換機1臺，PLC主站1個，ET-200M分站2個。

圖1 自動化系統(tǒng)配置圖

2.2 以太網(wǎng)通訊模塊

PLC通過交換機利用工業(yè)以太網(wǎng)與上位機通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。工業(yè)以太網(wǎng)是為工業(yè)應(yīng)用專門設(shè)計的，它是遵循國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3(Ethernet)的開放式、多供應(yīng)商、高性能的區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò)。SIMATIC PLC的工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器用于將PLC連接到工業(yè)以太網(wǎng)；該系統(tǒng)通訊模塊選用CP343-1系列，訂貨號：6GK7 343-1EX30-0XE0/V2.0，CP343-1是用于S7-300的全雙工以太網(wǎng)通信處理器，傳輸速率為10 Mb/s。該系統(tǒng)采用TCP/IP通信協(xié)議，模塊的配置數(shù)據(jù)存放在CPU中，CPU啟動時自動將配置參數(shù)傳送到CP模塊。

2.3 交換機

該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)交換機選用菲尼克斯系列優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品FL SWITCH SF 6TX/2FX，6電口、2光口，滿足系統(tǒng)生產(chǎn)和擴容需要，用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換。

3 PLC系統(tǒng)

3.1 CPU

PLC是控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、設(shè)備控制的核心部分。該系統(tǒng)硬件配置采用西門子S7-300作為主站，通過Profibus-DP現(xiàn)場總線方式配帶ET-200M分站的結(jié)構(gòu)模式。CPU選用帶有MPI接口的CPU315-2DP，訂貨號：6ES7 315-2AG10-0AB0，具有中、大規(guī)模的程序存儲容量和數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)，對二進制和浮點數(shù)運算具有較高的處理能力；具有Profibus-DP主站/從站接口，可用于大規(guī)模的I/O配置和建立分布式I/O結(jié)構(gòu)。

3.2 電源模塊

該系統(tǒng)電源模塊采用PS307 5A，訂貨號：6ES7 307-1EA00-0AA0，用于S7-300/ET-200M負(fù)載電源，將電源電壓轉(zhuǎn)換為所需DC24 V工作電壓。

3.3 ET-200M

ET-200M是高密度配置的模塊化I/O站，保護等級為IP20，可用S7-300 PLC的信號功能和通訊模塊擴展。ET-200M是Profibus-DP連接的被動站(從站)，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為12 M位/s。

3.4 輸入/輸出模塊

輸入/輸出模塊統(tǒng)稱為信號模塊(SM)，該系統(tǒng)共用到數(shù)字量輸入模塊8塊，訂貨號：6ES7 321-1BL00-0AA0，32點輸入，DC24 V，用于連接標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)量和二線制接近開關(guān)；數(shù)字量輸出模塊4塊，訂貨號：6ES7 322-1BL00-0AA0，用于連接電磁閥、接觸器、小功率電機、燈和電機啟動器；模擬量輸入模塊6塊，訂貨號：6ES7 331-7KF02-0AB0，用于連接電壓和電流傳感器、熱電偶、電阻和熱電阻。

3.5 I/O地址分配與接線

整理I/O表，明確各I/O地址對應(yīng)的現(xiàn)場信號。I/O點數(shù)估算時應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔俊?/p>

主站地址分配如下：5號槽：I0.0～I3.7；6號槽：I4.0～I7.7；7號槽：I8.0～I11.7；8號槽：I12.0～I15.7；9號槽：I16.0～I19.7。

分站地址分配如下：4號槽：Q0.0～Q3.7；5號槽：Q4.0～Q7.7；6號槽：PIW272～PIW287；7號槽：PIW288～PIW303；8號槽：PIW304～PIW319；9號槽：PIW320～PIW335。

4 HMI系統(tǒng)

4.1 操作員站設(shè)備選型

操作員站計算機選用了研華最新型的工業(yè)PC機一臺。

4.2 操作員站功能及畫面

操作員站HMI作為生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控、設(shè)備操作單元，是人機對話的窗口，具有如下功能：主工藝流程畫面顯示；設(shè)備控制的操作，所有電機的啟、停、點動和緊急停車控制；操作畫面和報警；設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控；設(shè)備故障診斷控制；歷史和報警數(shù)據(jù)查詢，趨勢曲線顯示、查詢等。

該項目主要采用基于Windows平臺的上位監(jiān)控程序開發(fā)軟件和PLC編程軟件，以PLC作為控制站、以上位機作為操作員站的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成滿足現(xiàn)場生產(chǎn)過程功能要求的控制系統(tǒng)。其中PLC控制工藝設(shè)備的運行，檢測系統(tǒng)中各個生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)及工藝參數(shù)，并按確定的控制原則對各個設(shè)備進行控制與調(diào)節(jié)。操作員站主要功能是操作人員通過上位機的實時動態(tài)畫面監(jiān)控現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況，并根據(jù)現(xiàn)場實際狀況對生產(chǎn)過程進行必要的控制及干預(yù)，還有一定的趨勢分析、報警、歷史趨勢查詢及報表輸出等功能。

5 程序編寫

5.1 程序編寫要求

(1) PLC部分可以實現(xiàn)系統(tǒng)對控制的要求，根據(jù)用水量的大小調(diào)整水泵開機的數(shù)量。可以用流量計或直接根據(jù)水泵出水口算出流量，再根據(jù)需要的流量大小來確定開啟的水泵數(shù)量。開機時，水泵要按照1號、2號、3號的順序啟動。

(2) 水泵和閥門具有聯(lián)鎖控制功能，開機時，先開水泵后開閥門；停機時相反，先關(guān)閥門后關(guān)水泵。

(3) 指定其中任意一臺為備用水泵，當(dāng)出現(xiàn)故障時，備用水泵能夠自動投入運行，并發(fā)出報警。

(4) 每臺水泵和閥門都具有機旁手動和PLC集中操作功能，通過一個兩檔選擇開關(guān)來實現(xiàn)切換，即一側(cè)為手動，另一側(cè)為自動；打到手動為在現(xiàn)場機旁操作，用于檢修或調(diào)試；打到集中時在上位機上操作，通過PLC進行控制，作為正常生產(chǎn)操作方式。

5.2 程序編寫

編程軟件采用西門子STEP 7，利用STEP 7的功能對整個控制系統(tǒng)進行組態(tài)、編程和監(jiān)控、調(diào)試。

STEP 7主要有以下功能：(1) 組態(tài)硬件，即在機架中放置模塊，為模塊分配地址、設(shè)置參數(shù)；(2) 組態(tài)通信連接，定義通信伙伴和連接特性；(3) 使用編程語言編寫用戶程序；(4) 下載和調(diào)試用戶程序、啟動、維護、文件建檔、運行和診斷等功能。

該系統(tǒng)PLC程序共包括主程序、組織塊、功能塊、數(shù)據(jù)塊等部分。采用分塊控制，通過主程序進行調(diào)用的編程思想，利用梯形圖語言根據(jù)工藝設(shè)計和控制要求進行程序編寫，實現(xiàn)工藝控制要求。

6 系統(tǒng)調(diào)試

6.1 硬件調(diào)試

現(xiàn)場調(diào)試前要全面檢查整個PLC控制系統(tǒng)，包括電源、接地、I/O連線等，同時對PLC外部接線做仔細(xì)檢查，在保證整個硬件連接正確無誤的情況下方可送電。

系統(tǒng)的調(diào)試是整個設(shè)計能否實現(xiàn)的關(guān)鍵，可以用變量表來測試硬件，通過觀察CPU模塊上的故障指示燈或利用故障診斷工具來診斷故障。硬件模擬法是使用一些硬件設(shè)備模擬產(chǎn)生現(xiàn)場的信號，并將這些信號以硬接線的方式連到PLC系統(tǒng)的輸入端，進行測試。

6.2 軟件調(diào)試

在模擬調(diào)試合格的前提下，將PLC與現(xiàn)場設(shè)備連接，將PLC的工作方式置為“RUN”。反復(fù)調(diào)試，消除可能出現(xiàn)的問題。

使用變量表可以在一個畫面中同時監(jiān)視、設(shè)置和修改用戶感興趣的全部變量，在變量表中可以賦值或顯示的變量包括輸入、輸出、位存儲器、定時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)塊內(nèi)的存儲器和外設(shè)I/O。

基本步驟如下：

(1) 生成新的變量表或打開已存在的變量表，編輯和檢查變量表的內(nèi)容。

(2) 建立計算機與CPU之間的硬件連接，將用戶程序下載到PLC。在變量表窗口中用菜單命令“PLC”→“Connect to”建立當(dāng)前變量表與CPU之間的在線連接。

(3) 用菜單命令“Variable”→“Trigger”選擇合適的觸發(fā)點和觸發(fā)條件。

(4) 將PLC由STOP模式切換到RUN-P模式。

(5) 用菜單命令“Variable”→“Monitor”或“Variable”→“Modify”激活監(jiān)視或修改功能。

在調(diào)試時應(yīng)充分考慮各種可能的情況，對系統(tǒng)各種不同的工作方式、有選擇序列的功能表圖中的每一條支路、各種可能的進展路線，都應(yīng)逐一檢查，不能遺漏。發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時修改梯形圖和PLC中的程序，直到在各種可能的情況下輸入量與輸出量之間的關(guān)系完全符合要求。如果程序中某些定時器或計數(shù)器的設(shè)定值過大，為了縮短調(diào)試時間，可以在調(diào)試時將它們減小，模擬調(diào)試結(jié)束后再寫入它們的實際設(shè)定值。

6.3 聯(lián)動調(diào)試

聯(lián)動調(diào)試是對通過模擬調(diào)試的程序進行進一步的在線統(tǒng)調(diào)。聯(lián)動調(diào)試過程應(yīng)循序漸進、逐步進行，如不符合要求，則對硬件和程序作調(diào)整，通常只需修改部分程序即可。全部調(diào)試通過后，經(jīng)過一段時間的考驗，系統(tǒng)就可以投入實際運行了。試運一定時間且系統(tǒng)運行正常后，可將程序固化在存儲器中，做好備份。

7 結(jié)語

該項目投運后，實現(xiàn)了PLC控制，滿足了工藝要求，運行可靠；滿足了實際生產(chǎn)要求，保證了整個車間冷卻用水，意義重大，經(jīng)濟效益可觀。

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2014-11-06

宋杰(1977—)，男，江蘇徐州人，工程師，主要從事電氣傳動及自動化控制、工程和設(shè)備管理工作。