尹振亭，趙占國(guó)

（天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科技水平提升，我國(guó)鋼鐵冶金行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)壓力逐漸增大，因此企業(yè)在生產(chǎn)中紛紛采取創(chuàng)新模式，通過(guò)加大對(duì)信息化技術(shù)的應(yīng)用提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率，有利于提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。PLC技術(shù)在電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用非常關(guān)鍵，提高了自動(dòng)化控制水平，因此PLC技術(shù)在鋼鐵冶金企業(yè)中的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景，促進(jìn)了我國(guó)鋼鐵冶金行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展[1]。

1 基本概念概述

1.1 電力傳動(dòng)系統(tǒng)

對(duì)于電力傳動(dòng)裝置而言，其構(gòu)成部分主要由電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)、控制設(shè)備，以及電源構(gòu)成，這些部件設(shè)計(jì)了能量的多種形式轉(zhuǎn)換，使得能量在電能、機(jī)械能之間進(jìn)行密切的交換，進(jìn)而將能源隨時(shí)調(diào)動(dòng)為自己所需要的能源狀態(tài)，進(jìn)而完成能量的分配且不會(huì)造成額外的浪費(fèi)。在系統(tǒng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程當(dāng)中，一方面嚴(yán)格按照設(shè)定的程序進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，另外一個(gè)方面也會(huì)結(jié)合當(dāng)前自身的狀況做出積極的調(diào)整，起到一個(gè)簡(jiǎn)要的自我保護(hù)機(jī)制，避免內(nèi)在能量過(guò)于龐大造成自身器件的損傷。而且伴隨著科技實(shí)力的逐漸加強(qiáng)，電能的運(yùn)轉(zhuǎn)效率和運(yùn)轉(zhuǎn)功率也越來(lái)越大，機(jī)械的自身屬性也越來(lái)越煩雜，技術(shù)水平越來(lái)越高，這不單單是對(duì)于機(jī)械自身體積的擴(kuò)大化演變，更是對(duì)于其內(nèi)在構(gòu)造的復(fù)雜化和精密化演變。這一切演變的目的，都是為了更好的實(shí)現(xiàn)電力的運(yùn)輸和調(diào)用。

1.2 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)，是基于現(xiàn)代的科技文化水平，從自動(dòng)化逐步延伸過(guò)來(lái)的具備一定自我判斷能力的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的好處就在于可以大幅度精簡(jiǎn)人工操作的反應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的迅速反應(yīng)，輔助人工進(jìn)行一些復(fù)雜工程的實(shí)現(xiàn)，通常被運(yùn)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、通訊等領(lǐng)域，在冶金領(lǐng)域也有著很廣泛的使用場(chǎng)景。其中PLC就是最為常見的一種智能控制技術(shù)，PLC 是可編程邏輯控制器的簡(jiǎn)稱，PLC 技術(shù)是一種編程技術(shù)，通過(guò)編程對(duì)設(shè)備發(fā)出指令，從而可以對(duì)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行操作，通過(guò)PLC 技術(shù)的應(yīng)用可以提高鋼鐵冶金行業(yè)的產(chǎn)能，提高機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的效率，從而實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。另外通過(guò) PLC 技術(shù)的應(yīng)用可以提高資源的配置率，減少對(duì)能源的浪費(fèi)，保護(hù)環(huán)境節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)節(jié)約型生產(chǎn)[2]。

2 冶金設(shè)備電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的智能控制的具體應(yīng)用

2.1 信息采集和輸入

基于冶金設(shè)備的新型自動(dòng)化電氣控制技術(shù)，其關(guān)鍵就是能夠編程的控制芯片，工作人員可以按照應(yīng)用場(chǎng)所的不一樣而采取不一樣的控制芯片。通常而言，一般會(huì)選擇的可編程控制器的芯片，其特征表現(xiàn)為單位面積比較小、重量較輕以及損耗較低。然而有些時(shí)候也會(huì)參考目前的形勢(shì)，工作人員會(huì)優(yōu)先選取有著比較快的運(yùn)算速度以及儲(chǔ)存量比較龐大的控制芯片?；谝苯鹪O(shè)備的新型自動(dòng)化電氣控制技術(shù)中的信息采集與輸入是其計(jì)算過(guò)程的首先階段，在實(shí)現(xiàn)編輯指令的控制過(guò)程中，對(duì)設(shè)備工作區(qū)域進(jìn)行綜合全面的掃描，采集到設(shè)備工作區(qū)域詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)設(shè)備工作區(qū)域的具體狀態(tài)進(jìn)行整合評(píng)價(jià)與分析。

2.2 發(fā)送指令

在具體的冶金設(shè)備控制過(guò)程之中，會(huì)有諸多的控制變量，比方說(shuō)壓力等，這些控制變量始終是處于一個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)境之下的，聯(lián)系電氣設(shè)備的運(yùn)行需求，自動(dòng)化能夠市場(chǎng)的調(diào)改有關(guān)的控制變量狀態(tài)，聯(lián)系可編程控制器，能夠最大化的模擬出控制過(guò)程中的變量，借助于一定的手段，完成控制變量的轉(zhuǎn)換狀態(tài)，模擬出控制變量的安全性達(dá)到預(yù)期狀態(tài)，冶金設(shè)備對(duì)模擬量的運(yùn)行追蹤，進(jìn)而提供及時(shí)有效的控制手段。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程之中，必須完成對(duì)基本功能的設(shè)置，用戶選項(xiàng)能夠被系統(tǒng)及時(shí)查明出來(lái)，之后發(fā)出穩(wěn)定的程序指令，利用全面性的掃描設(shè)施，將設(shè)備工作現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)評(píng)判出來(lái)，根據(jù)設(shè)備的基本運(yùn)行情況，可編程控制器可以完成自動(dòng)化的計(jì)算與評(píng)判[3]。

2.3 指令執(zhí)行

技術(shù)人員借助于冶金設(shè)備的自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)的操作指令，之后根據(jù)一系列的標(biāo)準(zhǔn)與要求對(duì)設(shè)備工作區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，并按照現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況與現(xiàn)場(chǎng)指令要求進(jìn)行綜合的運(yùn)算流程與分析。在自動(dòng)化的電氣控制過(guò)程當(dāng)中，絕對(duì)不可以缺少的就是對(duì)數(shù)據(jù)的有效控制，這是一種最為基本的控制手段，比方說(shuō)統(tǒng)計(jì)內(nèi)容的控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算的控制，僅僅是就數(shù)據(jù)內(nèi)容的控制來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)的處理速度相應(yīng)的就會(huì)比較高，利用基于冶金設(shè)備的新型自動(dòng)化電氣控制技術(shù)能夠自主完成編程規(guī)劃，利用對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容的分析，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的電氣指令。

2.4 數(shù)據(jù)信號(hào)分析

當(dāng)冶金設(shè)備的控制變頻器開啟之后，其速度傳感器就會(huì)檢測(cè)出目前工作設(shè)備的扇風(fēng)機(jī)速度，并立即將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?mA～30mA的模擬電流信號(hào)，并送進(jìn)設(shè)備的模擬量擴(kuò)展環(huán)節(jié)中作為實(shí)際測(cè)速值；冶金設(shè)備接收到速度信號(hào)以后就會(huì)立即和既定的速度值進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)與底部傳感器測(cè)評(píng)到的其他參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而計(jì)算出控制量從模擬量擴(kuò)展模塊輸出值為0V～10V的電壓信號(hào)變頻器，變頻器按照輸進(jìn)電壓信號(hào)的變化幅度，控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整，從而控制處在工作狀態(tài)的扇風(fēng)機(jī)的具體數(shù)目，以及扇風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)而完成自動(dòng)化電氣控制。在冶金設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程中，比較常見的生產(chǎn)原料與產(chǎn)品稱重，是需要同時(shí)把獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整合的，這均是目前階段基于冶金設(shè)備的新型自動(dòng)化電氣控制技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中能夠在短時(shí)間完成的，其在一定意義上大大提高了設(shè)備的自動(dòng)化控制程度，從為冶金行業(yè)的生產(chǎn)效率提供了有力保證。

3 PLC在鋼鐵鋼渣處理線系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

本文研究的鋼渣處理線主要設(shè)備有卷?yè)P(yáng)機(jī)、鏈板給料機(jī)、皮帶機(jī)、鄂破機(jī)、除鐵器、振動(dòng)篩、振動(dòng)給料機(jī)、棒磨機(jī)、回轉(zhuǎn)篩和精選機(jī)。其中，由于棒磨機(jī)的功率高達(dá)500kW，選用了10kV高壓電機(jī)，其他電機(jī)都是使用380V三相交流異步電機(jī)。除了以上設(shè)備外，生產(chǎn)線還有一些輔助設(shè)備，比如報(bào)警器、盤車、水泵、皮帶秤、電動(dòng)執(zhí)行閥、除塵器等。PLC 系統(tǒng)是整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心部分，也是自動(dòng)化系統(tǒng)的大腦。控制柜設(shè)計(jì)及元器件選型是否合理，關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 PLC選型

根據(jù)輸入輸出點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，本項(xiàng)目需要配置DI數(shù)量為184個(gè)，DO數(shù)量為77個(gè)，合計(jì)共261個(gè)點(diǎn)數(shù)。PLC按照點(diǎn)數(shù)可以分為小型、中型和大型PLC，其中小型PLC點(diǎn)數(shù)一般在128點(diǎn)以下，中型PLC點(diǎn)數(shù)在128～2048點(diǎn)之間，大型PLC點(diǎn)數(shù)在2048點(diǎn)以上，所以本項(xiàng)目采用中型PLC。

3.2 PLC硬件配置

西門子中型PLC主要有S7-300系列，CPU模塊主要分為緊湊型、標(biāo)準(zhǔn)型、運(yùn)動(dòng)控制型和故障安全型這四種。本項(xiàng)目對(duì)運(yùn)動(dòng)控制和故障安全沒有特殊要求，支持運(yùn)動(dòng)控制和故障安全的CPU成本較高，所有本項(xiàng)目不采用這兩種。本項(xiàng)目采用西門子中型PLC，需配置一路RS485/MPI接口，用于監(jiān)控鄂破機(jī)，一路網(wǎng)絡(luò)接口，用于編程調(diào)試和中控監(jiān)控，還需配置RS485/MODBUS接口，用于采集儀表數(shù)據(jù)。在對(duì)CPU選型時(shí)，出于成本考慮，在滿足技術(shù)要求的前提下，盡快選用成本較低的方案。通過(guò)對(duì)緊湊型和標(biāo)準(zhǔn)型CPU進(jìn)行技術(shù)和成本方面對(duì)比，本論文CPU模塊選用的型號(hào)是CPU 314C-2 PtP，該CPU模塊本體集成了24路數(shù)字量輸入，16路數(shù)字量輸出，5路模擬量輸入和1路模擬量輸出，本體上也集成一個(gè)RS485接口和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口。按照前面統(tǒng)計(jì)的DI/DO點(diǎn)數(shù)，配置了5個(gè)32點(diǎn)數(shù)字量輸入模塊和2個(gè)32點(diǎn)數(shù)字量輸出模塊，實(shí)際DI點(diǎn)數(shù)為184個(gè)，DO點(diǎn)數(shù)為80個(gè)，該配置滿足需求。CPU 314C-2 PtP本體上集成了一個(gè)RS485接口，該接口支持MPI/DP協(xié)議，該接口可以作為鄂破機(jī)通信接口。通過(guò)MODBUS通信協(xié)議的設(shè)備共有52臺(tái)，若將52臺(tái)設(shè)備全部用一個(gè)RS485進(jìn)行采集的話，數(shù)據(jù)更新周期較長(zhǎng)，若出現(xiàn)幾臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)通信故障，數(shù)據(jù)更新時(shí)間將會(huì)更長(zhǎng)，考慮到通信掃描周期，配置兩個(gè)RS485/MODBUS接口進(jìn)行采集數(shù)據(jù)。PLC硬件配置如圖1所示。

圖1 PLC硬件配置

本項(xiàng)目采用了兩臺(tái)S7-200 SMART作為MODBUS主站，其中一臺(tái)專門采集皮帶機(jī)數(shù)據(jù)，其余儀表掛在另一臺(tái)S7-200 SMART上。CPU本體沒有集成RS485/MODBUS接口，需另外配置模塊，S7-300中通信模塊CP 341支持MODBUS協(xié)議，CP 341可以配置成MODBUS主站或者從站，CP 341模塊加上MODBUS授權(quán)成本突破萬(wàn)元，出于成本的考慮，在本系統(tǒng)中不考慮這種通信方式。西門子PLC在網(wǎng)絡(luò)通信方面比較強(qiáng)大，不同系列的PLC可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，采用西門子小型PLC作為采集數(shù)據(jù)MODBUS主站，可以大大節(jié)省成本，在本系統(tǒng)中采用西門子S7-200 SMART系列 PLC，型號(hào)為 ST20，空開、中間繼電器采用施耐德品牌，端子排采用魏德米勒品牌。在 PLC程序編程和組態(tài)畫面設(shè)計(jì)完成后，可以利用西門子仿真軟件 S7-PLCSIM 進(jìn)行調(diào)試，可以減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間和成本。

3.3 應(yīng)用成果

系統(tǒng)調(diào)試完成后，交付給客戶使用，到目前為止，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行情況良好，基本達(dá)到使用要求。

綜上所述，在鋼鐵冶金行業(yè)中應(yīng)用 PLC 技術(shù)可以提高生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，并降低生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的危險(xiǎn)系數(shù)，保障工作人員的安全。隨著我國(guó)鋼鐵冶金行業(yè)的不斷發(fā)展，PLC 技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，在各環(huán)節(jié)中 PLC技術(shù)的應(yīng)用可以發(fā)揮自動(dòng)化水平，提高鋼鐵冶金的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精準(zhǔn)化控制。在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中要加大對(duì)自動(dòng)化控制技術(shù)的研發(fā)，完善 PLC 技術(shù)的應(yīng)用，優(yōu)化傳統(tǒng)生產(chǎn)流程，促進(jìn)我國(guó)鋼鐵冶金行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。