基于Siemens S7-400PLC 的燒結(jié)過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐曉鶴 陳 靖 牛傳峰

（山東萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司 自動(dòng)化部，山東 萊蕪 271104)

1 引言

唐山瑞豐鋼鐵集團(tuán)198m2燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)線是2008年6月建成投產(chǎn)，該生產(chǎn)線是由配料系統(tǒng)、燒結(jié)機(jī)、篩分系統(tǒng)、點(diǎn)火爐、膠帶輸送機(jī)、成品礦倉(cāng)等組成。整個(gè)燒結(jié)生產(chǎn)線采用西門子S7-400 組成控制系統(tǒng)，滿足了生產(chǎn)工藝要求，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。

2 硬件構(gòu)成

該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用研華上位機(jī)、SiemensS7-400PLC 兩級(jí)控制系統(tǒng)，PLC 系統(tǒng)CPU 采用CPU414-2DP，各子站與主站采用Profibus-DP，通訊模板選用CP443-1 通訊模塊，遠(yuǎn)程I/O 站采用ET200M，穩(wěn)定性強(qiáng)，節(jié)約成本。上位監(jiān)控軟件選用西門子公司的Wincc6.0。PLC 通過(guò)PROFIBUS-DP 網(wǎng)與遠(yuǎn)程I/O 站、變頻器，實(shí)現(xiàn)了控制要求。

3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)是一個(gè)基于Profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式控制，系統(tǒng)最低層是設(shè)備控制層，主要完成設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)控制與監(jiān)控，第二層是監(jiān)控層，主要完成燒結(jié)系統(tǒng)的在線監(jiān)控，并向控制層發(fā)送控制命令。主站與配料，混合，篩分的ET200M 遠(yuǎn)程機(jī)架，通過(guò)的PROFIBUS-DP 網(wǎng)進(jìn)行通訊，PROFIBUS-DP 是目前國(guó)際通用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，已成為最重要的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。保證了通訊的穩(wěn)定性。在主控室設(shè)有電視監(jiān)控站和操作員工作站，通過(guò)操作站下達(dá)生產(chǎn)指令，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。燒結(jié)自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如下圖1 所示。

4 控制功能

系統(tǒng)主要控制功能包括主工藝參數(shù)設(shè)定、設(shè)備連鎖啟停、主工藝參數(shù)的瀏覽和查詢等，PLC 將采集的各設(shè)備狀態(tài)、料流量、倉(cāng)位量通過(guò)以太網(wǎng)送到工控機(jī)上顯示，便于生產(chǎn)工藝控制。同時(shí)Simatic wincc6.0 將各電機(jī)實(shí)際速度、電流信號(hào)、配料倉(cāng)下料量、倉(cāng)位信號(hào)的數(shù)據(jù)保存歷史記錄，有利于設(shè)備、生產(chǎn)故障原因查詢。

4.1 自動(dòng)配料系統(tǒng)

配料系統(tǒng)是生產(chǎn)燒結(jié)礦的核心部分，對(duì)配料的精度可靠性和保密性要求都很高。自動(dòng)配料系統(tǒng)采用質(zhì)量配料法，各種含鐵、碳、硅在這里按操作員輸入的配比通過(guò)稱量設(shè)備配料。配料的精確度直接影響燒結(jié)礦含量的穩(wěn)定性，所以對(duì)控制系統(tǒng)提出了較高的要求。其控制原理如圖2。

自動(dòng)配料系統(tǒng)主要由PLC、給料裝置、稱量裝置、變頻器等組成。操作人員通過(guò)操作員站輸入各種原料的化學(xué)成分及配比，流量信號(hào)經(jīng)稱量設(shè)備、稱重顯示器轉(zhuǎn)換為4～20mA的信號(hào)輸入到功能模塊，與設(shè)定值比較，經(jīng)FB41 連續(xù)控制塊的PID 運(yùn)算，把得出的控制字通過(guò)Profibus-DP 總線傳至變頻器，變頻器根據(jù)這個(gè)信號(hào)控制給料裝置電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使各臺(tái)給料裝置的給料量在設(shè)定值的上下做輕微波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配料功能。其PID 算法如下：設(shè)Y(t)為t 時(shí)刻的下料量的設(shè)定值，Y(t)為t 時(shí)刻的下料偏差，設(shè)此時(shí)控制系統(tǒng)的控制輸出為 u(t)，u(t)=Kpfe(t)+I/丁 if e(t)dt+Td[de(t)/dt]}，其中 K”Ti、1Id、分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)，通過(guò)調(diào)整這三個(gè)系數(shù)可以改變控制輸出，取得較好的控制效果。

4.2 混合料水分自動(dòng)控制

在一、二次混合中還需加適當(dāng)?shù)乃浚员ＷC燒結(jié)礦的透氣性，提高產(chǎn)量和質(zhì)量。一次混合加水量與原料的原始含水量有關(guān)；二次加水，使混合料的含水量達(dá)到二次混合加水設(shè)定的目標(biāo)值，以提高透氣性；一次加水按粗略的加水百分比進(jìn)行定值控制，二次加水采用PID 控制，設(shè)定好目標(biāo)含水量，根據(jù)測(cè)得的目前含水量，與目標(biāo)含水量進(jìn)行比較，與給定偏差進(jìn)行反饋校正，實(shí)現(xiàn)水分的自動(dòng)控制。控制原理如圖3。

4.3 燒結(jié)點(diǎn)火爐控制

燒結(jié)點(diǎn)火爐控制系統(tǒng)主要完成燒結(jié)點(diǎn)火爐相關(guān)參數(shù)的檢測(cè)和控制，如點(diǎn)火爐爐膛壓力、點(diǎn)火爐點(diǎn)火段溫度、點(diǎn)火爐預(yù)熱段溫度、煤氣壓力、煤氣流量、助燃空氣壓力、助燃空氣流量等參數(shù)的手自動(dòng)控制。并通過(guò)數(shù)據(jù)顯示畫面和歷史趨勢(shì)畫面實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，并有報(bào)警／歷史記錄等功能。

4.4 無(wú)擾動(dòng)切換

在上述自動(dòng)調(diào)節(jié)中，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/PID 無(wú)擾動(dòng)快速切換，要求切換前后控制量或被控量平均值相等，所以，必須先計(jì)算切換前控制量或被控量平均值，然后再切換，才能達(dá)到對(duì)工藝的影響最小，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。先在上位機(jī)跟蹤計(jì)算出當(dāng)時(shí)每分鐘被控量平均值；將此值作為自動(dòng)初始時(shí)的給定值；在自動(dòng)向手動(dòng)切換時(shí)，先在上位機(jī)跟蹤計(jì)算出當(dāng)時(shí)每分鐘控制量平均值，將此值作為手動(dòng)初始時(shí)的控制值。PID 控制可以在手動(dòng)控制與自動(dòng)控制之間無(wú)擾動(dòng)切換。

5 監(jiān)控系統(tǒng)

整個(gè)燒結(jié)控制系統(tǒng)的監(jiān)控畫面采用WinCC6.0+SQLserver2000 來(lái)實(shí)現(xiàn)。監(jiān)控系統(tǒng)完成：工藝畫面監(jiān)控、通訊配置、人機(jī)接口功能。

5.1 總貌畫面

顯示整個(gè)工藝流程中各設(shè)備、裝置、區(qū)域的運(yùn)行狀態(tài)及過(guò)程參數(shù)變量的狀態(tài)、設(shè)定/測(cè)量值、高低報(bào)警等信息。軟件界面如圖4。

5.2 分組畫面

按工藝要求分組顯示某段工藝、某段生產(chǎn)工藝流程圖、過(guò)程參數(shù)變量的測(cè)量值、調(diào)節(jié)器的設(shè)定值、輸出值、控制方式、報(bào)警、狀態(tài)等信息。

5.3 趨勢(shì)畫面

可顯示多點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)值，其歷史趨勢(shì)數(shù)據(jù)可自動(dòng)存放在硬盤上，并根據(jù)用戶要求設(shè)置保存時(shí)間。

5.4 報(bào)警畫面

按優(yōu)先級(jí)顯示當(dāng)前正在進(jìn)行的過(guò)程參數(shù)報(bào)警和系統(tǒng)硬件報(bào)警。

5.5 棒狀圖

以水平或垂直方式多點(diǎn)顯示過(guò)程變量的實(shí)時(shí)變化。

5.6 生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)報(bào)警、設(shè)備，重要設(shè)備事故按優(yōu)先級(jí)顯示報(bào)警信息。

6 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)，提高了數(shù)據(jù)的可靠性、正確性和計(jì)算準(zhǔn)確率，極大節(jié)約了人員，減輕了實(shí)際操作人員的計(jì)算負(fù)擔(dān)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常。運(yùn)行可靠，性能穩(wěn)定，保證了該廠燒結(jié)礦質(zhì)量的穩(wěn)步提高。

[1]廖常初.S7-300／400 PLC 應(yīng)用技術(shù) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2OO5

[2]西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊指南

[3]冶金原料生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)