S7-300PLC在熱處理爐脈沖控制系統中的應用

楊玉薇

在工業領域中，材料的熱處理離不開各種熱處理爐，而材料的處理性能與爐子的溫控精度密切相關。

1 系統構成

本文所述控制系統主要由硬件和軟件兩部分組成。上位機負責監控系統的運行狀態，由SIMATIC S7-300 PLC負責采集系統需要的數據，如溫度、壓力、流量、各閥門位置反饋等，再將各數據經由程序運算（PID/；Fuzzy control）后，將合適狀態轉換成相應的4～20 mA、+24 V等控制信號輸出至各個電動執行機構、開關閥、電機等電控設備，從而實現對熱處理爐溫度及壓力等的自動控制。

1.1 系統硬件組成

主要由PLC系統和上位機組成（見圖1）。

（1）PLC 系統

圖1 熱處理爐控制系統硬件組成框圖

SIMATIC S7-300 PLC主要由主機架底版（RACK）、CPU(315-2DP)、電源模塊 （PS 30710A）、通訊卡（CP 343-1）、2個IM153-2和若干個AI、AO、DI、DO模塊組成的遠程站及交換機組成。ET200遠程控制柜與各個現場設備通過專用儀表信號線纜或者屏蔽電纜連接，在STEP 7中硬件組態。

其中電源模塊負責整個PLC系統的供電，CPU負責程序運算，通訊卡（CP 343-1）和交換機負責SIMATIC S7-300 PLC與2級能源管理系統和2臺上位機間的工業以太網 (Industrial Ethernet)通訊。SIMATIC S7-300 PLC與ET200遠程控制柜間采用PROFIBUS DP通訊。在ET200遠程站硬件組態中IM153-2模塊負責與CPU的通訊，I/O模塊負責信號采集和控制輸出功能。使用遠程站可以將遠程柜擺放于現場設備的位置附近，信號現場采集，通過通訊線傳遞給CPU，節省大量電纜，也減少了故障點并降低信號通過電纜傳輸過程中被干擾的幾率。

（2）上位機

本系統上位機選用2臺SIEMENS工控機（2.8G CPU、2G內存、200G硬盤、配打印機），一臺作為工程師站（ES），一臺作為操作員站（OS）。其中工程師站（ES）不僅可以完成整個系統的工藝流程、設備運行狀態的顯示和監控、實時曲線的顯示、歷史數據的保存、權限管理、報警、打印等功能，還能在線修改、編譯、保存程序，在方便調試的同時，也實現了上位機方面的冗余功能，當一臺上位機出現故障的時候，另一臺上位機可以正常使用，保證熱處理爐正常生產。

1.2 軟件構成

本系統軟件平臺采用Windows XP Professional，編程應用軟件采用SIMATIC STEP7 V5.4+SP3，完成下位機S7-300 PLC基礎自動化程序的硬件組態及軟件編程；上位機采用工控軟件WinCC V6.2編程組態，另外由于LAD、STL等傳統編程語言在編程實現復雜的Fuzzy control算法（模糊控制）時比較吃力，我們還引入了最新的結構化文本編程軟件包（SCL），既簡化了編程，也增加了程序的可讀性。

2 系統控制及實現

熱處理爐控制系統在控制功能上主要由：安全連鎖保護系統、爐門臺車側密封連鎖系統、鼓風機恒壓供風系統、燃氣總管調壓系統、溫度曲線設定系統、爐膛壓力控制系統、脈沖燃燒溫度控制系統、故障報警系統等8大子系統組成，下面針對以上各子系統逐一分析，并且重點解釋溫度曲線和脈沖燃燒控制系統。

2.1 安全連鎖保護子系統

由于該熱處理爐為燃氣爐，因此運行時必須滿足相應的開爐條件，如燃氣壓力正常、系統儀表氣源正常、鼓風機運行正常、系統低壓供配電電源正常等條件。為此選用壓力變送器、電接點繼電器等元件通過PLC時刻監視系統壓力、電源等的狀態，在停爐狀態下，當任意一條開爐條件不滿足時，系統均不允許開爐；系統運行過程中一旦任意一條件丟失，系統都將自動切斷燃氣總管閥門并警報，保證加熱安全運行。

2.2 爐門臺車側密封連鎖系統

爐門臺車側密封連鎖系統是控制爐門臺車側密封運動的系統，通過事先調試好的各個限位開關，保證爐門、臺車等的動作順序，并在限位內運行，以保護相關各設備不因誤操作損壞。

2.3 鼓風機恒壓供風系統

鼓風機恒壓供風系統是由安裝在空氣管道上的壓力變送器、PLC、風機變頻器等組成的閉環控制系統。由壓力變送器負責將管道內的風壓信號轉換為4～20 mA的電流信號傳輸給PLC，由程序判斷現場實際值與設定值的差，結合經典PID算法，由PLC向變頻器輸出信號控制風機轉速，實現風壓的控制。

2.4 燃氣總管調壓系統

由于熱處理爐燒嘴嘴前需要保持基本恒定的燃氣壓力，所以需要將燃氣總管的壓力控制在一定范圍內。燃氣總管調壓系統是由安裝在燃氣管道上的壓力變送器、PLC、電動調節閥組成的閉環控制系統。由壓力變送器負責將管道內的燃氣壓力信號轉換為4～20 mA的電流信號傳給PLC，經判斷現場實際值與設定值之差，結合PID算法，控制電動調節閥的開度，實現燃氣壓力的控制。

2.5 溫度曲線設定系統

熱處理爐溫度曲線設定系統就是允許操作者在上位機的畫面上按照一定的規則和工藝曲線，設定未來一段時間內的爐溫自動運行理想曲線，曲線設定成功后，爐子會自動按照設定的曲線，控制燒嘴的大小火動作，使實際爐溫按照設定值進行變化，提高了控制精度，降低了操作人員的工作強度。本系統允許最多設定8段溫度曲線，完全可以滿足生產要求，但是每段區間時間不得設為0（見圖2、圖 3）。

圖2 某熱處理工藝曲線

圖3 自動升溫曲線SCL程序實圖

2.6 爐膛壓力控制系統

爐膛壓力控制系統控制原理與前述風壓控制系統、燃氣壓力控制系統類似，只是取壓元件與受控設備不同。

2.7 脈沖燃燒溫度控制系統

脈沖燃燒溫度控制系統是熱處理爐控制系統中的核心部分，是熱處理爐控制系統成敗的關鍵。眾所周知，燃氣爐在控制過程中，有大慣性、時變、滯后性等特點。傳統的控制理論對于簡單明確的系統有強而有力的控制能力，但對復雜或難以精確描述的系統，傳統的控制算法總是達不到理想效果，控溫精度差強人意。因此本文嘗試以模糊控制理論來處理這些控制問題。取設置溫度與實際測量溫度之差，將差值與正負兩方向的誤差范圍相比較，分出若干等級：

NB=負方向大的偏差 (Negative Big)；

NM=負方向中的偏差 (Negative Medium)；

NS=負方向小的偏差 (Negative Small)；

ZO=近于零的偏差 (Zero)；

PS=正方向小的偏差 (Positive Small)；

PM=正方向中的偏差 (Positive Medium)；

PB=正方向大的偏差 (Positive Big)。

按照誤差等級分別配以不同的大小火燃燒方式和燃燒時間以控制爐膛溫度。

2.8 故障報警系統

本系統結合PLC的運算能力和WINCC的強大報警模塊功能，實現了系統運行中各個量的報警觸發，當系統中某個過程值達到報警限時，系統自動發出警報并在HMI畫面上顯示報警部位及報警值。故障嚴重時將觸發停爐保護系統，保證系統安全運行。

3 應用效果

至今，該控制系統已在多臺熱處理爐上調試運行，控制穩定，控溫精度高，響應快（見圖4）。

圖4 模糊控制算法應用HMI畫面

4 結語

本文所述系統以計算機作為上位機提供良好的人機界面，進行全系統的監控和管理，以PLC作為下位機執行可靠有效的分散控制。通過模糊控制、PID控制等算法，實現了系統各設備的聯鎖控制和過程控制。既滿足熱處理爐的安全運行，又達到了節能降耗和提高控制水平的目的，取得了顯著的經濟效益和環保效益。