CCTS及CoDeSys開發(fā)平臺軟件在威鋼轉(zhuǎn)底式加熱爐中的應用

中冶賽迪電氣技術有限公司 袁超

1 項目簡介

威鋼轉(zhuǎn)底式加熱爐是賽迪和四川威遠鋼鐵集團共同投資新建的節(jié)能環(huán)保示范工程。轉(zhuǎn)底式加熱爐是利用混合煤氣加熱軋鋼氧化鐵皮或除塵搜集的粉塵從而生產(chǎn)出直接還原鐵供煉鋼用。較之作為燒結(jié)摻合料經(jīng)燒結(jié)、煉鐵等工序再送往煉鋼，金屬回收率高，生產(chǎn)流程短，能源利用效率高，對環(huán)境影響小。轉(zhuǎn)底爐設備包括轉(zhuǎn)底爐本體設備（上料設備、環(huán)形爐底機械、螺旋出料設備、出料收集裝置），環(huán)形加熱爐，冷卻除塵系統(tǒng)和造球設備等。其工藝流程為：上料→預熱段→加熱段（爐底機械旋轉(zhuǎn)）→螺旋出料→出料冷卻→出料收集。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

由于轉(zhuǎn)底式加熱爐對工藝穩(wěn)定性和安全性要求較高，本系統(tǒng)控制器采用賽迪自主研發(fā)的賽迪核心工藝控制器CCTS。系統(tǒng)的各個遠程分布式I/O采用美國GE公司的VersaMax系列模塊，系統(tǒng)配置了1臺工程師站和2臺三維的HMI操作站。

2.1 硬件構(gòu)成

系統(tǒng)選擇賽迪核心工藝控制器CCTS，它是針對高性能、高可靠性設計的工藝控制器。控制器內(nèi)部分為3個層次：硬件層、操作系統(tǒng)層、軟件開發(fā)平臺層，如圖1所示。

圖1 CCTS系統(tǒng)構(gòu)成圖

（1）硬件層：VME機架、CPU、通信模板、IO模板等。

（2）操作系統(tǒng)層：采用實時操作系統(tǒng)VxWorks，該層包括通信模板、I/O模板等驅(qū)動、操作系統(tǒng)內(nèi)核、應用程序。

（3）軟件平臺層：采用CoDeSys軟件開發(fā)平臺，包括CoDeSys Runtime System、通信層、CoDeSys Automation Platform、控制程序開發(fā)平臺、HMI開發(fā)平臺。

2.2 網(wǎng)絡構(gòu)成

系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)主要由以太網(wǎng)和Prof ibus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡構(gòu)成，如下圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)圖

CCTS控制器和HMI操作員站通過以太網(wǎng)連接。工程師站通過以太網(wǎng)和控制器連接進行程序下載，調(diào)試。控制器以太網(wǎng)口采用CPU自帶的百兆千兆自適應以太網(wǎng)口。

現(xiàn)場的遠程I/O模塊和傳動裝置控制（驅(qū)動）器則通過Profi bus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡連接。控制器Prof ibus網(wǎng)卡采用赫優(yōu)訊的PMC接口板卡。板卡直接插在CPU的PMC擴展接口上，最快通訊速率達到12Mbit/s。

2.3 軟件構(gòu)成

（1）PLC控制應用程序

控制器的組態(tài)編程工具是CTool系統(tǒng)軟件。CTool系統(tǒng)軟件由中冶賽迪在德國3S軟件公司的CoDeSys Automation Plat form軟件開發(fā)平臺中間件上開發(fā)而成，并集成了賽迪核心工藝控制器的硬件。CTool編程界面如圖3所示。

圖3 CToo l編程界面

C Tool系統(tǒng)軟件符合完整版本的IEC 61131-3標準，支持IL、ST、 FBD 、LD、 CFC、 SFC 六種編程語言，適用于所有的工業(yè)控制任務。CTool系統(tǒng)軟件在實時性和穩(wěn)定性方面非常出眾，最快的任務周期可以達到0.5ms。

（2）L1的HMI應用程序

為增強工程項目的市場競爭力，采用iconics公司的GENESIS 64三維HMI軟件編輯系統(tǒng)。該三維HMI軟件除了具有普通HMI的功能外，還能通過三維動畫的方式動態(tài)地展示整個工藝過程。控制器與HMI客戶機的通訊采用OPC Server通訊方式。OPC Server采用德國3S軟件公司開發(fā)的 CoDeSys OPC Server 產(chǎn)品。三維操作界面如圖4所示。

圖4 三維操作畫面

3 控制系統(tǒng)的功能

轉(zhuǎn)底加熱爐控制功能分為儀控燃燒控制功能和電控的上下料和爐底機械控制功能。

3.1 儀控功能

儀控功能主要包含各段燃燒控制、煤氣，空氣總管壓力控制、爐膛壓力控制、稀釋風控制和熱風放散控制等。

各段燃燒控制采用雙交叉限幅串級調(diào)節(jié)。在平衡狀態(tài)下，煤氣和空氣側(cè)的流量調(diào)節(jié)器的設定值均由PID溫度調(diào)節(jié)器的輸出決定。但在非平衡狀態(tài)下進行的雙交叉限幅調(diào)節(jié)過程中的煤氣和空氣側(cè)的流量調(diào)節(jié)器設定值不完全由溫度調(diào)節(jié)器的輸出決定，而是通過雙交叉限幅投入的方式。這樣可以使煤氣流量的變化速度始終不超過空氣流量的變化速度；另一方面能避免因為煤氣過量和空氣過量互相干擾引起的波動，保證燃燒過程在最佳燃燒段進行。

煤氣空氣總管壓力控制采用普通PI閉環(huán)調(diào)節(jié)。由于壓力控制響應很快，所以比例系數(shù)取得比較小，同時通過積分調(diào)節(jié)消除穩(wěn)態(tài)誤差。

爐膛壓力控制采用爐壓自學習控制: 當空氣和煤氣流量發(fā)生較大變化時會對爐內(nèi)壓力形成干擾，這種干擾采用常規(guī)的控制方法不能消除，須進行爐壓自學習控制。

為使換熱器入口處溫度在規(guī)定溫度以下，采用稀釋風控制方案，當換熱器入口處煙道溫度高于設定值時，自動進行摻稀釋風控制，以降低入口溫度保護換熱器。為保護換熱器及保持加熱爐工況所需的最小風量，采用熱風放散控制方案。

3.2 電控功能

轉(zhuǎn)底爐電氣設備分為冷卻機、料罐、螺旋出料機、電液推桿、爐底機械、布料器和震動給料機。啟動時需要先啟動出料端，最后才啟動進料端。具體運行流程如圖5所示。

圖5 電控功能啟動流程圖

4 技術優(yōu)勢和應用體會

本次使用賽迪核心工藝控制器和德國3S軟件公司CoDeSys產(chǎn)品和技術，主要體會有以下幾點：

（1）強大的運算能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性：賽迪核心工藝控制器和德國3S軟件公司的CoDeSys軟件集成后擁有了強大的運算能力，使整體系統(tǒng)可以在1ms掃描周期下運行700個閉環(huán)調(diào)節(jié)，同時系統(tǒng)的穩(wěn)定性也表現(xiàn)地十分出色。

（2）強大的網(wǎng)絡診斷功能：整個系統(tǒng)有十幾個Profibus的遠程站和傳動裝置控制器。CoDeSys軟件使系統(tǒng)提供的診斷功能可以實時地顯示從站的狀態(tài)，從站斷線重連后也能及時得到反應，給調(diào)試工作帶來了很大的方便。

（3）應用程序可運行在不同掃描周期內(nèi)：對于有不同刷新速率要求的程序可以被設定運行在不同的掃描周期內(nèi)。閉環(huán)調(diào)節(jié)可以運行在1ms的掃描周期內(nèi)，以便達到實時的調(diào)節(jié)效果。對實時性要求不高的啟動邏輯等控制任務則可以運行在20ms的掃描周期內(nèi)，從而大大節(jié)約了CPU的資源。

（4）在CoDeSys軟件編程環(huán)境下的組態(tài)編程支持開發(fā)者使用從CFC、梯形圖到SFC等多種編程語言，應用十分靈活和便利。對于閉環(huán)調(diào)節(jié)回路則可以采用CFC來編寫。而順序啟動邏輯程序可以在SFC里面十分便捷地完成。

（5）模擬功能，賽迪核心工藝控制器編程軟件CTool在不進行硬件連接的情況下可以完全通過軟件仿真的方式來運行用戶程序。這個功能在實驗室集成測試時可以對程序進行充分的測試，從而大大縮短了現(xiàn)場調(diào)試時間。