西門子PLC在紅土礦直接還原窯控制系統(tǒng)中的應用

周瑩超

摘要：文章以北海誠德不銹鋼集團回轉(zhuǎn)窯分廠直接還原窯的控制系統(tǒng)為例，介紹了PLC在紅土礦直接還原窯控制系統(tǒng)中的實際應用，囊括直接還原窯的生產(chǎn)工藝流程、系統(tǒng)控制方案的硬件和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。此套系統(tǒng)軟件的設計完全依據(jù)實際生產(chǎn)工藝的要求條件進行，完全滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的需求。

關(guān)鍵詞：PLC控制系統(tǒng)；紅土礦直接還原窯；生產(chǎn)工藝流程；系統(tǒng)控制方案；STEP7組態(tài)軟件 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2015）08- DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.

1 紅土礦直接還原窯的工藝流程

1.1 工藝第一階段

存放在原料場的含水成份高的紅土礦原料，經(jīng)過鏟車搬運到地下料倉，經(jīng)過板式給料機后，在帶式輸送機的傳動下，經(jīng)過濕礦破碎機破碎后，被送到烘干窯當中，這些破碎后的紅土礦經(jīng)過800℃～1200℃的廢氣和熱空氣的加熱蒸發(fā)掉大部分水分后，再經(jīng)過干破設備進行二次破碎設備的破碎，以滿足生產(chǎn)工藝對原料粒度要求的5～8mm。這樣的干礦可以直接送配料紅土礦料倉使用，也可以落地作為備用原料庫存。

1.2 工藝第二階段

各種原料包括經(jīng)過烘干的紅土礦、除塵灰、焦粉、白云石等經(jīng)過自動配料后，在帶式輸送機的傳動下，進入混合機進行混合。混合料在帶式輸送機的傳動下，進入壓球車間的混合料倉內(nèi)，經(jīng)過壓球機，制作成球的成品球礦，進入紅土礦直接還原窯窯尾的成球倉中。成球料經(jīng)過拖拉皮帶給料秤，進入直接還原窯窯內(nèi)，進行預熱、高溫還原，水淬后成品經(jīng)過撈渣機，而得到還原成品的燒結(jié)礦。

1.3 工藝第三階段

成品燒結(jié)礦在帶式輸送機的傳動下，經(jīng)過一次粗顎破、二次細顎破，在電磁除鐵器的作用下，分離出含鎳的干鎳鐵，此部分直接落地裝袋，另外一部分燒結(jié)礦再經(jīng)過一次對輥粗破、二次對輥細破，在永磁電動滾筒的作用下，分離出含鎳的高鎳鐵粉，此部分直接落地存儲，另外一部分燒結(jié)粉礦，在帶式輸送機的傳動下，進入球磨機進行研磨成細粉，再經(jīng)過三級磁選機和尾礦磁選機，分離出濕的含鎳鐵粉，尾渣由沖渣泵送到壓濾機進行除水處理，落地做后續(xù)處理。

詳細紅土礦直接還原窯工藝流程圖如圖1所示：

2 PLC控制方案

整個直接還原窯生產(chǎn)線包括很多系統(tǒng)，如原料烘干系統(tǒng)、配料系統(tǒng)、混料壓球系統(tǒng)、皮帶聯(lián)鎖系統(tǒng)、直接還原窯系統(tǒng)、窯頭噴煤系統(tǒng)、脫硫除塵系統(tǒng)、布袋除塵系統(tǒng)、靜電除塵煙氣系統(tǒng)、水冷卻系統(tǒng)以及附屬系統(tǒng)等，所有的這些系統(tǒng)都存在多個子環(huán)節(jié)，例如設備順啟順停子環(huán)節(jié)、原料配比子環(huán)節(jié)、調(diào)速電機控制子環(huán)節(jié)、現(xiàn)場過程儀表檢測子環(huán)節(jié)等等，這就使直接還原窯生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)十分復雜，若這些子環(huán)節(jié)中的任何一環(huán)出了問題，都將導致整個生產(chǎn)線產(chǎn)生嚴重的事故；考慮到生產(chǎn)線所處的環(huán)境較為惡劣、粉塵較大，并伴隨強烈的電磁干擾，整個控制系統(tǒng)采用分散控制和集中管理的分布式控制模式，采用以PLC為核心的EIC系統(tǒng)控制，構(gòu)成儀、電合一的計算機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)設備都需要有很高的可靠性要求；此外，為便于企業(yè)后期發(fā)展的需要，對系統(tǒng)設備預留備用接口。

結(jié)合上述的系統(tǒng)分析，根據(jù)紅土礦直接還原窯控制系統(tǒng)所處的特殊環(huán)境，同時考慮生產(chǎn)現(xiàn)場的綜合要求，北海誠德集團直接還原窯控制系統(tǒng)采用了西門子高性能產(chǎn)品S7-400系列工控整體控制方案。

3 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

該系統(tǒng)硬件采用了比較合理的模塊化的設計理念，同時硬件的配置和擴展模塊的使用可以使系統(tǒng)按照多種不同的要求實現(xiàn)較為靈活的組合。該系統(tǒng)硬件主要是由PS模板（電源模板）、CPU模板（中央處理單元）、SM432模板（模擬量輸出模板）、SM421模板（數(shù)字化輸入模板）、SM431模板（模擬量輸入模板）、SM422模板（數(shù)字化輸出模板）、CP443-1模板（信息通訊模板）、IM153-2模板（擴展接口模板）等多個模塊組成。該硬件系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲關(guān)系如圖2所示：

在自動化分區(qū)上分為8個控制站，分別為原料準備系統(tǒng)、配混造球系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)、破碎磁選系統(tǒng)、水系統(tǒng)。上位機監(jiān)控共有13套，分別為原料準備系統(tǒng)2套（1套操作員站+1套工程師站）、配混造球系統(tǒng)2套、回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)5套（4套操作員站+1套工程師站）、破碎磁選系統(tǒng)2套、水系統(tǒng)2套。

工廠網(wǎng)絡拓撲圖如圖3所示：

3.1 供電模板

主站選用PS407電源模板，120/230VAC輸入。

3.2 中央處理單元

該處理單元為此套控制系統(tǒng)的核心部分，所有的操作都是需由其進行才能實現(xiàn)，如外部信號掃描、數(shù)據(jù)輸出、計算和邏輯處理等工作。該硬件系統(tǒng)所選用的中央處理器為CPU417-4H，30MB RAM，它是一個帶有PROFIBUSDP主/從接口和中/大規(guī)模程序量的中央處理器。它不僅可以組成被構(gòu)造成集中式的I/O結(jié)構(gòu)，而且還可以構(gòu)造成為分布式的自動化式結(jié)構(gòu)。

3.3 擴展結(jié)構(gòu)模板

該模塊主要被用于S7-400PLC的中央機架與擴展機架之間的。

3.4 信息通訊模板

選用西門子400系列CP443-1通訊處理器，該系統(tǒng)具有很多通訊接口，如MPI接口、PROFIBUS接口及工業(yè)以太網(wǎng)接口等，并支持各種信息通訊協(xié)議。

4 軟件的構(gòu)成

4.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺概要描述

直接還原窯自動化系統(tǒng)配有13臺操作員站（部分兼工程師站）。在工程師站上安裝有完整的SIMATIC自動化系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，利用該軟件開發(fā)平臺，工程技術(shù)人員能很方便地完成整個系統(tǒng)所有的組態(tài)和編程工作，主要包括系統(tǒng)硬件設備及網(wǎng)絡組態(tài)、現(xiàn)場控制站控制程序生成、操作員站人界面程序的生成、建立實時數(shù)據(jù)庫、生成各類記錄和報表、打印各種系統(tǒng)文檔。

西門子SIMATIC自動化系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺主要包含STEP7工業(yè)控制編程軟件和WinCC人機界面編程軟件兩大部分，均可運行在微軟XP操作系統(tǒng)平臺上。

4.2 SIMATIC STEP7編程軟件

SIMATIC STEP7是一個用于SIMATIC S7可編程控制器的標準軟件，它是一種采用模塊化設計、符合國際標準、支持多種編程語言、簡單易用的編程工具。利用此編程工具，可使工程技術(shù)人員很方便地完成自動化系統(tǒng)要求的多方面功能，例如硬件的配置，參數(shù)設置，網(wǎng)絡通訊組態(tài)，程序文檔生成，控制程序的編寫、測試、啟動和維護，系統(tǒng)故障診斷等。

該編程軟件可以為用戶提供3種設計程序的方法，分別是模塊化編程方法、線性化編程方法及結(jié)構(gòu)化編程方法。針對紅土礦直接還原窯控制系統(tǒng)的復雜性，本系統(tǒng)采用了編程軟件的結(jié)構(gòu)化編程方法來進行系統(tǒng)開發(fā)，該方法對原來那些比較復雜的控制任務進行逐一分解，使之能夠更加直接反映整個的工藝、控制過程功能或能實現(xiàn)反復利用的小模塊集合。同時充分利用了西門子編程軟件本身自帶的豐富的功能模塊，比如FB（功能塊）、OB（組織塊）、DB（數(shù)據(jù)塊）和FC（功能函數(shù)）等。

4.3 上位機的SIMATIC WINCC組態(tài)軟件

系統(tǒng)采用了西門子SIMATIC WinCCV7.0 SP1版作為此套系統(tǒng)上位機的主要監(jiān)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有豐富的設置項目、使用方式非常靈活，同時自身功能十分強大。直接還原要整個系統(tǒng)所需實現(xiàn)的上位監(jiān)控及操作界面有如下：（1）原料烘干系統(tǒng)流程運行圖界面；（2）煙氣除塵脫硫塔系統(tǒng)運行圖界面；（3）靜電除塵系統(tǒng)運行圖界面；（4）多種原燃料配料系統(tǒng)流程運行圖界面；（5）混料壓球系統(tǒng)流程運行圖界面；（6）每座回轉(zhuǎn)窯工藝流程運行圖界面；（7）選礦系統(tǒng)流程運行圖界面；（8）系統(tǒng)溫度趨勢變化圖界面；（9）系統(tǒng)報警記錄圖界面；（10）系統(tǒng)壓力趨勢圖界面等。以上操作界面可以讓中控操作人員在主控室內(nèi)可以通過上位機各個系統(tǒng)界面的切換按鈕實現(xiàn)各系統(tǒng)監(jiān)控畫面相互無擾動自由切換。另外，在中控室的數(shù)據(jù)服務器后臺還可以完成對現(xiàn)場設備監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集設置與調(diào)用輸出、實時通訊、數(shù)據(jù)處理與算法實現(xiàn)、數(shù)據(jù)存儲、打印等多種

功能。

5 結(jié)語

本文以北海誠德不銹鋼集團紅土礦直接還原窯的現(xiàn)場實際使用的控制系統(tǒng)為例，介紹了國際知名品牌西門子工控硬件、編程軟件Step7和組態(tài)軟件WinCC在直接還原窯控制系統(tǒng)中的應用。

該紅土礦直接還原窯控制系統(tǒng)自2013年11月投入正常運行以來，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性都得到較好的好評，設備運行良好，事故率接近于零。此套系統(tǒng)的軟件的設計完全依據(jù)實際生產(chǎn)工藝的要求條件進行，完全滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的需求。該套系統(tǒng)使得誠德集團的紅土礦直接還原窯的成品的質(zhì)量與產(chǎn)量都得到了很大的提高，同時使得依含高鎳鐵的燒結(jié)礦為主要產(chǎn)品的整個直接還原回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)流程實現(xiàn)了高安全、高穩(wěn)定、高節(jié)能的目標，也取得了數(shù)目可觀的經(jīng)濟效益。

參考文獻

[1] 蘇昆哲，何華.深入淺出西門子WinCCV6[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[2] 廖常初.西門子工業(yè)自動化系列教材：S7-300/400PLC應用教程[M].北京：機械工業(yè)出版社.

（責任編輯：秦遜玉）