高爐自動控制系統(tǒng)中的PLC應(yīng)用研究

白江濤

（河北普陽鋼鐵有限公司，河北邯鄲，056305）

0 引言

高爐自動化控制在很大程度上決定著高爐工作的穩(wěn)定性以及煉鋼過程中供應(yīng)合格鐵水的能力，高效的高爐自動控制系統(tǒng)可發(fā)揮降低能耗、保證高爐煉鐵工藝連續(xù)性、軟硬件方式實現(xiàn)前后工序相互連鎖等功能，為后續(xù)煉鋼供應(yīng)優(yōu)質(zhì)原料。在生產(chǎn)過程中，高爐具有密閉性，復(fù)雜的工藝流程要求工作人員借助檢測儀表進(jìn)行內(nèi)部情況的判斷。基于原料的高需求量、高運(yùn)輸量、嚴(yán)格根據(jù)配比及指定順序裝料等要求，高爐自動化控制系統(tǒng)要想達(dá)到良好的技術(shù)指標(biāo)就必須自帶自動裝料配料系統(tǒng)與水分補(bǔ)正系統(tǒng)。通過自動監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，高爐自動控制系統(tǒng)還可在發(fā)現(xiàn)故障先兆時及時采取措施，排除與降低高爐休風(fēng)率。

1 需求分析

高爐自動控制系統(tǒng)的設(shè)計需對以下需求予以滿足：（1）采集與控制高爐本體的溫度、壓力以及流量等數(shù)據(jù)；（2）按照正確比例配備礦焦，遵循指定步驟將其放入高爐內(nèi)，控制爐料均勻下降；（3）對熱風(fēng)爐的燃燒狀態(tài)與送風(fēng)順序進(jìn)行控制，保證高爐冶煉狀態(tài)的整體優(yōu)質(zhì)性；（4）完成對布袋的除塵與反吹控制。

圖1 高爐自動控制系統(tǒng)功能模塊圖

2 系統(tǒng)硬件配置

結(jié)合高爐監(jiān)測點(diǎn)與控制設(shè)備要求，系統(tǒng)對SIEMENS SIMAT ICS7-400PLC加以應(yīng)用，設(shè)計過程中兼顧系統(tǒng)的最優(yōu)性價比，借助PROFIBUS-DP實現(xiàn)主站S7-400與從站ET-200M的連接。

2.1 電源

選用PS407 1OA作為電源模板，向SIMATIC S7-400供電，對AC或DC網(wǎng)絡(luò)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到所需的5VDC或24VDC工作電壓，輸出電流10A。在安裝時，應(yīng)將其放置在機(jī)架最左端（起始于槽位1），按照具體配置，可對槽1至槽3進(jìn)行占用。在電源模板的前面板部位，需安裝發(fā)光二極管，完成對內(nèi)部故障的指示工作。

2.2 中央處理器

選用CPU414-2DP作為中央處理器模板，該模板在中等性能應(yīng)用范圍中要求相對嚴(yán)格的場合有較高的實用性，可對程序規(guī)模、指令處理速度、復(fù)雜通訊等更加高規(guī)格的要求予以滿足。通過PROFIBUS-DP接口的集成，模板可作為主線實現(xiàn)與PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的直接連接；程序與數(shù)據(jù)的存儲用256KB RAM來實現(xiàn)，存貯能力得到了擴(kuò)展；對多達(dá)131072個數(shù)字量或81932個模擬量I/O的連接是模板靈活擴(kuò)展性的體現(xiàn)；利用多接口（MPI），可最多構(gòu)建32個站的簡單網(wǎng)絡(luò)，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為12Mbit/s；此外，模塊中設(shè)有模式選擇開關(guān)，設(shè)計為鑰匙操作開關(guān)，開關(guān)取下時，會對用戶的數(shù)據(jù)訪問權(quán)限進(jìn)行限制，除了保護(hù)鑰匙操作開關(guān)以外，通過在用戶程序中下達(dá)保護(hù)口令，還可制止非法訪問行為的發(fā)生；診斷緩存區(qū)亦是中央處理器模塊的組成部分，通過將120個故障與中斷時間保存于FIFO緩存器中，為診斷工作提供數(shù)據(jù)信息。

2.3 ET200M遠(yuǎn)程控制站

ET200M分布式I/O用于現(xiàn)場信號的采集，可實現(xiàn)中央處理器指令向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳輸。ET200M使用西門子PS307電源與IM153-1接口，該模板在冗余PROFIBUS-DP系統(tǒng)中有良好適用性，可將ET200M以從站的形式連接至PROFIBUS-DP。

3 系統(tǒng)軟件配置

上位機(jī)對研華IPC-810型工控機(jī)予以采用，運(yùn)行WINDOWS操作系統(tǒng)，組態(tài)軟件WINCC，可對WINDOWS程序中的現(xiàn)代體系結(jié)構(gòu)與便于使用的圖形設(shè)計進(jìn)行結(jié)合，向用戶提供一種可視化的人機(jī)界面。作為一種面向?qū)ο蟮?2位工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件，WinCC可在Windows環(huán)境下向用戶提供人機(jī)交互與監(jiān)控管理服務(wù)，在全部自動化控制系統(tǒng)中均可應(yīng)用。該組態(tài)軟件對圖形技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與通信技術(shù)等多技術(shù)予以集成，可在控制系統(tǒng)開發(fā)人員的軟件設(shè)計環(huán)節(jié)提供便利，使他們只簡單地通過可視化組態(tài)方式完成設(shè)計工作，這實現(xiàn)了監(jiān)控畫面開發(fā)難度的大幅度降低。基于工具箱、圖形庫與操作向?qū)Ь重S富的優(yōu)勢，組態(tài)軟件可有效避免開發(fā)人員在軟件設(shè)計過程中進(jìn)行重復(fù)性的工作，保證開發(fā)的高效率，縮短開發(fā)周期。當(dāng)前，WinCC已成為自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用的主要開發(fā)工具之一。WinCC內(nèi)含多種PLC驅(qū)動軟件，可為PLC同上位機(jī)的通信提供極大便利，結(jié)合WinCC與STEP7，配置于STEP7中的量表可在WinCC的過程編程中直接應(yīng)用，大幅縮短工程組態(tài)時間。

4 系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)分為兩層：（1）上位機(jī)、S7-400PLC與PLC之間建立以太網(wǎng)連接，以此交換信息。利用工業(yè)以太網(wǎng)將設(shè)定的工藝參數(shù)與電氣設(shè)備的動作從人機(jī)接口傳送至PLC端，工藝、電氣參數(shù)與設(shè)備狀態(tài)則由PLC傳送至人機(jī)接口，通過CRT顯示出來。此外，PLC之間控制數(shù)據(jù)的傳送也由以太網(wǎng)實現(xiàn)。（2）利用PROFIBUS-DP進(jìn)行S7-400PLC與分布式I/O站（從站）之間主從式通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，在與PROFIBUS-DP建立連接之時，所用通訊接口模塊為IM153-1。圖2所示為高爐自動控制系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié)束語

將PLC應(yīng)用于高爐自動監(jiān)控系統(tǒng)中，可有效監(jiān)督與控制生產(chǎn)的全過程，這既能提高高爐的工作效率，又可做好監(jiān)控工作，向高爐的產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率提供保證，充分做到快捷與穩(wěn)定的高爐生產(chǎn)，提高高爐生產(chǎn)工藝水平，加快我國工業(yè)向可持續(xù)發(fā)展方向前進(jìn)的步伐。

圖2 高爐自動控制系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)

自投入運(yùn)行，系統(tǒng)得到了良好的應(yīng)用，監(jiān)控工作及時且準(zhǔn)確。在使用過程中，系統(tǒng)可與高爐生產(chǎn)工藝連續(xù)不間斷的特征相結(jié)合，為生產(chǎn)控制與過程監(jiān)控創(chuàng)造便利，在提高高爐生產(chǎn)率與產(chǎn)品質(zhì)量的同時對快捷性、穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性的生產(chǎn)要求予以滿足。基于其能夠保證高爐實現(xiàn)高效生產(chǎn)的優(yōu)勢，系統(tǒng)可得到進(jìn)一步的應(yīng)用。

[1]宋文翠.基于PLC的高爐自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].河北工業(yè)大學(xué),2014.

[2]呂大飛.PLC在高爐自動監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化與儀器儀表 ,2009（3）：38-39+66.

[3]陳鵬,張鳳路,馮曉燕.基于PLC實現(xiàn)的熱風(fēng)爐自動控制系統(tǒng) [J].民營科技 ,2015（9）：16.