PLC在石灰窯監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、PLC在石灰窯監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用!0 前言在鋼鐵公司中，石灰窯產(chǎn)出的石灰一般供煉鋼和燒結(jié)使用。某鋼鐵公司現(xiàn)有的是機(jī)械石灰豎窯，由于機(jī)械石灰豎窯采用固體燃料，生產(chǎn)出的石灰活性度低、CaO的含量低、并且附帶對(duì)煉鋼有害的S、SiO2的含量較高?，F(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展對(duì)鋼材及質(zhì)量的要求越來(lái)越高，對(duì)降低鋼中的有害元素及雜質(zhì)的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。為了滿足市場(chǎng)需求，冶煉高潔凈鋼日益受到各鋼鐵企業(yè)的重視。針對(duì)以上的問(wèn)題，某鋼鐵公司根據(jù)現(xiàn)有的煤氣條件新建一座氣燒石灰窯，采用先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備和控制方法，生產(chǎn)出高活性度、高CaO、低SiO2、低S、低雜質(zhì)的石灰供給煉鋼和燒結(jié)，是必要的，也是合理可行的。當(dāng)前可編程控制器（PLC）

2、是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，已經(jīng)成為電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的核心位置，它不僅能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，還能完成各種順序或定時(shí)的閉環(huán)控制功能，并且抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、穩(wěn)定性好、體積小，能在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間、不間斷運(yùn)行，且編程簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，并配有各類通訊接口與模塊處理，可方便各級(jí)連接。 1 石灰窯過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境根據(jù)生產(chǎn)工藝，石灰窯生產(chǎn)的過(guò)程監(jiān)控部分采用典型的兩級(jí)監(jiān)控方式。上位機(jī)以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）作為主要的人機(jī)界面(Human-Machine Interface)，為生產(chǎn)治理級(jí)，完成對(duì)下位機(jī)的監(jiān)控、生產(chǎn)操作治理等，主要面向操作人員；下位機(jī)由Siem-ens

3、 SIMATIC S7-300 的PLC構(gòu)成，為基礎(chǔ)測(cè)控級(jí)，完成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集及過(guò)程控制等，面向生產(chǎn)過(guò)程。工控組態(tài)軟件Wincc(Windows Control Center)是一個(gè)集成的人機(jī)界面（HMI）和監(jiān)控治理系統(tǒng)，它是Sie-mens公司在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和微軟公司強(qiáng)大軟件功能相結(jié)合的產(chǎn)物，是世界上第一個(gè)集成的人機(jī)界面（HMI）軟件系統(tǒng)。它真實(shí)的將工廠控制軟件集成到自動(dòng)化過(guò)程中。本文介紹的過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)共需要處理130個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)、54個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)、37個(gè)模擬量輸入點(diǎn)和8個(gè)模擬量輸出點(diǎn)，下面就該系統(tǒng)的控制要求作簡(jiǎn)要概述：（1）在生產(chǎn)過(guò)程中，存在大量的物理量，如壓力、溫度

4、、流量等模擬量參數(shù)。需要通過(guò)PLC對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理。（2）石灰生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制，即實(shí)現(xiàn)整個(gè)上料和出料過(guò)程的全自動(dòng)控制，進(jìn)行故障診斷，并在監(jiān)控畫(huà)面上顯示上料批次以及出料時(shí)間。（3）煤氣加壓站和空氣加壓站的控制，煤氣流量、煤氣壓力、空氣流量和空氣壓力采用手操器控制，確保煤氣和空氣以一定的比例混合，使得窯內(nèi)的氣體燃燒的更充分，并對(duì)其故障實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警和連鎖停機(jī)控制。根據(jù)以上的控制要求，下面我們將詳述為滿足石灰窯過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)所需要的硬件和軟件組態(tài)。2 硬件組態(tài)為了滿足上面提到的石灰窯過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求，在本文中我們采用西門(mén)子公司的S7-300可編程控制器，S7-300采用模塊化設(shè)計(jì)，在一

5、塊機(jī)架底板上可安裝電源、CPU、I/O模板、通信處理器CP等模塊，并且可以通過(guò)接口模塊實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)架的擴(kuò)展工作方式。根據(jù)要求本系統(tǒng)所選用的硬件如下所示：（1）研華的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC），操作系統(tǒng)為Windows 2000 Professional,采用Pentium 處理器，2.66GHz主頻，256M內(nèi)存，40G硬盤(pán);（2）Siemens SIMATIC PLC S7-300,CPU 314;（3）Siemens SIMATIC 8*12bit的模擬量輸入模塊5塊；（4）Siemens SIMATIC 4*12bit的模擬量輸出模塊2塊；（5）Siemens SIMATIC 32bit的數(shù)

6、字量輸入模塊10塊；（6）Siemens SIMATIC 32bit的數(shù)字量輸出模塊1塊，16bit的數(shù)字量輸出模塊1塊；組態(tài)的主要工作是完成硬件型號(hào)參數(shù)設(shè)置、通訊模式選擇、設(shè)定總線地址、傳輸方式、數(shù)據(jù)通訊方式等。使用西門(mén)子PLC專用編程軟件STEP 7進(jìn)行組態(tài)。具體的組態(tài)過(guò)程是這樣的：打開(kāi)SIMATIC Manager,進(jìn)入STEP 7，創(chuàng)建一個(gè)STEP 7項(xiàng)目，新建S7-300工作站。選中某個(gè)站的Hardware并雙擊，打開(kāi)硬件組態(tài)程序HW config,根據(jù)上面所選的硬件進(jìn)行組態(tài)，基于硬件的組態(tài)圖如圖1所示。在這里要注重，由于S7300采用的是固定槽編址，如電源模塊PS 307 10A放

7、在表中的一號(hào)槽位上，CPU插入二號(hào)槽位，三號(hào)槽位為接口模塊保留，本系統(tǒng)中用的接口模塊是IM365,從四號(hào)槽位開(kāi)始可以插入最多八個(gè)信號(hào)模塊（SM）、通訊處理器（CP）或功能模塊（FM）,每個(gè)模塊的地址在組態(tài)硬件下面的模塊信息窗口中顯示。圖1. PLC的硬件組態(tài)圖3 軟件組態(tài)在本系統(tǒng)中，上位機(jī)用SIMATIC WinCC V5.0組態(tài)軟件，下位機(jī)用SIMATIC STEP 7 V5.1編程實(shí)現(xiàn)。下面將分兩部分具體介紹軟件組態(tài)。3.1 人機(jī)界面（HMI）組態(tài)在上位機(jī)上用WinCC軟件設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)的人機(jī)界面，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：（1）工藝流程圖：如圖2所示，在該畫(huà)面中通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬顯示整個(gè)

8、石灰窯的現(xiàn)場(chǎng)上料和出料過(guò)程，并且在窯體上實(shí)時(shí)顯示了各燃燒帶的溫度，以便于操作者能及時(shí)準(zhǔn)確的把握窯內(nèi)的燃燒情況。能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。（2）手操器的操作與對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的監(jiān)控：手操器有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式，在設(shè)備安裝調(diào)試階段一般用手動(dòng)操作方式，進(jìn)入正常運(yùn)作時(shí)常用自動(dòng)方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些重要的模擬量數(shù)據(jù)的精確控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)程序由PID閉環(huán)控制回路完成。（3）報(bào)警記錄：對(duì)于如煤氣流量、壓力等一些重要的模擬量輸入?yún)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，當(dāng)處于監(jiān)控下的任何一個(gè)變量超出預(yù)先設(shè)定的安全值時(shí)，報(bào)警燈就會(huì)立即閃爍，同時(shí)會(huì)自動(dòng)彈出一個(gè)報(bào)警對(duì)話框，在該對(duì)話框中操作者可以檢查報(bào)警超出的范圍以及錯(cuò)誤的出處，并對(duì)此采取

9、相應(yīng)的措施。（4）歷史趨勢(shì)：在此畫(huà)面中除了實(shí)時(shí)顯示變量的變化趨勢(shì)，操作員還可以檢查過(guò)去的過(guò)程數(shù)據(jù)記錄，通過(guò)對(duì)過(guò)去歷史趨勢(shì)的比較進(jìn)而可以對(duì)變量未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做進(jìn)一步的猜測(cè)。圖2. 石灰窯監(jiān)控系統(tǒng)的工藝主畫(huà)面下面就Wincc的開(kāi)發(fā)過(guò)程中的編程技巧作簡(jiǎn)要概述，由于Wincc提供嵌入式C語(yǔ)言編程，用戶可以編程實(shí)現(xiàn)非凡的功能。比如在Wincc系統(tǒng)組態(tài)編程中，Tag是核心概念，我們把它理解為一個(gè)外部數(shù)據(jù)，可以和下位機(jī)的一個(gè)內(nèi)存地址單元同步更新，稱為過(guò)程Tag；也可以作為Wincc系統(tǒng)組態(tài)編程的一個(gè)全局變量，稱為內(nèi)部Tag（Internal Tag）。因此，上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊是通過(guò)過(guò)程Tag實(shí)現(xiàn)的，而

10、不同版本的Wincc軟件提供的過(guò)程Tag的最大數(shù)量有限，在這里過(guò)程Tag的數(shù)量越多當(dāng)然價(jià)格就越高，考慮實(shí)際系統(tǒng)的性價(jià)比，我們需要在現(xiàn)有的版本基礎(chǔ)上擴(kuò)展Tag的數(shù)量。當(dāng)需要的工藝參數(shù)超過(guò)Wincc版本限制的Tag數(shù)目，可以用嵌入式C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)多個(gè)工藝參數(shù)打包成一個(gè)Tag傳送。舉個(gè)例子說(shuō)明一下是如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程的，例如，下位機(jī)PLC從現(xiàn)場(chǎng)采集到的三個(gè)溫度參數(shù)TC-001、TC-002和TC-003,都是16位整數(shù)，分別存放在DB1.DW10、DB1.DW12、DB1.DW14，在Wincc中定義一個(gè)過(guò)程Tag，命名為PackageTag,類型為32位整數(shù)，地址為DB1.DBD10,再定義三個(gè)內(nèi)部

11、Tag，名稱同上，在Global Script中C語(yǔ)言編程如下：Unionlong Dword; int Word3;Union;Union.Dword=GetTagDWord(“PackageTag”);SetTagWord(“TC-001”,Union.Word0);SetTagWord(“TC-002”,Union.Word1); SetTagWord(“TC-003”,Union.Word2);這樣三個(gè)參數(shù)就可以通過(guò)一個(gè)過(guò)程Tag傳送上來(lái)了。理論上，只要下位機(jī)的內(nèi)存足夠，可以傳送任意數(shù)量的參數(shù)而不受Wincc版本的限制。3.2 PLC編程系統(tǒng)控制軟件由主程序和多個(gè)子程序模塊組成的，它是

12、以Siemens SIMATIC S7 STEP7 V5.0編程軟件為開(kāi)發(fā)環(huán)境，STEP 7一般有三種編程方式，即LAD、STL和FBD,本文中采用的是梯形圖方式編程。本系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都有兩種工作方式，即手動(dòng)和自動(dòng)方式。下面用STEP 7實(shí)現(xiàn)整個(gè)上料系統(tǒng)的自動(dòng)控制，圖3為上料部分在自動(dòng)工作方式下的主流程圖。PLC的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是進(jìn)行邏輯控制，可以把這種控制有效的應(yīng)用在處理模擬量數(shù)據(jù)中，如模擬量數(shù)據(jù)的采集與變送。對(duì)于象溫度、壓力、流量等這樣的模擬量輸入輸出參數(shù)必須實(shí)時(shí)在線采集和測(cè)量，檢測(cè)部分由一次儀表構(gòu)成，即測(cè)量溫度的熱電偶或熱電阻，測(cè)量流量的孔板，測(cè)量壓力的電動(dòng)差壓變送器或壓力變送器等。信號(hào)

13、處理部分包括變送器、轉(zhuǎn)換器、變換器等，作用是將傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大、線性化、轉(zhuǎn)換等處理后，變換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出給PLC,在本文中經(jīng)過(guò)變送器轉(zhuǎn)換的信號(hào)為420mA的標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)輸出。圖3. 石灰窯自動(dòng)上料部分的主流程圖4 通訊方式為了滿足在單元層和現(xiàn)場(chǎng)層的不同要求，SIEMENS提供了下列網(wǎng)絡(luò)：MPI方式，MPI網(wǎng)絡(luò)可用于單元層，它是SIMATIC S7,M7和C7的多點(diǎn)接口，MPI從根本上是一個(gè)PG接口，它被設(shè)計(jì)用來(lái)連接PG和OP（人機(jī)接口）。工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet）是一個(gè)用于工廠治理和單元層的通訊系統(tǒng)，被設(shè)計(jì)為對(duì)時(shí)間要求不嚴(yán)格用于傳輸大量數(shù)據(jù)的通訊系統(tǒng)，可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備來(lái)連接遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線（PROFIBUS）是用于單元層和現(xiàn)場(chǎng)層的通訊系統(tǒng)，主要有用于對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的PROFIBUS DP，用于智能主機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的循環(huán)的數(shù)據(jù)交換。點(diǎn)到點(diǎn)連接（Point-to-point connections）最初用于對(duì)時(shí)間要求不嚴(yán)格的數(shù)據(jù)交換，可以連接兩個(gè)站或連接下列設(shè)備到PLC，如OP,打印機(jī)，條碼掃描器等。根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)，我們選用MPI通訊方式，MPI連接的優(yōu)點(diǎn)是CPU可以同時(shí)與多個(gè)設(shè)備建立通訊聯(lián)系，即編程器、HMI設(shè)備和其他的PLC可以連接在一起并同時(shí)運(yùn)行。無(wú)需另外編寫(xiě)通訊程序，MPI接口通過(guò)西門(mén)子公司的CP