組態(tài)王及PLC在矩形電弧爐控制中的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)

1、組態(tài)王及PLC在矩形電弧爐控制中的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)宋連慶1，2 劉曰木1 權(quán)策2（1. 西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710048； 2.西安曼海特工業(yè)技術(shù)有限公司，西安710018）摘要：文章介紹了利用組態(tài)王及PLC所構(gòu)成的適用于鈦渣熔煉實(shí)用的分布式控制系統(tǒng)，并給出了整個(gè)系統(tǒng)原理框圖，對(duì)控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。同時(shí)還介紹了程序中主要應(yīng)用的子程序。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明此控制系統(tǒng)使原有的電氣控制水平和系統(tǒng)整體性能得到了全面的提升，維護(hù)檢修方便，信息交換可靠，人機(jī)界面友好。關(guān)鍵詞：組態(tài)王；PLC；分布式控制系統(tǒng)Application and achieve in rectangular electr

2、ic arc furnace control system based on KINGVIEW and PLCSong Lianqing12, Liu Yuemu1, Quan Ce2    (1.School of Electronics and Information, Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710048, China; 2.Xi'an Mehat Industrial Technology Co.,Ltd, Xi'an, 710048, ChinaAbstract: The

3、paper introduces an applicable distributed controlling system for smelting titanium made from KingView and PLC. The whole system framework is showed. Hardware of the system and major subprograms are explained. Actual application of system improves the controlling level and performance of electricity

4、 in a comprehensive way. Maintenance, examining and repairing are convenient. Information exchange is trustable. Man-machine interface is friendly.Key words ：KingView，PLC，distributed control system0引言本文以攀枝花某金屬冶煉公司30MVA電弧爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為背景，根據(jù)電弧爐熔煉工藝對(duì)控制系統(tǒng)的控制要求，給出了控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，_作者簡(jiǎn)介：宋連慶(1963-)，男，河南新鄉(xiāng)人，高級(jí)工程師，副教授

5、，主要從事工業(yè)設(shè)備自動(dòng)化控制等方面的研究。在電極調(diào)節(jié)器控制方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上給出了實(shí)用的控制算法的實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)包括基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)、過(guò)程監(jiān)控和優(yōu)化管理級(jí)?；A(chǔ)自動(dòng)化級(jí)應(yīng)用西門(mén)子公司S7-400、S7-300plc進(jìn)行控制。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，包括主畫(huà)面、高壓供電系統(tǒng)畫(huà)面、電極系統(tǒng)畫(huà)面、液壓系統(tǒng)畫(huà)面、水冷系統(tǒng)畫(huà)面、環(huán)保系統(tǒng)、送料系統(tǒng)、包車(chē)系統(tǒng)、報(bào)警畫(huà)面等等。該項(xiàng)目已于2011年底開(kāi)始運(yùn)行。1工藝及控制功能簡(jiǎn)介： 該金屬冶煉公司擬建15萬(wàn)噸鈦渣爐及7萬(wàn)噸不銹鋼短流程的現(xiàn)代化生產(chǎn)線，30MVA鈦渣爐總體結(jié)構(gòu)采用爐體固定、矩形密閉式。電極的排布如下圖1所示。圖1：六個(gè)電極的

6、排布圖在圖1中每一對(duì)電極與一個(gè)單相變壓器相連接，這種電弧爐可以通過(guò)移動(dòng)兩個(gè)相應(yīng)的電極準(zhǔn)確的控制每一相變壓器的功率。該電爐通過(guò)34臺(tái)變頻器拖動(dòng)電機(jī)推動(dòng)螺桿從爐頂向爐內(nèi)加料，加料方式采用連續(xù)加料的方式。整個(gè)電弧爐的冶煉過(guò)程是連續(xù)的，除非由于其他因素限制其連續(xù)生產(chǎn)，比如電極在一定的時(shí)間冶煉后消耗完，必須替換新的電極。電弧爐是靠電極和爐料間放電產(chǎn)生的電弧，使電能在弧光中轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并借助輻射和電弧的直接作用加熱并熔化金屬和爐渣。熔煉過(guò)程中，爐壁與爐蓋通過(guò)水冷方式降溫，電極的升降通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。在自動(dòng)控制方面，液壓控制，電極調(diào)節(jié)以及溫度、流量等信號(hào)的采集與處理都是電弧爐控制的重要環(huán)節(jié)。2矩形電弧爐控制

7、系統(tǒng)的硬件構(gòu)成控制系統(tǒng)中上位機(jī)主要由倆臺(tái)研華工控機(jī)構(gòu)成，分別為工程師站和操作站。下位機(jī)主要由1臺(tái)s7-400plc和4臺(tái)s7-300plc以及由4臺(tái)ET-200和34臺(tái)歐陸變頻器與s7-400plc組成的 profibus-DP網(wǎng)。其中除塵系統(tǒng)、配料系統(tǒng)、傳送帶控制、以及電極的控制都各自采用一臺(tái)組態(tài)有cp343通信模塊的S7-300plc進(jìn)行控制， S7-400系列plc通過(guò)profibus對(duì)整個(gè)電弧爐信號(hào)采集、液壓系統(tǒng)、包車(chē)運(yùn)行、加料系統(tǒng)進(jìn)行控制。整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示，通過(guò)5個(gè)西門(mén)子交換機(jī)構(gòu)成的光釬環(huán)網(wǎng)，將各個(gè)系統(tǒng)與上位機(jī)連接起來(lái)。圖2：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖其中電極控制系統(tǒng)、給料系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)

8、通過(guò)profibus在step7中組態(tài)如下圖3所示，從圖3中可以看出dp從站數(shù)目超過(guò)32個(gè)，沒(méi)有用CPU自帶dp口組態(tài)，而是采用IF964-DP模塊來(lái)組態(tài)各個(gè)從站。P2輔助系統(tǒng)包括液壓站控制和料倉(cāng)料位信號(hào)的采集，而三個(gè)采集箱均為爐體各個(gè)部分的溫度采集信號(hào)。圖中所用到的34臺(tái)變頻器都是通過(guò)總線來(lái)遠(yuǎn)程控制，驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)而控制料倉(cāng)的給料速度，其中爐子不同部位的給料速度均由上位機(jī)來(lái)進(jìn)行給定。 圖3：step7中profibus組態(tài)圖3矩形電弧爐控制系統(tǒng)的軟件構(gòu)成PLC主要邏輯控制部分：系統(tǒng)的主要控制程序由OB1調(diào)用來(lái)完成。如下圖4所示，各個(gè)FC塊以及部分DB塊用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)的功能。OB35用于實(shí)現(xiàn)電

9、極升降的PID控制，Step7提供了標(biāo)準(zhǔn)的PID控制功能模塊，根據(jù)矩形電弧爐控制系統(tǒng)即要求燃弧穩(wěn)定，又要求引弧時(shí)有較高的調(diào)節(jié)靈敏度且時(shí)間常數(shù)大的特點(diǎn)，由于三對(duì)電極的升降是分別進(jìn)行控制的，每對(duì)電極的控制都是帶PID算法的閉環(huán)控制。圖4：系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖電弧爐電極調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中包括兩種控制方式：手動(dòng)控制和自動(dòng)控制方式。手動(dòng)控制方式和自動(dòng)控制方式可以進(jìn)行切換，在熔煉過(guò)程中，當(dāng)切換到自動(dòng)控制方式將由 PLC 自動(dòng)完成整個(gè)電極調(diào)節(jié)控制單元的調(diào)節(jié)過(guò)程控制；當(dāng)需要手動(dòng)控制調(diào)節(jié)電極時(shí)，可以直接切換到手動(dòng)控制方式由操作者對(duì)各相電極進(jìn)行人工控制操作。圖5為電極控制系統(tǒng)流程圖，電極控制采用恒阻抗控制策略。該子程序在O

10、B35中，系統(tǒng)上電后，自動(dòng)循環(huán)掃描電極控制的按鈕，判斷控制方式，進(jìn)行下一步如果是手動(dòng)控制，則要判斷電極是升起還是降落或者不動(dòng)做，根據(jù)相應(yīng)的動(dòng)作輸出固定比例的開(kāi)口度給比例閥。如果是電極的自動(dòng)調(diào)節(jié)，則讀取二次側(cè)的電壓返回值，進(jìn)而計(jì)算電流的系數(shù)，得到偏差值，經(jīng)過(guò)判斷是進(jìn)行PID調(diào)節(jié)還是非線性控制，最后輸出控制量給比例閥進(jìn)行電極升降的自動(dòng)調(diào)節(jié)。圖5：電極控制系統(tǒng)流程圖主監(jiān)控系統(tǒng)界面部分主界面由電弧爐系統(tǒng)各系統(tǒng)的示意構(gòu)成。為了方便操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的監(jiān)視，避免畫(huà)面之間頻繁的、不必要的切換，。包括電極系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、爐體溫度采集系統(tǒng)的示意圖。為了便于操作人員方便的監(jiān)視數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中顯示了冶煉過(guò)程的

11、主要數(shù)據(jù)，如電爐狀態(tài)、電弧弧壓、液壓系統(tǒng)的總油路壓力等。電極調(diào)節(jié)界面包括電極調(diào)節(jié)示意圖和電極調(diào)節(jié)的電壓電流棒性圖。在電壓電流棒形圖畫(huà)面中可以進(jìn)行三相電弧電壓電流的設(shè)定值的錄入。三相電弧的電流和電壓值分別通過(guò)各自的控制器給出控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)比例閥的開(kāi)度對(duì)電極的升降進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖上所有綠色或者紅色的燈都是表示某個(gè)信號(hào)的運(yùn)行狀態(tài)或者是否發(fā)生故障，閃爍表示故障狀態(tài)；通過(guò)鼠標(biāo)或觸摸按擊可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作命令，按鈕的上方都有說(shuō)明；開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)某些控制命令的切換，如啟停命令；自復(fù)位式開(kāi)關(guān)。為了在主界面中使用戶能直觀的觀測(cè)到當(dāng)前發(fā)生報(bào)警的所在系統(tǒng)，我們讓各系統(tǒng)出現(xiàn)故障發(fā)生報(bào)警時(shí)，在主界面的相應(yīng)元件上發(fā)生閃爍以及報(bào)

12、警聲音，來(lái)提示操作人員故障發(fā)生。主界面示意圖如圖6所示：圖6：系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面5結(jié)束語(yǔ)該控制系統(tǒng)已于2011年底在攀枝花某鈦業(yè)公司投入運(yùn)行，計(jì)算機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了所有的數(shù)據(jù)通信任務(wù)，生產(chǎn)報(bào)表預(yù)覽及打印，人機(jī)界面交互，為生產(chǎn)操作人員提供了及時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，具備一定的自動(dòng)化水平，保證了整個(gè)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。從實(shí)際運(yùn)行來(lái)看，整體效果令人滿意。參考文獻(xiàn)：1 陳榮.全液壓電弧爐電極調(diào)節(jié)器及過(guò)程自動(dòng)化 系統(tǒng)J.工業(yè)加熱,2009,38(2):73-76.2花皚,梁正敏.煉鋼電弧爐的電氣設(shè)備M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1987.3 Siemens，SIMATIC S7-400可編程控制器模板 規(guī)范參考手冊(cè)M，西門(mén)子公司，2002.4 Siemens，SIMATIC S7-400硬件和安裝手冊(cè)M， 西門(mén)子公司，2002.5 Benoit Boulet,Vit Vaculik,and Geoff Wong.Control of Non-Ferrous Electric ArcFurnacesJ, IEEE Canadian Review,1997.6 亞控公司,組態(tài)王 6.53 使用手冊(cè)M,亞 控公司,2007