回轉(zhuǎn)窯PLC控制系統(tǒng)

回轉(zhuǎn)窯PLC控制系統(tǒng)李振東張麗麗朱英浩楊俊生薛冬花（宣化鋼鐵集團責任有限公司煉鐵廠第三自動化車間）摘要：本文主要介紹了西門子S7-400系列PLC在宣鋼回轉(zhuǎn)窯控制系統(tǒng)中的應用。通過人機界面和PLC實現(xiàn)電氣設備的啟停、儀表參數(shù)監(jiān)控等，并通過PROFIBUS總線將其他廠商的電子皮帶秤和變頻器連接到系統(tǒng)中。關(guān)鍵詞：可編程控制器（PLC）回轉(zhuǎn)窯過程監(jiān)控Wincc組態(tài)軟件。一、概述設計目標基于“集中管理，分散控制”的模式，數(shù)字化、信息化工程的思想，著眼于企業(yè)“企業(yè)資源計劃(ERP)管控一體化”信息系統(tǒng)的建設，需建立一個先進、可靠、高效、安全且便于進一步擴充的集過程控制、監(jiān)視、管理于一體并且具備良好開放性的監(jiān)控系統(tǒng)，完成對整個工藝過程及全部生產(chǎn)設備的監(jiān)測與自動控制。1.2項目概述本項目是2008年宣鋼四大工程之一，年產(chǎn)200萬噸球團礦回轉(zhuǎn)窯工程，本工程分二期建設，一期工程建設1座100萬噸回轉(zhuǎn)窯（于2008年3月投產(chǎn)），二期再建設1座同等年產(chǎn)量回轉(zhuǎn)窯（于2009年投建），但相應的輔助設施按2座窯規(guī)模一次建成。其工藝是將精粉等溶濟原料送入貯倉，各種原料經(jīng)倉下的托料式給料機和螺旋式給料機供出，經(jīng)帶式輸送機轉(zhuǎn)運后送至烘干機加熱烘干，然后經(jīng)帶式輸送機送入球式潤磨機進行破碎加工,潤磨后由帶式輸送機送入造球頂部料倉，經(jīng)托料皮帶送入造球搖盤,搖好的球團經(jīng)布料小車送往輥篩進行篩分,篩分后鋪入鏈蓖機,經(jīng)鏈蓖機預熱焙燒再送往回轉(zhuǎn)窯焙燒,焙燒好的球團進入環(huán)冷機進行冷卻，冷空氣在環(huán)冷機內(nèi)冷卻物料的同時被加熱，經(jīng)窯頭罩進入窯內(nèi)，作為燃料燃燒的二次空氣，回轉(zhuǎn)窯采用煤氣燃燒加熱，冷卻過的不堪團礦供出。窯體裝置和輔助設備的運行與監(jiān)視將在控制室中實現(xiàn)自動控制，并通過人機界面實現(xiàn)電氣設備的起動和停止、儀表參數(shù)監(jiān)測，被控參數(shù)的閉環(huán)調(diào)節(jié)、控制系統(tǒng)報警和生產(chǎn)過程報警以及數(shù)據(jù)歸檔等功能，使整個回轉(zhuǎn)窯能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)的自動化，大大減少工人的勞動強度，提高了生產(chǎn)率，并合理的節(jié)省了能源。二、系統(tǒng)組成2.1PLC控制系統(tǒng)為了保證整個系統(tǒng)安全可靠和生產(chǎn)的連續(xù)性，提高自動化水平，適應回轉(zhuǎn)窯工藝要求。從該系統(tǒng)I/O測點較多等方面考慮到系統(tǒng)對設備的硬件條件要求較高以及以往的使用情況，我們采用以西門子S7-400冗余PLC為核心的集中和分散相結(jié)合的計算機控制系統(tǒng)，由中央控制室、配料控制站、窯頭控制站組成。中央控制室：設監(jiān)控計算機、打印機等，負責對整個回轉(zhuǎn)窯工藝參數(shù)、電氣參數(shù)和設備運行狀態(tài)進行監(jiān)控、管理、歷史數(shù)據(jù)趨勢存儲以及報表打?。煌ㄟ^光纖交換機將其它兩個過程站環(huán)狀連接，提高網(wǎng)絡健壯度,并且可能通過工控網(wǎng)絡和企業(yè)內(nèi)部管理網(wǎng)絡之間的訪問控制,實現(xiàn)ERP數(shù)據(jù)同步。配料控制室：該系統(tǒng)實現(xiàn)了對4臺托料稱和4臺減量稱的顯示和控制，系統(tǒng)分別組成相應的控制回路。包括皮帶秤的啟停、標定、料量給定、調(diào)節(jié)、計量、反饋、顯示功能。根據(jù)工藝要求，完成相應的設備順序啟停、故障報警、緊急停車等功能，并具備手自動轉(zhuǎn)換功能，同時完成料倉料位的檢測。窯頭控制室：該系統(tǒng)實現(xiàn)了對回轉(zhuǎn)窯焙燒環(huán)節(jié)工藝參數(shù)（溫度、壓力等）實施監(jiān)控，根據(jù)設備啟停順序，控制設備啟停，保證設備正常運轉(zhuǎn)。并具備手/自動轉(zhuǎn)換功能。配料站：由DP從站接口模塊（IM153-2）、I/O模塊、電子皮帶秤和變頻器組成，通過Profibus-DP現(xiàn)場總線與現(xiàn)場PLC控制站進行數(shù)據(jù)通訊。網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如下:2.2S7-400特點：本系統(tǒng)以PLC和監(jiān)控計算機為核心，以工業(yè)以太網(wǎng)作為系統(tǒng)骨干網(wǎng)絡，將現(xiàn)場PLC控制站和監(jiān)控計算機連接起來，構(gòu)成一個分布式控制系統(tǒng)。2.2.1先進性本系統(tǒng)不僅采用了先進的軟、硬件，而且著眼于企業(yè)“管控一體化”的需求，貫徹了數(shù)字化、信息化的先進思想，使企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的進一步智能應用成為現(xiàn)實。該方案使控制系統(tǒng)有機地成為企業(yè)整個IT架構(gòu)的一部分。2.2.2高可靠性控制系統(tǒng)在嚴格的工業(yè)環(huán)境下長期、穩(wěn)定地運行。系統(tǒng)組件的的設計符合真正的工業(yè)等級，滿足國內(nèi)、國際的安全標準。并且易配置、易接線、易維護、隔離性好，結(jié)構(gòu)堅固，抗腐蝕，適應較寬的溫度變化范圍。2.2.3優(yōu)良的開放性TCP/IP協(xié)議是目前開放性最好的協(xié)議，可以輕松進行系統(tǒng)擴展。組態(tài)軟件支持DDE、OPC、ODBC、SQL，且提供豐富的API編程接口，同時也為世界各大廠商，如Modicon、Siemens、AB、GE、Omron等的設備提供了完善的驅(qū)動程序庫，從而可以將其它系統(tǒng)輕松接入本系統(tǒng)。SIMATICS7-400作為DP主站，可通過集成在SIMATICS7-400CPU上的PROFIBUS-DP接口（選件）通過全局數(shù)據(jù)（GD）通訊，網(wǎng)絡上的CPU之間可周期地交換數(shù)據(jù)包。應用通訊功能塊，網(wǎng)絡上各站點之間進行基于事件驅(qū)動的通訊?？赏ㄟ^MPI、PROFIBUS或工業(yè)以太網(wǎng)進行聯(lián)網(wǎng)。2.3更穩(wěn)定更安全的冗余設計SIMATICStep7采用的冗余控制系統(tǒng)的可靠性比傳統(tǒng)的DCS冗余系統(tǒng)有很大提高,主要技術(shù)指標有：?S7-400H型中央控制器中預裝有冗余軟件，用戶在組態(tài)時可完全忽略其冗余特性，象對非冗余系統(tǒng)組態(tài)一樣只需輸入用戶程序。?事件驅(qū)動同步功能，對于執(zhí)行后能引起兩個冗余CPU的內(nèi)部狀態(tài)不同的所有命令，如更新過程映象區(qū)，直接訪問I/O，中斷與報警，定時器的更新等，CPU之間自動進行同步，而不是以特定的時間周期進行同步。?冗余的兩個控制器安裝在一個緊湊型機架上。緊湊型機架上采用分立式的背板總線，使電源，通訊卡件及CPU仍然被分成兩個獨立部分。?冗余的每個控制器上配置一個電源，在需求較高的環(huán)境下，可對每個控制器設置兩個電源。即使安裝在一個機架上，因為背板總線互相獨立，仍可對每個CPU配備兩個電源。?運行過程中可以更換所有組件，更換CPU時，系統(tǒng)可以將新安裝的CPU自動更新為當前狀態(tài)。2.4安全便捷的工業(yè)現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設備與控制室內(nèi)的自動控制裝置系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線。其中，“生產(chǎn)過程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程兩類?；蛘撸F(xiàn)場總線是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡節(jié)點，用總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。PROFIBUS是現(xiàn)場總線領(lǐng)域非常流行的一種開放式總線標準，是西門子TIA（全集成自動化）概念的重要組成部分。PROFIBUSDP用于實現(xiàn)分布式I/O與單元級控制系統(tǒng)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸功能現(xiàn)場級通訊網(wǎng)絡處于工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)的最底層，直接連接現(xiàn)場的各種設備。控制器采用中央控制器CPU414-4與現(xiàn)場智能儀表（測量傳感器、驅(qū)動器、執(zhí)行器）、現(xiàn)場I/O點通過PROFIBUS—DP互相進行通訊，具有很高的穩(wěn)定性和抗干擾能力。宣鋼100萬噸/年回轉(zhuǎn)窯PROFIBUS現(xiàn)場總線采用PROFIBUS-DP總線，傳輸速率在9.6Kbit/s—12Ｍbit/s之間。根據(jù)其通訊協(xié)議，可以與分布式I/O(PROFIBUSDP)進行快速通訊，直接連接基于總線的智能化現(xiàn)場設備，包括電源，符合IEC61158(PROFIBUSPA)標準。2.4.1PROFIBUS（1）增強了現(xiàn)場級信息集成能力現(xiàn)場總線可從現(xiàn)場設備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動化及CIMS系統(tǒng)的信息集成要求?，F(xiàn)場總線是數(shù)字化通信網(wǎng)絡，它不單純?nèi)〈?-20mA信號，還可實現(xiàn)設備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。系統(tǒng)除完成遠程控制，還可完成遠程參數(shù)化工作。（2）開放式、互操作性、互換性、可集成性不同廠家產(chǎn)品只要使用同一總線標準，就具有互操作性、互換性，因此設備具有很好的可集成性。系統(tǒng)為開放式，允許其它廠商將自己專長的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，市場上將有許多面向行業(yè)特點的監(jiān)控系統(tǒng)。（3）系統(tǒng)可靠性高、可維護性好基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式替代一對一的I/O連線，對于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來說，減少了由接線點造成的不可靠因素。同時，系統(tǒng)具有現(xiàn)場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現(xiàn)場設備的遠程參數(shù)設定、修改等參數(shù)化工作，也增強了系統(tǒng)的可維護性。2.4.2ET200M站：接口模塊IM153用于與PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的連接而組成分布式I/O系統(tǒng)，各種I/O模塊插入有源總線模塊內(nèi),可在線更換模塊，實現(xiàn)帶電插拔功能。各分站放置在相應的配電室內(nèi)，便于以后進行擴展，并且大大減少電纜和工程施工量。S7-400與S7-200通過EM277進行PROFIBUSDP通訊，需要在STEP7中進行S7-400站組態(tài)，在S7-200系統(tǒng)中不需要對通訊進行組態(tài)和編程，只需要將要進行通訊的數(shù)據(jù)整理存放在V存儲區(qū)與S7-200的組態(tài)EM277從站時的硬件I/O地址相對應。導入GSD文件后，在右側(cè)的設備選擇列表中找到EM277從站，PROFIBUSDPAdditionalFieldDevicesPLCSIMATICEM277,并且根據(jù)通訊字節(jié)數(shù)，選擇一種通訊方式。根據(jù)EM277上的撥位開關(guān)設定在硬件組態(tài)中EM277從站的站地址。S7-400的硬件下載完成后，將EM277的撥位開關(guān)撥到與硬件組態(tài)的設定值一致，在S7-200中編寫程序?qū)⑦M行交換的數(shù)據(jù)存放在VB0－VB15，對應S7-400的PQB0-PQB7和PIB0-PIB7。通過對step7的軟件編程，在操作站反應S7-200中的數(shù)字信息，并可對S7-200中的變量進行寫操作。STEP7軟件中執(zhí)行·在S7程序中插入診斷功能塊·導出硬件組態(tài)（cfg文件）將模塊變量傳送至WinCC。WinCC軟件中執(zhí)行·在WinCC畫面中中插入診斷OCX控件·將傳送過來的模塊變量與診斷OCX控件連接·指定所導出的硬件組態(tài)的路徑（cfg文件）。三、監(jiān)控系統(tǒng)上位機監(jiān)控系統(tǒng)設一臺工程師站和四臺操作員站，選用原裝西門子工業(yè)控制計算機，每臺機器上裝有網(wǎng)絡通訊卡CP1613，它們各通過工業(yè)以太網(wǎng)與三套S7-400系統(tǒng)的通訊處理器CP443-1通訊口連接，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換。監(jiān)控組態(tài)軟件不僅有監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）功能，而且有組態(tài)、開發(fā)和開放功能，是自動化系統(tǒng)集成中不可缺少的關(guān)鍵組成部分。我們在此監(jiān)控系統(tǒng)中采用西門子公司的WINCC6.0組態(tài)軟件，WINCC是WindowsControlConter（視窗控制中心）的簡稱，它運行于個人計算機環(huán)境，可以與多種自動化設備及控制軟件集成，用戶在其友好的界面下進行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，可形成所需的操作畫面、監(jiān)控畫面、控制畫面、報警畫面、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報表等。它為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環(huán)境，不僅縮短了軟件設計周期，而且提高了工作效率。下圖為中控監(jiān)測畫面3.1監(jiān)控調(diào)節(jié)及控制窯體工藝流程是物料經(jīng)鏈籬機連續(xù)向窯尾加料，它隨窯體轉(zhuǎn)動而緩慢的向窯頭移動，并且從窯尾向窯頭移動的過程中，首先經(jīng)過預熱帶預熱，煅燒好的物料從窯頭下料管落入下部的冷卻機內(nèi)?；旌厦簹饬亢涂諝饬康暮侠砼浜鲜潜ＷC回轉(zhuǎn)窯煅燒溫度的關(guān)鍵調(diào)節(jié)，使煤氣量和空氣量能根據(jù)產(chǎn)量和熱值等參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整。流量限幅報警，越限報警、無擾動切換、非線性PID調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)儲存。該系統(tǒng)故障率低，運行可靠，可使燃燒更趨合理，焙燒溫度穩(wěn)定，并能大幅度降低煤氣單耗提高安全性。窯頭自動控制系統(tǒng)主要對回轉(zhuǎn)窯本體和環(huán)冷機進行數(shù)據(jù)監(jiān)視和控制，控制著球團礦的窯內(nèi)焙燒和最后的繼續(xù)氧化冷卻工作，稍有差錯就會導致出紅礦或燒損設備。3.2增加環(huán)冷機內(nèi)溫度調(diào)節(jié)功能：回轉(zhuǎn)窯球團工藝的環(huán)冷機不僅僅是冷卻功能，還要有最后的焙燒功能，只有科學合理的控制好機內(nèi)各部分的溫度，才能出合格球，才能出好球。所以控制環(huán)冷機三臺冷卻風機的風量是回轉(zhuǎn)窯球團工藝的關(guān)鍵，但原設計中恰恰缺失了這一環(huán)節(jié)。我們自行敷設采集控制信號線路，編譯主控程序，實現(xiàn)了主控調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速的功能，使主控能夠根據(jù)物料流量和監(jiān)測溫度合理科學地調(diào)整環(huán)速和風量。3.3無線測溫收發(fā)裝置的使用：在多數(shù)球團廠家的考察過程中，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度的測量都是通過滑環(huán)裝置來傳輸?shù)?，滑環(huán)裝置容易出現(xiàn)高溫變形和銹蝕等情況，造成接觸不良而信號丟失。窯內(nèi)溫度是回轉(zhuǎn)窯工藝的重要參數(shù)，是判斷窯內(nèi)工況的唯一手段，所以不能有任何差錯。我們采用無線測溫收發(fā)裝置，采集到熱電偶的信號，通過在窯體的發(fā)射裝置將現(xiàn)場信號發(fā)射，控制室內(nèi)的接受裝置接受信號，并轉(zhuǎn)換成電流信號傳輸?shù)絊7-400的AI通道。無線測溫收發(fā)裝置的使用，成功避免了由于接觸不良