基于S7-300 PLC的煉鋼廠空壓機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 斌，戚新波,2

（1. 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校，新鄉(xiāng) 453002；2. 華中科技大學(xué)，武漢 430074）

基于S7-300 PLC的煉鋼廠空壓機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 斌1，戚新波1,2

（1. 河南機(jī)電高等專科學(xué)校，新鄉(xiāng) 453002；2. 華中科技大學(xué)，武漢 430074）

0 引言

在冶金企業(yè)中，空壓站建設(shè)是一項(xiàng)重要的輔助工程?？諌赫臼怯煽諝鈮嚎s機(jī)，配套過濾器，儲(chǔ)氣罐，連接管道和閥門等器件組成的供氣系統(tǒng)。提供穩(wěn)定的氣源壓力及供氣流量是空壓站的基本任務(wù)?？諌簷C(jī)是空壓站的核心設(shè)備，其安全與高效的運(yùn)轉(zhuǎn)是保證空壓站正常工作的前提條件。

早期的空壓機(jī)控制多為繼電器線路，易老化，靈敏度低，長期運(yùn)行后會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)停機(jī)故障，給正常生產(chǎn)造成影響。采用可編程控制器(PLC)對(duì)空壓機(jī)控制，克服了傳統(tǒng)的繼電器控制線路的不足，可以完成對(duì)開關(guān)量和模擬量的控制，滿足了系統(tǒng)對(duì)控制穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的要求。

1 系統(tǒng)控制內(nèi)容

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下控制功能[1]。

1.1 多種運(yùn)行模式

該套控制系統(tǒng)有以下3種運(yùn)行模式：

1）PLC自動(dòng)運(yùn)行模式

在該控制方式下，PLC根據(jù)總線采集的信號(hào)進(jìn)行綜合判斷，然后發(fā)出啟動(dòng)、停機(jī)、加載、卸荷等控制指令，自動(dòng)判斷當(dāng)前投入/切除系統(tǒng)中的空壓機(jī)臺(tái)數(shù)，使得總管壓力維持在設(shè)定的壓力下限值和壓力上限值之間，既滿足用氣需要，又可以降耗節(jié)能。

空壓機(jī)不能連續(xù)運(yùn)行，需要進(jìn)行輪換工作，以保證其安全可靠工作。PLC根據(jù)設(shè)定的工作時(shí)間，建立開機(jī)序列和停機(jī)序列，經(jīng)過運(yùn)算處理，從而對(duì)運(yùn)行中的空壓機(jī)進(jìn)行加載、卸荷或切除/投入系統(tǒng)工作。

2）手動(dòng)運(yùn)行模式

該控制方式通過就地操作臺(tái)按鈕獨(dú)立控制每臺(tái)空壓機(jī)的啟動(dòng)或停機(jī)。

3） 遠(yuǎn)程監(jiān)控運(yùn)行模式

在該控制方式下，通過操作監(jiān)控室內(nèi)上位工控機(jī)系統(tǒng)來控制各空壓機(jī)的運(yùn)行。系統(tǒng)對(duì)操作員有權(quán)限管理，只有有一定權(quán)限的操作員才可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

1.2 生產(chǎn)過程的監(jiān)控

整個(gè)工藝流程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制并對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)畫模擬，對(duì)生產(chǎn)過程中的主要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。

1）能夠自動(dòng)采集、顯示空壓機(jī)的各種運(yùn)行參數(shù)，控制空壓機(jī)運(yùn)行。

2）能夠根據(jù)檢測到的信號(hào)判斷空壓機(jī)的工作狀況，發(fā)生故障時(shí)能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并根據(jù)故障類型判斷是否停止空壓機(jī)運(yùn)行。

3）能夠通過PLC及控制網(wǎng)絡(luò)采集現(xiàn)場設(shè)備開/停及故障狀態(tài)、電動(dòng)機(jī)電流、電壓等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4）具有啟動(dòng)、停止、正常停車、故障停車、緊急停車、預(yù)告、保護(hù)及故障報(bào)警功能。

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

基于S7-300 PLC的空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由1臺(tái)上位機(jī)站、6臺(tái)PLC站和檢測電路等組成。

上位機(jī)由工控機(jī)、打印機(jī)等組成，主要負(fù)責(zé)所有空壓機(jī)遠(yuǎn)程參數(shù)和報(bào)警信息的監(jiān)視、記錄，運(yùn)行參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)處理、查詢及報(bào)表打印等功能。

圖1 空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

6臺(tái)PLC站分別負(fù)責(zé)5臺(tái)空壓機(jī)的報(bào)警停車控制和整個(gè)系統(tǒng)的工藝參數(shù)監(jiān)測。本系統(tǒng)選用西門子S7-314PLC作為監(jiān)控核心。S7-300系列PLC模塊齊全、擴(kuò)充方便、通信能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于工業(yè)環(huán)境及電氣干擾環(huán)境的特點(diǎn)。[2]系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為MPI多點(diǎn)接口網(wǎng)絡(luò)，由于S7-300系列的CPU模塊內(nèi)置MPI接口，無需附加任何硬件便可很方便組成網(wǎng)絡(luò)，簡便實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。采用這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各個(gè)PLC站可以獨(dú)立使用，及時(shí)上位機(jī)出現(xiàn)故障，PLC仍能正常工作，極大提高到了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

每臺(tái)空壓機(jī)就地安設(shè)ET200M遠(yuǎn)程I/O單元，通過PROFIBUS-DP與CPU連接，進(jìn)行溫度、壓力等信號(hào)的采集。檢測電路主要由傳感器實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)傳送給CPU。本系統(tǒng)中每臺(tái)空壓機(jī)測量10個(gè)狀態(tài)參數(shù)，其中采用PT100傳感器進(jìn)行溫度檢測，包括一級(jí)排氣溫度、二級(jí)排氣溫度、風(fēng)包溫度、潤滑油溫、冷卻水出水溫度，PT100傳感器在電路中輸出0～5V電壓信號(hào)；采用GPT型壓力傳感器進(jìn)行各種壓力檢測，包括一級(jí)排氣壓力、二級(jí)排氣壓力、潤滑油濾后油壓、主機(jī)進(jìn)水壓力、后冷卻器進(jìn)水壓力，GPT型壓力傳感器在電路中輸出4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。這兩種傳感器性能可靠、壽命長，配以二線制RVVP電纜單獨(dú)傳送信號(hào)，進(jìn)一步提高了整套系統(tǒng)的可靠性[3]。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)編程軟件采用西門子公司的SIMATIC STEP7 V5.2，它是用于SMATIC S7-300/400、C7 PLC基于PC控制產(chǎn)品的組態(tài)、編程和維護(hù)的項(xiàng)目管理工具。通過STEP7，用戶可以進(jìn)行系統(tǒng)配置和程序編寫、調(diào)試，以及在線診斷PLC硬件狀態(tài)、控制PLC和I/O通道的狀態(tài)等。

圖2 主程序流程圖

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要是PLC監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)，該程序設(shè)計(jì)也是空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重要部分。本系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)程序方式編程，可讀性強(qiáng)，方便調(diào)試和維護(hù)工作，又能使數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)統(tǒng)一。程序主要分為通信子程序、空壓機(jī)控制子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、保護(hù)功能處理子程序等。空壓機(jī)控制子程序流程如圖3所示。

圖3 上位機(jī)監(jiān)控界面

組態(tài)軟件采用西門子公司的WinCC V6.0，是一個(gè)通用的、全面開放的系統(tǒng),它可用于自動(dòng)化領(lǐng)域中所有的操作員控制和監(jiān)控任務(wù)，它提供了基于全面開放式接口的解決方案，具有標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口。WinCC可將生產(chǎn)過程中的狀態(tài)，以圖像、文字、曲線等形式表達(dá)出來，可以將所發(fā)生的事件、過程數(shù)據(jù)記錄下來，供歷史數(shù)據(jù)查詢，還可以進(jìn)行組態(tài)打印報(bào)表。上位機(jī)監(jiān)控界面主要由監(jiān)控畫面、實(shí)時(shí)報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警查詢、遠(yuǎn)程控制和系統(tǒng)管理界面組成，如圖3所示[4]。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用西門子S7-300 PLC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多臺(tái)空壓機(jī)的各種參數(shù)的集中監(jiān)控與綜合保護(hù)，其功能強(qiáng)、性能穩(wěn)定、故障率低。該系統(tǒng)已在豫北某鋼鐵集團(tuán)公司煉鋼三廠成功應(yīng)用，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控空壓機(jī)運(yùn)行狀況，自動(dòng)采集其各種參數(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)的報(bào)警、故障自動(dòng)停車及自動(dòng)卸荷等功能，極大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。其完善的故障判斷功能，為操作人員迅速排除故障提供了方便，提高了煉鋼的安全生產(chǎn)、信息化和自動(dòng)化程度。

[1]石進(jìn)水.基于S7-300 PLC的空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].常州:工礦自動(dòng)化,2009,(2):51-53.

[2]西門子(中國)有限公司.西門子S7-300參考手冊(cè)[M].2005.

[3]李偉生.空壓機(jī)綜合保護(hù)控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].唐山:水利采煤與管道運(yùn)輸,2008,(1):49-52.

[4]西門子(中國)有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán). 深入淺出西門子WinCC6.0[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004:11-25.

The design of air compressor in steelmaking plant real-time monitoring and control system based on S7-300 PLC

ZHAO Bin1, QI Xin-bo1,2

本文利用西門子組態(tài)軟件WinCC及S7-300 PLC實(shí)現(xiàn)了煉鋼廠空壓機(jī)組的自動(dòng)控制。對(duì)該控制

系統(tǒng)的硬件組成、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能及特點(diǎn)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)等，均作了具體的分析和設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)集成了自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn)，并保留了現(xiàn)場的手動(dòng)電氣控制，使得系統(tǒng)的運(yùn)行更加靈活穩(wěn)定。系統(tǒng)自運(yùn)行以來，各項(xiàng)功能正常，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

WinCC；PLC；空壓機(jī)組；自動(dòng)控制

趙斌（1977 -），男，河南新鄉(xiāng)人，講師，碩士，研究方向?yàn)榭刂乒こ碳皯?yīng)用。

TP277

A

1009-0134(2011)5(上)-0014-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).05

2010-11-25