S7-300PLC在熱處理爐脈沖控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊玉薇

在工業(yè)領(lǐng)域中，材料的熱處理離不開(kāi)各種熱處理爐，而材料的處理性能與爐子的溫控精度密切相關(guān)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文所述控制系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成。上位機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，由SIMATIC S7-300 PLC負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、流量、各閥門位置反饋等，再將各數(shù)據(jù)經(jīng)由程序運(yùn)算（PID/；Fuzzy control）后，將合適狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的4～20 mA、+24 V等控制信號(hào)輸出至各個(gè)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、開(kāi)關(guān)閥、電機(jī)等電控設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)熱處理爐溫度及壓力等的自動(dòng)控制。

1.1 系統(tǒng)硬件組成

主要由PLC系統(tǒng)和上位機(jī)組成（見(jiàn)圖1）。

（1）PLC 系統(tǒng)

圖1 熱處理爐控制系統(tǒng)硬件組成框圖

SIMATIC S7-300 PLC主要由主機(jī)架底版（RACK）、CPU(315-2DP)、電源模塊 （PS 30710A）、通訊卡（CP 343-1）、2個(gè)IM153-2和若干個(gè)AI、AO、DI、DO模塊組成的遠(yuǎn)程站及交換機(jī)組成。ET200遠(yuǎn)程控制柜與各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)專用儀表信號(hào)線纜或者屏蔽電纜連接，在STEP 7中硬件組態(tài)。

其中電源模塊負(fù)責(zé)整個(gè)PLC系統(tǒng)的供電，CPU負(fù)責(zé)程序運(yùn)算，通訊卡（CP 343-1）和交換機(jī)負(fù)責(zé)SIMATIC S7-300 PLC與2級(jí)能源管理系統(tǒng)和2臺(tái)上位機(jī)間的工業(yè)以太網(wǎng) (Industrial Ethernet)通訊。SIMATIC S7-300 PLC與ET200遠(yuǎn)程控制柜間采用PROFIBUS DP通訊。在ET200遠(yuǎn)程站硬件組態(tài)中IM153-2模塊負(fù)責(zé)與CPU的通訊，I/O模塊負(fù)責(zé)信號(hào)采集和控制輸出功能。使用遠(yuǎn)程站可以將遠(yuǎn)程柜擺放于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的位置附近，信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)采集，通過(guò)通訊線傳遞給CPU，節(jié)省大量電纜，也減少了故障點(diǎn)并降低信號(hào)通過(guò)電纜傳輸過(guò)程中被干擾的幾率。

（2）上位機(jī)

本系統(tǒng)上位機(jī)選用2臺(tái)SIEMENS工控機(jī)（2.8G CPU、2G內(nèi)存、200G硬盤、配打印機(jī)），一臺(tái)作為工程師站（ES），一臺(tái)作為操作員站（OS）。其中工程師站（ES）不僅可以完成整個(gè)系統(tǒng)的工藝流程、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的顯示和監(jiān)控、實(shí)時(shí)曲線的顯示、歷史數(shù)據(jù)的保存、權(quán)限管理、報(bào)警、打印等功能，還能在線修改、編譯、保存程序，在方便調(diào)試的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)方面的冗余功能，當(dāng)一臺(tái)上位機(jī)出現(xiàn)故障的時(shí)候，另一臺(tái)上位機(jī)可以正常使用，保證熱處理爐正常生產(chǎn)。

1.2 軟件構(gòu)成

本系統(tǒng)軟件平臺(tái)采用Windows XP Professional，編程應(yīng)用軟件采用SIMATIC STEP7 V5.4+SP3，完成下位機(jī)S7-300 PLC基礎(chǔ)自動(dòng)化程序的硬件組態(tài)及軟件編程；上位機(jī)采用工控軟件WinCC V6.2編程組態(tài)，另外由于LAD、STL等傳統(tǒng)編程語(yǔ)言在編程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的Fuzzy control算法（模糊控制）時(shí)比較吃力，我們還引入了最新的結(jié)構(gòu)化文本編程軟件包（SCL），既簡(jiǎn)化了編程，也增加了程序的可讀性。

2 系統(tǒng)控制及實(shí)現(xiàn)

熱處理爐控制系統(tǒng)在控制功能上主要由：安全連鎖保護(hù)系統(tǒng)、爐門臺(tái)車側(cè)密封連鎖系統(tǒng)、鼓風(fēng)機(jī)恒壓供風(fēng)系統(tǒng)、燃?xì)饪偣苷{(diào)壓系統(tǒng)、溫度曲線設(shè)定系統(tǒng)、爐膛壓力控制系統(tǒng)、脈沖燃燒溫度控制系統(tǒng)、故障報(bào)警系統(tǒng)等8大子系統(tǒng)組成，下面針對(duì)以上各子系統(tǒng)逐一分析，并且重點(diǎn)解釋溫度曲線和脈沖燃燒控制系統(tǒng)。

2.1 安全連鎖保護(hù)子系統(tǒng)

由于該熱處理爐為燃?xì)鉅t，因此運(yùn)行時(shí)必須滿足相應(yīng)的開(kāi)爐條件，如燃?xì)鈮毫φ！⑾到y(tǒng)儀表氣源正常、鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常、系統(tǒng)低壓供配電電源正常等條件。為此選用壓力變送器、電接點(diǎn)繼電器等元件通過(guò)PLC時(shí)刻監(jiān)視系統(tǒng)壓力、電源等的狀態(tài)，在停爐狀態(tài)下，當(dāng)任意一條開(kāi)爐條件不滿足時(shí)，系統(tǒng)均不允許開(kāi)爐；系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中一旦任意一條件丟失，系統(tǒng)都將自動(dòng)切斷燃?xì)饪偣荛y門并警報(bào)，保證加熱安全運(yùn)行。

2.2 爐門臺(tái)車側(cè)密封連鎖系統(tǒng)

爐門臺(tái)車側(cè)密封連鎖系統(tǒng)是控制爐門臺(tái)車側(cè)密封運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，通過(guò)事先調(diào)試好的各個(gè)限位開(kāi)關(guān)，保證爐門、臺(tái)車等的動(dòng)作順序，并在限位內(nèi)運(yùn)行，以保護(hù)相關(guān)各設(shè)備不因誤操作損壞。

2.3 鼓風(fēng)機(jī)恒壓供風(fēng)系統(tǒng)

鼓風(fēng)機(jī)恒壓供風(fēng)系統(tǒng)是由安裝在空氣管道上的壓力變送器、PLC、風(fēng)機(jī)變頻器等組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。由壓力變送器負(fù)責(zé)將管道內(nèi)的風(fēng)壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流信號(hào)傳輸給PLC，由程序判斷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際值與設(shè)定值的差，結(jié)合經(jīng)典PID算法，由PLC向變頻器輸出信號(hào)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓的控制。

2.4 燃?xì)饪偣苷{(diào)壓系統(tǒng)

由于熱處理爐燒嘴嘴前需要保持基本恒定的燃?xì)鈮毫?，所以需要將燃?xì)饪偣艿膲毫刂圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)。燃?xì)饪偣苷{(diào)壓系統(tǒng)是由安裝在燃?xì)夤艿郎系膲毫ψ兯推鳌LC、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。由壓力變送器負(fù)責(zé)將管道內(nèi)的燃?xì)鈮毫π盘?hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流信號(hào)傳給PLC，經(jīng)判斷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際值與設(shè)定值之差，結(jié)合PID算法，控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)燃?xì)鈮毫Φ目刂啤?/p>

2.5 溫度曲線設(shè)定系統(tǒng)

熱處理爐溫度曲線設(shè)定系統(tǒng)就是允許操作者在上位機(jī)的畫面上按照一定的規(guī)則和工藝曲線，設(shè)定未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的爐溫自動(dòng)運(yùn)行理想曲線，曲線設(shè)定成功后，爐子會(huì)自動(dòng)按照設(shè)定的曲線，控制燒嘴的大小火動(dòng)作，使實(shí)際爐溫按照設(shè)定值進(jìn)行變化，提高了控制精度，降低了操作人員的工作強(qiáng)度。本系統(tǒng)允許最多設(shè)定8段溫度曲線，完全可以滿足生產(chǎn)要求，但是每段區(qū)間時(shí)間不得設(shè)為0（見(jiàn)圖2、圖 3）。

圖2 某熱處理工藝曲線

圖3 自動(dòng)升溫曲線SCL程序?qū)崍D

2.6 爐膛壓力控制系統(tǒng)

爐膛壓力控制系統(tǒng)控制原理與前述風(fēng)壓控制系統(tǒng)、燃?xì)鈮毫刂葡到y(tǒng)類似，只是取壓元件與受控設(shè)備不同。

2.7 脈沖燃燒溫度控制系統(tǒng)

脈沖燃燒溫度控制系統(tǒng)是熱處理爐控制系統(tǒng)中的核心部分，是熱處理爐控制系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。眾所周知，燃?xì)鉅t在控制過(guò)程中，有大慣性、時(shí)變、滯后性等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的控制理論對(duì)于簡(jiǎn)單明確的系統(tǒng)有強(qiáng)而有力的控制能力，但對(duì)復(fù)雜或難以精確描述的系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制算法總是達(dá)不到理想效果，控溫精度差強(qiáng)人意。因此本文嘗試以模糊控制理論來(lái)處理這些控制問(wèn)題。取設(shè)置溫度與實(shí)際測(cè)量溫度之差，將差值與正負(fù)兩方向的誤差范圍相比較，分出若干等級(jí)：

NB=負(fù)方向大的偏差 (Negative Big)；

NM=負(fù)方向中的偏差 (Negative Medium)；

NS=負(fù)方向小的偏差 (Negative Small)；

ZO=近于零的偏差 (Zero)；

PS=正方向小的偏差 (Positive Small)；

PM=正方向中的偏差 (Positive Medium)；

PB=正方向大的偏差 (Positive Big)。

按照誤差等級(jí)分別配以不同的大小火燃燒方式和燃燒時(shí)間以控制爐膛溫度。

2.8 故障報(bào)警系統(tǒng)

本系統(tǒng)結(jié)合PLC的運(yùn)算能力和WINCC的強(qiáng)大報(bào)警模塊功能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行中各個(gè)量的報(bào)警觸發(fā)，當(dāng)系統(tǒng)中某個(gè)過(guò)程值達(dá)到報(bào)警限時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)并在HMI畫面上顯示報(bào)警部位及報(bào)警值。故障嚴(yán)重時(shí)將觸發(fā)停爐保護(hù)系統(tǒng)，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3 應(yīng)用效果

至今，該控制系統(tǒng)已在多臺(tái)熱處理爐上調(diào)試運(yùn)行，控制穩(wěn)定，控溫精度高，響應(yīng)快（見(jiàn)圖4）。

圖4 模糊控制算法應(yīng)用HMI畫面

4 結(jié)語(yǔ)

本文所述系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)提供良好的人機(jī)界面，進(jìn)行全系統(tǒng)的監(jiān)控和管理，以PLC作為下位機(jī)執(zhí)行可靠有效的分散控制。通過(guò)模糊控制、PID控制等算法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各設(shè)備的聯(lián)鎖控制和過(guò)程控制。既滿足熱處理爐的安全運(yùn)行，又達(dá)到了節(jié)能降耗和提高控制水平的目的，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。