基于PLC的高爐上料控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與配置

畢艷國 徐榮興

蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司煉鐵部，安徽 蕪湖 241002

1 概述

高爐上料系統(tǒng)是保證高爐正常生產(chǎn)的關(guān)鍵。高爐冶煉原料必須通過上料系統(tǒng)的主卷揚(yáng)料車輸送到高爐爐缸內(nèi)，它的穩(wěn)定直接關(guān)系到高爐的正常運(yùn)行。通過對(duì)國內(nèi)外高爐三電系統(tǒng)的分析，高爐上料系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜而繁瑣的控制系統(tǒng)，具有設(shè)備分散，控制點(diǎn)多等特點(diǎn)。為了提高高爐上料的效率，必須采用高效可靠的控制系統(tǒng)和控制設(shè)備。

2 高爐上料系統(tǒng)

高爐上料系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示，本圖是某廠3#高爐監(jiān)控系統(tǒng)主畫面。

圖1 某廠3#高爐監(jiān)控系統(tǒng)主畫面

高爐上料系統(tǒng)主要由槽下備料系統(tǒng)、料車卷揚(yáng)系統(tǒng)和上料液壓系統(tǒng)組成。槽下備料系統(tǒng)由多個(gè)料倉組成，這些料倉分別儲(chǔ)備焦碳、燒結(jié)礦、球團(tuán)礦等原料，上料時(shí)通過主皮帶送給中間斗；料車卷揚(yáng)系統(tǒng)是把中間斗送來的原料送到高爐料鐘里面，再由料鐘放到高爐內(nèi)進(jìn)行熔煉；上料液壓系統(tǒng)就是通過程序控制，在合適的時(shí)間打開槽下料倉和高爐大小均壓閥及料鐘，分別把倉斗里的原料送入中間斗和把料鐘里的原料送入爐內(nèi)進(jìn)行冶煉。

3 PLC硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與配置

本控制系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)，用上位機(jī)集中配料并監(jiān)控，下位機(jī)采用PLC及其分站控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行，從而達(dá)到可靠控制上料和集中管理的目的。

為綜合PLC和PC機(jī)工作站各自的優(yōu)點(diǎn)，又降低成本，本設(shè)計(jì)采用了在高爐上料生產(chǎn)線上使用PLC＋PC工作站的集散型操作管理站的硬件組態(tài)[1]。這種配置的特點(diǎn)是控制可靠、設(shè)置靈活，具有很好的人機(jī)界面及強(qiáng)大的圖形、信息（數(shù)據(jù)）處理功能、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，各操作站之間互換性好，是高爐上料控制系統(tǒng)的一種理想選擇。

本系統(tǒng)由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分散，不宜將所有PLC模塊都集中到一起來控制，這樣將浪費(fèi)太多的電纜，運(yùn)行過程中故障率也大大增加，為此充分利用S7系列PLC的擴(kuò)展功能，將PLC模塊分成4個(gè)分站來控制，它們之間用IM接口模塊，通過Profibus協(xié)議進(jìn)行通信，4個(gè)分站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1～2所示。

圖2 分站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

1)中央基板和PS電源 CPU CP模塊的設(shè)計(jì)

中央基板是用來安裝CPU和CP模塊的，中央基板有UR1 UR2 UR2-HCR2等集中型號(hào)，UR1 UR2型基板作為中央基板時(shí)，可安裝除接收IM外的所有S7-400模塊。UR2-H基板用于在一個(gè)基板上安裝兩個(gè)中央基板或兩個(gè)擴(kuò)展基板，CR2基板用于安裝分段的中央基板。本系統(tǒng)中央基板主要用來安裝PS電源模塊、CPU模塊和CP模塊，其余的模塊都安排在分站上安裝，因此本系統(tǒng)選擇UR2基板作為中央基板最為合適。UR1和UR2基板的技術(shù)特性如表1所示。

表1 UR1和UR2基板的技術(shù)特性

本系統(tǒng)控制的點(diǎn)數(shù)多，程序復(fù)雜，分站點(diǎn)也較多，因此本系統(tǒng)選用CPU414-2DP型CPU，CPU414-2DP內(nèi)置256K字節(jié)RAM，可擴(kuò)展64MB快閃存儲(chǔ)卡FEPROM，可擴(kuò)展最大64MB存儲(chǔ)卡RAM；帶后備電池，使數(shù)據(jù)在斷電時(shí)不丟失；S7計(jì)數(shù)器256個(gè)，計(jì)數(shù)范圍從1到999；S7定時(shí)器256個(gè)，計(jì)時(shí)范圍10ms～9990s；OB塊最大容量64K字節(jié)；FB和FC程序塊最多256個(gè)；有一個(gè)MPI/Profibus通信接口和一個(gè)專為Profibus通信接口，可組態(tài)兩個(gè)DP網(wǎng)；額定電壓24VDC，典型電流總線消耗1.5A，最大1.6A。

CP通信模塊選用CP443-1，它支持工業(yè)以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議，電源模塊選用PS407 -10A，它足以滿足本系統(tǒng)的要求。

2)槽下備料分站PLC模塊的設(shè)計(jì)

槽下備料分站主要控制各個(gè)料倉的振動(dòng)篩和給料機(jī)的運(yùn)行共有14個(gè)給料機(jī)，8個(gè)振動(dòng)篩，因此需要，還有主皮帶的運(yùn)行，全都是數(shù)字量信號(hào)。它的輸入點(diǎn)有各個(gè)振動(dòng)篩和給料機(jī)的運(yùn)行、故障信號(hào)，共有14臺(tái)給料機(jī)，8臺(tái)振動(dòng)篩，因此需要44個(gè)輸入點(diǎn)；皮帶跑偏信號(hào)，有2條主皮帶1條碎礦皮帶，需3個(gè)輸入點(diǎn)；各個(gè)倉閘門的開位、關(guān)位信號(hào)，共有12個(gè)倉，需24個(gè)輸入點(diǎn)；根據(jù)程序的設(shè)計(jì)，每個(gè)料倉還設(shè)計(jì)有料空、料滿、允上料、允放料信號(hào)，這些信號(hào)由稱量PLC發(fā)出，共有12個(gè)料倉，需48個(gè)輸入點(diǎn)。因此槽下備料分站共需44+3+24+48=119個(gè)輸入點(diǎn)，本系統(tǒng)選用DI32×DC24V數(shù)字量輸入模塊，一個(gè)模塊有32個(gè)數(shù)字量輸入通道，為了留有一定的擴(kuò)展余量，本站用了6個(gè)DI32×DC24V數(shù)字量輸入模塊。它的輸出點(diǎn)主要有各個(gè)振動(dòng)篩和給料機(jī)的啟動(dòng)，還有2條主皮帶和1條碎礦皮帶的啟動(dòng)，共需要12+12+3=27個(gè)輸出點(diǎn)，本系統(tǒng)選用DO32×DC24V/0.5的數(shù)字量輸出模塊，它有32個(gè)數(shù)字量輸出通道，為了給今后的擴(kuò)展留有余量，選用2個(gè)DO32×DC24V/0.5A數(shù)字量輸出模塊。

3)槽下操作臺(tái)分站PLC模塊的設(shè)計(jì)

槽下操作臺(tái)主要的功能是在PLC與上位機(jī)通信中斷的情況下，能手動(dòng)上料，它還負(fù)責(zé)各個(gè)倉門的開關(guān)。

輸入點(diǎn)有各個(gè)振動(dòng)篩和給料機(jī)的自動(dòng)和手動(dòng)選擇，需48點(diǎn)；皮帶的自動(dòng)和手動(dòng)選擇，需6點(diǎn)；倉門的自動(dòng)選擇，手動(dòng)開，手動(dòng)關(guān)，12個(gè)倉門需36點(diǎn)；探尺、料車、均壓、料鐘等的自動(dòng)選擇，手動(dòng)開和關(guān)，共需要35點(diǎn)，因此共需要48+6+36+35=125個(gè)輸入點(diǎn)，本站設(shè)計(jì)了4個(gè)DI32×DC24V的數(shù)字量輸入模塊。

輸出點(diǎn)主要是控制各個(gè)倉門的開和關(guān)，共需12×2=24個(gè)輸出點(diǎn)，還有卷揚(yáng)和探尺的8到9個(gè)指示燈。因此本站設(shè)計(jì)了2個(gè)DO32×DC24V的數(shù)字量輸出模塊。

4)液壓分站PLC模塊的設(shè)計(jì)

液壓分站主要負(fù)責(zé)12個(gè)倉的開關(guān)、大小均壓閥的開關(guān)、大小鐘的開關(guān)和3臺(tái)液壓泵的啟停工作。

輸入模塊的配置：12個(gè)倉的開和關(guān)信號(hào)需24個(gè)輸入點(diǎn)，大小均壓及大小鐘的開和關(guān)信號(hào)需8個(gè)輸入點(diǎn)，3臺(tái)泵的運(yùn)行和故障信號(hào)需6個(gè)輸入點(diǎn)，因此共需要24+8+6=38個(gè)輸入點(diǎn)，為此配置了2個(gè)DI32×DC24V的數(shù)字量輸入模塊。

輸出模塊的配置：12個(gè)倉的開和關(guān)需24個(gè)輸出點(diǎn)，大小均壓及大小鐘的開和關(guān)需8個(gè)輸出點(diǎn)，3臺(tái)泵的啟動(dòng)需3個(gè)輸出點(diǎn)，因此共需要24+8+3=35個(gè)輸出點(diǎn)，為此配置了2個(gè)DO32×DC24V的數(shù)字量輸出模塊。

5)卷揚(yáng)上料分站PLC模塊的設(shè)計(jì)

卷揚(yáng)上料分站主要負(fù)責(zé)料車、探尺、布料器的運(yùn)行；直流調(diào)速控制柜的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視；料鐘系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

數(shù)字量輸入點(diǎn)有料車的狀態(tài)點(diǎn)，有減速、低速檢查、上限、超極限、松繩、小鐘檢查、料車底部等信號(hào)，由于是雙料車，因此需要7×2=14點(diǎn)；直流調(diào)速控制柜運(yùn)行狀態(tài)有系統(tǒng)進(jìn)線合閘、系統(tǒng)輸出合閘、系統(tǒng)故障、系統(tǒng)工作等信號(hào)，本系統(tǒng)有一用一備兩個(gè)控制柜，因此需要4×2=8個(gè)輸入點(diǎn)；料鐘的開關(guān)信號(hào)有8個(gè)；探尺的運(yùn)行狀態(tài)有合閘、集中、故障、零位、上限、下限、超上限。本系統(tǒng)采用雙探尺探測(cè)料面，因此需要7×2=14個(gè)輸入點(diǎn)；還有布料器的位置檢測(cè)需要7個(gè)輸入點(diǎn)，為此本站設(shè)計(jì)了3個(gè)DI32×DC24V數(shù)字量輸入模塊。

輸出模塊主要用來控制料車、探尺、布料器的運(yùn)行，所需輸出點(diǎn)不多，本站設(shè)計(jì)了1個(gè)DO32×DC24V數(shù)字量輸出模塊。

本站還設(shè)計(jì)了1個(gè)AI8×12BIT的模擬量模塊，用來檢測(cè)電機(jī)電流等信號(hào)。本站還需要檢測(cè)料車和探尺的實(shí)時(shí)位置，為此設(shè)計(jì)了3個(gè)FM365 COUNTER高速計(jì)數(shù)模塊，用來接收光電編碼器發(fā)出的脈沖信號(hào)，實(shí)時(shí)記錄料車和探尺的位置。

4 結(jié)語

分析了某廠高爐上料系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)硬件的組成、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，明確了系統(tǒng)所采用的PC+PLC的集散式控制的硬件組態(tài)配置；對(duì)項(xiàng)目的創(chuàng)建步驟、模塊地址選擇、模擬量信號(hào)的類型定義進(jìn)行了說明。該硬件系統(tǒng)在使用過程發(fā)揮了DCS集散控制的優(yōu)越性，現(xiàn)場(chǎng)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、運(yùn)行可靠，降低因線路故障帶來的故障維修率的同時(shí)也減少了設(shè)備線路敷設(shè)的成本投資；PLC主站和上位操作站之間的通信也是利用技術(shù)成熟的工業(yè)以太網(wǎng)保證了大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)目焖夙憫?yīng)。

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