基于PLC的小型高爐熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

史琳蕓

(寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 寶雞 721301)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長，使鋼鐵產(chǎn)業(yè)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大。高爐對于鋼鐵產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大起到了舉足輕重的作用。但是高爐因爐齡過長，其內(nèi)部設(shè)備易出現(xiàn)老化現(xiàn)象，將傳統(tǒng)高爐與新建高爐相比，傳統(tǒng)高爐內(nèi)部自動化設(shè)備與新建高爐之間的差異性較大，可直接影響高爐鐵水的產(chǎn)量，并且老化的設(shè)備易使高爐出現(xiàn)一定安全隱患。為此，本研究提出一種基于PLC的小型高爐熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案可改善工人的工作環(huán)境，有利于降低工人的勞動強(qiáng)度。

1 基于PLC的小型高爐熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本研究為實(shí)現(xiàn)對小型高爐熱風(fēng)爐工藝設(shè)備和檢測儀表的監(jiān)視和控制，充分結(jié)合熱風(fēng)爐生產(chǎn)工藝工序的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一套可實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐生產(chǎn)操作的基礎(chǔ)自動控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)出兩套上位機(jī)系統(tǒng)，其中一套上位機(jī)系統(tǒng)用于小型高爐熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)中，另一套上位機(jī)系統(tǒng)作為備用機(jī)，兩套上位機(jī)系統(tǒng)之間處于相互獨(dú)立的狀態(tài)。在上位機(jī)系統(tǒng)的支持下，可實(shí)現(xiàn)高爐熱風(fēng)爐工藝過程的全面監(jiān)控，監(jiān)控畫面最終以畫面的形式呈現(xiàn)給工作人員。為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)在線通信，向熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)內(nèi)部接入工業(yè)以太網(wǎng)，以此構(gòu)成完善的高爐區(qū)域局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，工作人員通過高爐主控室即可實(shí)現(xiàn)對熱風(fēng)爐工藝過程的集中監(jiān)控。

為保證熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的安全性、可靠性，本研究采用非冗余的設(shè)計(jì)方案完成熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。熱風(fēng)爐工藝操作的控制方式包括4種：全自動、半自動、手動以及檢修操作控制方式，采用手動操作控制方式和檢修操作控制方式對熱風(fēng)爐進(jìn)行控制時(shí)，便于工作人員對熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行檢修以及開爐、停爐操作[1]。

1.1 全自動操作控制方式

該控制方式主要包括送風(fēng)時(shí)間設(shè)定和溫度設(shè)定兩種，采用該方式對熱風(fēng)爐進(jìn)行控制時(shí)，應(yīng)將系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的送風(fēng)時(shí)間或爐頂溫度作為主要依據(jù)，按照程序或者連鎖方式的順序控制每個(gè)閥門的動作，以此實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐的自動送風(fēng)換爐。送風(fēng)時(shí)間設(shè)定完畢后，等待一座熱風(fēng)爐送風(fēng)時(shí)間結(jié)束，將其轉(zhuǎn)換為燃燒狀態(tài)，并將下一座準(zhǔn)備好送風(fēng)的熱風(fēng)爐轉(zhuǎn)換為送風(fēng)狀態(tài)。溫度設(shè)定實(shí)際上是將熱風(fēng)爐燃燒到系統(tǒng)需要的拱頂溫度，達(dá)到拱頂溫度后將其轉(zhuǎn)換為送風(fēng)狀態(tài)。為有效防止系統(tǒng)出現(xiàn)熱損失，在熱風(fēng)爐處于送風(fēng)狀態(tài)時(shí)，對熱風(fēng)爐進(jìn)行燜爐操作。若熱風(fēng)爐為直接轉(zhuǎn)換為送風(fēng)狀態(tài)，需要將該座熱風(fēng)爐轉(zhuǎn)為燃燒狀態(tài)，并將下一座準(zhǔn)備好送風(fēng)的熱風(fēng)爐轉(zhuǎn)為送風(fēng)狀態(tài)[2]。

1.2 半自動操作控制方式

工作人員采用該方式控制熱風(fēng)爐時(shí)，可將現(xiàn)場采集的信號作為依據(jù)，以此查看各個(gè)熱風(fēng)爐的燃燒狀態(tài)。判斷熱風(fēng)爐的拱頂溫度或者壓力是否達(dá)到換爐條件，通過手動方式實(shí)現(xiàn)換爐操作。換爐過程僅需操作員按下操作按鈕即可完成任務(wù)，熱風(fēng)爐的每個(gè)閥門動作需要按照程序設(shè)定或聯(lián)鎖方式執(zhí)行。采用半自動操作控制方式可最大限度地減輕操作員的工作強(qiáng)度，并有效降低操作員的出錯概率。

1.3 手動操作控制方式

采用手動操作方式控制熱風(fēng)爐時(shí)，需要操作員架構(gòu)閥門連鎖按鈕達(dá)到連鎖方式上，該過程應(yīng)嚴(yán)格遵循操作規(guī)程，并按照開閥或者關(guān)閥執(zhí)行熱風(fēng)爐的送風(fēng)、換爐等操作。操作員對熱風(fēng)爐進(jìn)行操作過程中，需一直保持閥門的聯(lián)鎖方式，最大限度地避免操作員出現(xiàn)錯誤操作[3]。

1.4 檢修操作控制方式

該控制方式主要用于熱風(fēng)爐的檢修和前期調(diào)試，采用檢修操作方式控制熱風(fēng)爐時(shí)，操作員應(yīng)充分結(jié)合熱風(fēng)爐的實(shí)際情況，選擇單獨(dú)操作一個(gè)閥門，操作過程無需受任何閥門之間聯(lián)鎖關(guān)系的制約。

2 基于PLC的小型高爐熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器的掃描周期包括3個(gè)階段：輸入采樣、用戶程序執(zhí)行以及輸出刷新。在實(shí)際操作過程中，該控制器將3個(gè)階段作為一個(gè)掃描周期，以此實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐的循環(huán)掃描。由中央處理單元內(nèi)部CPU完成可編程邏輯控制器的整個(gè)工作周期掃描速度的設(shè)定，該過程需要反復(fù)制定控制器的掃描周期。可編程邏輯控制器組成結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。

圖1 可編程邏輯控制器組成結(jié)構(gòu)圖

本研究對熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，選用S7-400型PLC作為系統(tǒng)的核心設(shè)備，有利于提高熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度。該控制器具有較高的運(yùn)行速度、通訊性能以及兼容性等特征，可廣泛應(yīng)用于中、大型控制系統(tǒng)。為最大限度地降低熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的開發(fā)成本，在S7-400型PLC的基礎(chǔ)上結(jié)合ET200M型PLC，將兩個(gè)型號控制器充分融合，有利于提高熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的可靠性。

西門子S7-400型PLC包含多個(gè)通訊方式，其中MPI多點(diǎn)接口網(wǎng)絡(luò)可作為S7-400型PLC眾多通訊方式中的代表。MPI多點(diǎn)接口網(wǎng)絡(luò)可用于編程結(jié)構(gòu)，同時(shí)可作為數(shù)據(jù)通信接口。通常情況下，MPI多點(diǎn)接口網(wǎng)絡(luò)主要集成在CPU內(nèi)，可同時(shí)連接編程器、計(jì)算機(jī)以及HMI系統(tǒng)等。

將S7-400型PLC作為熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的主站，借助西門子IM153接口模塊擴(kuò)展控制分站。在PROFIBUS-DP通信網(wǎng)絡(luò)的支持下，向熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)內(nèi)增加ET200M模塊，以此組成分布式S7-400控制系統(tǒng)。ET200M模塊可實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)內(nèi)數(shù)字量信號以及模擬量信號，并將信息發(fā)送至現(xiàn)場設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制[5]。

2.2 西門子STEP7編程軟件

本研究采用西門子STEP7編程軟件完成熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的程序編寫，該軟件的界面為全英文，具有較強(qiáng)的算數(shù)功能、編程簡單、集成度高等特點(diǎn)，可直面于客戶。該軟件內(nèi)部包括用戶程序的塊結(jié)構(gòu)，用戶快由程序代碼和用戶數(shù)據(jù)共同組成，可用于處理循環(huán)調(diào)用。該軟件的編程方式包括三種：線性程序、分布式程序、結(jié)構(gòu)化程序。為最大限度地提升軟件工作效率，需將三種編程方式混合使用，以此增加程序的可讀性。西門子STEP75.5用戶程序的塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 西門子STEP75.5用戶程序的塊結(jié)構(gòu)

用戶塊結(jié)構(gòu)中OB為周期掃描運(yùn)行接口，可用于模塊的調(diào)用與管理，該組織塊具有節(jié)約時(shí)間成本的優(yōu)勢。功能塊FB內(nèi)部包含存儲區(qū)，可用來傳遞參數(shù)數(shù)據(jù)。功能FC不包含存儲器，在實(shí)際應(yīng)用過程中無需帶背景數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)塊DB在系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)運(yùn)行系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)。系統(tǒng)塊在該軟件中不占用程序存儲空間。西門子STEP75.5用戶程序塊類型如表1所示[6]。

表1 西門子STEP75.5用戶程序塊類型

STEP75.5程序循環(huán)執(zhí)行過程為：首先，為執(zhí)行程序通電，等待啟動塊上電后執(zhí)行一次掃描，將現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)信息以及讀入至映像寄存器中；其次，檢查系統(tǒng)中斷狀態(tài)，執(zhí)行STEP75.5程序，將CPU處理器作為主站，采用全雙工的方式實(shí)現(xiàn)通信；最后，執(zhí)行CPU硬件的自我診斷方式，等待OB塊運(yùn)行一周后，對CPU的輸出映像存儲區(qū)進(jìn)行輸出刷新，通過相應(yīng)的輸出模塊控制熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備。

森圖斯自2002年以來一直從能源部租借K-1600，開展先進(jìn)鈾濃縮離心機(jī)的試驗(yàn)和示范工作。與此同時(shí)，該公司在其同樣位于橡樹嶺的技術(shù)和制造中心(TMC)開展離心機(jī)的制造、工程和設(shè)計(jì)工作。

2.3 WINCC監(jiān)控系統(tǒng)

本研究采用WINCC監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)上位機(jī)作為熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備，WINCC具有較強(qiáng)的功能性，其內(nèi)部集成大型數(shù)據(jù)庫SQL Server，可用于熱風(fēng)爐生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。將WINCC應(yīng)用于熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)中，無需對WINCC的計(jì)算機(jī)參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置，將其與編程軟件STEP7建立通信連接，即可減輕工作人員的工作量。WINCC軟件內(nèi)部包含工控機(jī)IPC-7120機(jī)箱英特爾酷睿22.6G CPU，前置I/O接口，可支持LGA775 PENTIUM4處理器，全部I/O接口均位于前面板上[7]。

2.4 熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)

本研究選用Profibus總線作為熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)，該通信網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的集中控制，有利于避免外界干擾因素對熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備向車間管理的轉(zhuǎn)換。Profibus總線由Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA共同組成，其中Profibus-DP為分布式外圍設(shè)備，Profibus-FMS為現(xiàn)場總線報(bào)文，Profibus-PA為過程控制自動化。為最大限度地提高熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的抗干擾能力，選用工業(yè)以太網(wǎng)作為該系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)的通用性較強(qiáng)，可適用于多種嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境，其內(nèi)部包含處理集成模塊，可實(shí)現(xiàn)電信號和光信號之間的轉(zhuǎn)換，便于程序員完成系統(tǒng)的程序開發(fā)。

本研究設(shè)計(jì)的小型高爐熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的通訊控制網(wǎng)絡(luò)主要包括兩層：第一層為工業(yè)以太網(wǎng)，工業(yè)以太網(wǎng)主要由交換機(jī)和S7-400CPU連接而成，可通過WINCC系統(tǒng)將工藝參數(shù)的設(shè)定值以及電氣設(shè)備的控制狀態(tài)上傳至下位機(jī)，由WINCC系統(tǒng)監(jiān)控界面負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示熱風(fēng)爐的工作狀態(tài)；第二層主要由S7-400PLC組成，通過PROFIBUS-DP與分布式ET200M即可組成主-從系統(tǒng)(單主站)通信網(wǎng)絡(luò)，該過程需要借助接口模塊IM153-2。

2.5 熱風(fēng)爐自動化儀表參數(shù)

該系統(tǒng)的儀表參數(shù)主要用于實(shí)時(shí)顯示熱風(fēng)爐的生產(chǎn)狀態(tài)，可為操作人員提供可視化的物理過程參數(shù)。對熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可將熱風(fēng)爐自動化儀表參數(shù)作為主要依據(jù)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警參數(shù)的設(shè)定。為最大限度地提高熱風(fēng)爐生產(chǎn)效率，可在系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)超過設(shè)定范圍時(shí)，采用相應(yīng)的報(bào)警模式，提示工作人員對系統(tǒng)的異常狀態(tài)進(jìn)行檢查。熱風(fēng)爐自動化儀表參數(shù)如表2所示。

3 基于PLC的小型高爐熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本研究對熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，按照層級結(jié)構(gòu)將熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的軟件部分劃分為4個(gè)階段：底層數(shù)據(jù)交換、控制層面、系統(tǒng)層面以及數(shù)據(jù)庫層面。不同階段的組成結(jié)構(gòu)各不相同。

3.1 底層數(shù)據(jù)交換階段

該階段的軟件工具由硬件網(wǎng)關(guān)廠家Prosoft開發(fā)，可與AB版卡的外形具有一致性，支持直接使用AB背板，具有較強(qiáng)的兼容性，可與Rslogix5000控制軟件之間直接組態(tài)。在該階段的支持下，有利于提高熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性[8]。

3.2 控制層面

3.3 系統(tǒng)層面

該層面主要由Honeywell Experion PKS控制軟件完成熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)操作畫面的制作，操作畫面制作完畢后，利用Web對熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的桌面進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問及登錄，同時(shí)工作人員可通過該層面完成不同用戶權(quán)限的設(shè)置。

3.4 數(shù)據(jù)庫層面

該層面主要采用Oracle 11g作為開發(fā)環(huán)境，由pl/sql developer作為熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的開發(fā)工具。通過該層面可從Experion PKS數(shù)據(jù)庫中抽取熱風(fēng)爐的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，將熱風(fēng)爐的關(guān)鍵數(shù)據(jù)添加至高爐總報(bào)表上，最后利用報(bào)表系統(tǒng)實(shí)施顯示熱風(fēng)爐的運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié) 語

本研究為實(shí)現(xiàn)對小型高爐熱風(fēng)爐工藝設(shè)備和檢測儀表的監(jiān)視和控制，充分結(jié)合熱風(fēng)爐生產(chǎn)工藝工序的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一套可實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐生產(chǎn)操作的基礎(chǔ)自動控制系統(tǒng)。在上位機(jī)系統(tǒng)的支持下，可實(shí)現(xiàn)高爐熱風(fēng)爐工藝過程的全面監(jiān)控，監(jiān)控畫面最終以畫面的形式呈現(xiàn)給工作人員。為提高系統(tǒng)的可靠性，選用S7-400型PLC作為系統(tǒng)的核心設(shè)備，該控制器具有較高的運(yùn)行速度、通信性能以及兼容性等特征，可廣泛應(yīng)用于中、大型控制系統(tǒng)。在S7-400型PLC的基礎(chǔ)上結(jié)合ET200M型PLC，可降低熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的開發(fā)成本。