西門子S7-300 PLC在天然氣熱風(fēng)爐中的應(yīng)用

段謨喜，孫益敏

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

西門子S7-300 PLC在天然氣熱風(fēng)爐中的應(yīng)用

段謨喜，孫益敏

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

介紹了天然氣爐燃燒前的管道氮?dú)庵脫Q、檢漏、爐體清掃及點(diǎn)火程序的邏輯關(guān)系，簡(jiǎn)單敘述了天然氣燃燒的安全條件。在程序編寫設(shè)計(jì)時(shí)，充分利用西門子軟件庫中自帶的PID功能塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱風(fēng)爐溫度、壓力的PID控制；結(jié)合西門子SCL編程語言的優(yōu)點(diǎn)，處理外部模擬量數(shù)據(jù)和復(fù)雜的函數(shù)公式計(jì)算，提升程序的執(zhí)行效率。在設(shè)備控制層與執(zhí)行層之間使用西門子的profibus-DP總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，解決了DCS監(jiān)控與PLC執(zhí)行之間的主從關(guān)系。

檢漏 ；清掃 ；SCL高級(jí)語言；FB41；PID

1 引言

為了治理大氣污染，國(guó)家出臺(tái)了相關(guān)法律，全面治理燃煤鍋爐，加快清潔能源的推廣，并針對(duì)污染物的排放出臺(tái)了更為嚴(yán)格的限制政策；同時(shí)加大了超標(biāo)排放的處罰力度。為了響應(yīng)國(guó)家的號(hào)召，加快能源的轉(zhuǎn)換，減少污染物的排放，2012年江銅制定了清潔能源發(fā)展規(guī)劃，決定在貴溪冶煉廠實(shí)施天然氣能源計(jì)劃，要求在2015年底完成天然氣替代現(xiàn)有燃料技術(shù)改造。備料車間作為燃煤大戶，2臺(tái)燃煤熱風(fēng)爐將全部拆除，改為節(jié)能、高效的一體化天然氣爐，并采用廠家提供的成套控制設(shè)備。

2 天然氣爐及控制系統(tǒng)

2.1 天然氣爐的組成

天然氣爐具有清潔衛(wèi)生、燃燒充分、熱效率高、溫度穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，其組成結(jié)構(gòu)分為：爐體、燒嘴、煙管、防爆閥、風(fēng)機(jī)、燃?xì)忾y組儀表、燃?xì)怆姎饪刂葡到y(tǒng)。其中最核心的部分是天然氣燒嘴的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的程序編寫［1］，燒嘴的結(jié)構(gòu)必須符合最優(yōu)的物質(zhì)燃燒學(xué)，有利于降低單位能耗；控制系統(tǒng)根據(jù)燃燒物質(zhì)的性質(zhì)及工藝要求而定，但一般都會(huì)把安全、經(jīng)濟(jì)的方案作為控制的第一要素。熱風(fēng)爐燃燒的工藝流程圖如圖1。

圖1 天然氣爐工藝流程

2.2 控制系統(tǒng)的選擇

由于天然氣控制系統(tǒng)在國(guó)外發(fā)展比較成熟，可以購買成套的設(shè)備及控制系統(tǒng)（內(nèi)置單片機(jī)控制），這種產(chǎn)品一般安全穩(wěn)定、使用方便、維修簡(jiǎn)單。這方面的代表品牌有：西門子、Honeywell、丹拂斯等。當(dāng)然也可以用PLC、DCS等設(shè)備自編控制程序。但無論是購買的成套設(shè)備還是自編程序，其關(guān)鍵是如何在燃燒噴嘴點(diǎn)火前控制天然氣與氧氣的混合比，只有這樣才能做到既安全可靠，又能保證充分燃燒。我們選擇的是廠家利用PLC自編控制程序。

3 上位機(jī)系統(tǒng)

3.1 PLC與DCS的通信

本控制系統(tǒng)采用西門子S7-300 PLC控制、操作，監(jiān)控采用DCS。PLC與DCS之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)交換，針對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境，為了保證操作的安全性和穩(wěn)定性，對(duì)燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥的開度、變頻器的頻率控制采用硬接線連到PLC輸入模塊，作為PLC的輸入信號(hào)，其他不參與控制的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采用profibus-DP通信方式［2］傳輸?shù)紻CS系統(tǒng)中進(jìn)行監(jiān)視。對(duì)于DCS與DP通信，需要對(duì)DP模塊的GSD文件進(jìn)行配置，參數(shù)設(shè)置需要注意兩點(diǎn)：（1） DCS設(shè)為主站，PLC為從站，波特率一致；（2）PLC下載時(shí)把調(diào)試模式去掉。

3.2 觸摸屏設(shè)置

觸摸屏與PLC用以太網(wǎng)進(jìn)行了通信，現(xiàn)場(chǎng)控制柜設(shè)置1塊10寸的觸摸屏，既可以進(jìn)行監(jiān)控，也可以設(shè)備調(diào)試、操作。一般參數(shù)設(shè)置好后，不允許修改，當(dāng)工藝參數(shù)發(fā)生變化，需要修改時(shí)，要求登錄到管理員級(jí)別，防止沒有授權(quán)的人修改參數(shù)。

4 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

PLC控制軟件采用STEP7 V5.5 SP2編程軟件，編程語言豐富，特別是SCL高級(jí)語言［3］，用它能夠?qū)崿F(xiàn)非常復(fù)雜的算法，適合建立各種各樣的數(shù)學(xué)模型來實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。

4.1 設(shè)備控制方式

設(shè)備啟動(dòng)方式采用以下三種方式：

（1）調(diào)試方式。 設(shè)備調(diào)試期間需要對(duì)單臺(tái)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，利用上位機(jī)對(duì)單臺(tái)設(shè)備進(jìn)行起、停的操作，設(shè)備間沒有聯(lián)鎖關(guān)系，不存在聯(lián)跳功能，便于對(duì)設(shè)備的調(diào)試及監(jiān)控。

（2）現(xiàn)場(chǎng)方式。 在現(xiàn)場(chǎng)操作箱上把轉(zhuǎn)換開關(guān)切到就地位置，從現(xiàn)場(chǎng)操作箱上發(fā)出啟動(dòng)、停止指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的操作，這樣方便設(shè)備的維修和緊急停車。

（3）自動(dòng)方式。 按照程序預(yù)先設(shè)定的工藝流程啟停設(shè)備，是設(shè)備正常運(yùn)行的一種方式，自動(dòng)方式有設(shè)備的聯(lián)鎖關(guān)系及安全聯(lián)鎖條件，只有全部條件滿足后方能啟動(dòng)設(shè)備。

4.2 程序設(shè)計(jì)

程序采用模塊化設(shè)計(jì)，思路清晰、易讀、易懂。按照燃燒設(shè)備功能劃分為：點(diǎn)火、風(fēng)機(jī)、閥門、火力、報(bào)警、模擬量等FC塊；對(duì)于功能相同的設(shè)備，編寫為功能塊FB，便于重復(fù)調(diào)用，如：電機(jī)、閥門的啟動(dòng)、停止。為了提高控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)、穩(wěn)定性，引入西門子PLC自帶溫度PID功能塊。

4.2.1 熱風(fēng)爐連鎖及程序結(jié)構(gòu)

首先，在熱風(fēng)爐啟動(dòng)前對(duì)熱風(fēng)爐安全聯(lián)鎖要求進(jìn)行自檢：（1）燃?xì)鈮毫κ欠裾＃唬?）燃?xì)忾y組的閥門進(jìn)行壓力檢漏；（3）用氮?dú)鈱?duì)管道進(jìn)行清掃。這三項(xiàng)自檢合格后，開始啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，進(jìn)行爐內(nèi)清掃。這一步非常重要，主要是防止天然氣泄漏產(chǎn)生的燃?xì)饫鄯e，在點(diǎn)火時(shí)發(fā)生意外爆炸事故。清掃完畢后，點(diǎn)火槍點(diǎn)火?；鹧鏅z測(cè)正常后，打開主火閥，主火燃燒、主火火焰檢測(cè)，完成了從點(diǎn)火到燃燒的過程。這些過程中需要注意：（1）熱風(fēng)爐的爐門，點(diǎn)火前應(yīng)完全開啟；（2）排煙風(fēng)機(jī)處于開啟并有一定的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，保證爐內(nèi)有一定的負(fù)壓；（3） 連續(xù)多次點(diǎn)火失敗后，應(yīng)間隔一段時(shí)間再啟動(dòng)；（4）火焰檢測(cè)同燃燒同時(shí)存在，一旦沒有檢測(cè)到火焰，將關(guān)閉系統(tǒng)；（5）對(duì)閥門的檢漏，依靠現(xiàn)場(chǎng)儀表的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在整套系統(tǒng)中對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)儀表的要求較高，必須保證絕對(duì)正常，否則可能帶來嚴(yán)重后果。點(diǎn)火啟動(dòng)邏輯關(guān)系如圖2。

圖2 點(diǎn)火邏輯關(guān)系

4.2.2 應(yīng)用SCL高級(jí)語言處理數(shù)據(jù)

SCL語言是西門子PCS7開發(fā)語言中的一種，由于其采用的是類似Pascal高級(jí)語言通俗易懂，可以簡(jiǎn)化程序的編寫、提高運(yùn)行效率、同時(shí)便于程序的閱讀和保密，近年來越來越被廣泛使用。在程序控制中需要對(duì)空氣、天然氣的流量、溫度、閥門的調(diào)節(jié)等模擬量的采集和輸出等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，下面以模擬量數(shù)據(jù)處理部分為例，設(shè)定 AI_IN為模擬量讀取值，data為最終的運(yùn)算值：

這段語句解釋為:

（1）如果輸入值小于量程最小值，則data=start；

（2）如果輸入值大于量程最大值，則data= substitute；

（3）如果輸入值在量程最小值和最大值范圍內(nèi)， 則 data=（Upper-Lower）/（Substitute-Start）*AI_IN。

可以看出，這種編程比梯形圖更加簡(jiǎn)單且富有邏輯性。

4.2.3 PID溫度控制

西門子的控制功能塊中，分別引入FB41、FB58功能塊［4-5］。FB41能實(shí)現(xiàn)PID連續(xù)變化的模擬量［6］，F(xiàn)B58為專業(yè)溫度PID控制功能塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精準(zhǔn)控制。PID的初始化可以在OB100中調(diào)用1次，將參數(shù)C0-RST置位；而PID的調(diào)用在OB35中完成，調(diào)用時(shí)間200ms。建立數(shù)據(jù)塊DB58用于設(shè)置PID的常用參數(shù)如：控制器采用時(shí)間、死區(qū)寬度、比例系數(shù)、積分微分時(shí)間等。其主要參數(shù)P、I、D值依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)調(diào)整到最佳狀態(tài)，確保溫度的時(shí)間設(shè)定值與實(shí)際測(cè)量值相差不大。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)以西門子S7-300 PLC為控制核心，現(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)采用觸摸屏控制，利用profibus-DP總線通訊實(shí)現(xiàn)了DCS的遠(yuǎn)程操作、監(jiān)控等功能。這套天然氣燃燒控制系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來具有運(yùn)行穩(wěn)定，操作使用方便等特點(diǎn)，提高了生產(chǎn)效率。

［1］吳彬,陣軍, 段清波. 天然氣電石爐氣雙燃料燃爐PLC控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]. 中國(guó)氯堿, 2012(2):22-25.

［2］張秀龍. 龍剛領(lǐng). 基于Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)操作員站直接控制從站問題的研究[J]. 自動(dòng)化技術(shù)及應(yīng)用, 2014, 33(3):49-51.

［3］劉國(guó)棟. S7-SCL語言在軋鋼設(shè)備中的應(yīng)用[J]. 山西冶金, 2014(6):47-49.［4］張林. FB41在南疆鋼鐵基地煤氣混合調(diào)壓站的應(yīng)用[J]. HMI及PLC控制系統(tǒng), 2013(3):71-72.

［5］徐蘭君， 邵衛(wèi)宏. 西門子PLC在工業(yè)熱處理電爐中的運(yùn)用[J]. 工業(yè)爐, 2007(4):41-43.

［6］董春雨, 林清周. 西門子PLC內(nèi)嵌PID塊的高爐爐壓調(diào)節(jié)應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2012(3):3.

Application of Siemens S7-300 PLC inthe Gas Hot Stove

DUAN Mo-xi, SUN Yi-min
（Guixi Smelter, Jiangxi Copper Corporation, Guixi 335424, Jiangxi, China）

In this paper, the logical relationshipsamong the pipeline N2-replacement, leak test, cleaning and ignition program before natural gas furnacecombustion are introduced, the natural gas safety conditions are described briefly. When the program is designed, combined with Siemens software library PID function block, to achieve the temperature of the hot stove and pressure PID control. Using Siemens SCL programming language,the external analog data processing and complex function formula can be treated,the program execution efficiency is improved. Applying Siemens profibus-DP bus for data exchange between control layer and device layer, the master-slave relationship between the DCS and PLC control is solved.

leak test；cleaning；SCL higher language；FB41；PID

TF806

B

1009-3842（2016）06-0076-03

2016-09-04

段謨喜（1983-），男，江西九江人，工程師，主要從事設(shè)備管理工作。E-mail：goldlongy@163.com