基于PLC的硅鐵配料自動化控制系統(tǒng)的設計與應用

吳明永，李菊生，王國偉（蘭州城市學院培黎石油工程學院，甘肅蘭州730070）

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基于PLC的硅鐵配料自動化控制系統(tǒng)的設計與應用

吳明永，李菊生，王國偉
（蘭州城市學院培黎石油工程學院，甘肅蘭州730070）

摘要：根據(jù)硅鐵配料工藝要求，系統(tǒng)采用計算機和PLC下位機相結合的形式。重點論述了系統(tǒng)工藝流程、總體設計方案、軟硬件結構設計，從而使該配料系統(tǒng)按要求自動完成加料、布料、混料輸送全過程。上位機使用組態(tài)軟件WinCC，實現(xiàn)了對現(xiàn)場設備工作狀態(tài)的監(jiān)視，設計了配料工藝流程、配方設定、報表查詢、故障記錄等功能界面。實踐結果表明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，配料精確，取得滿意的使用效果，實現(xiàn)了節(jié)能增效。

關鍵詞：硅鐵配料；輸送；可編程控制器；通信；監(jiān)控

在冶金企業(yè)中，配料質(zhì)量控制的優(yōu)劣直接關系硅鐵電爐能否冶煉出合格的產(chǎn)品。只有配料系統(tǒng)精確地將電爐所需物料按一定的比例配比好裝入原料倉中，通過運料皮帶將配好的原料加入爐內(nèi)，才能滿足硅鐵正常生產(chǎn)的需求，因此配料系統(tǒng)在整個電爐冶金系統(tǒng)中尤為重要［1］。目前硅鐵配料控制系統(tǒng)主要存在的問題是：系統(tǒng)可靠性差，配料精度低，缺少對生產(chǎn)過程的實時動態(tài)監(jiān)控，以及對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的管理能力不足。因此，結合成熟的PLC控制技術、變頻調(diào)速技術、組態(tài)軟件監(jiān)控技術、通訊技術來設計新型配料控制系統(tǒng)，不僅可以提高配料精度和穩(wěn)定爐況，也大大減輕了崗位工人的勞動強度，增產(chǎn)降耗，對保障硅鐵生產(chǎn)線的穩(wěn)定運行和提高生產(chǎn)效率都有重要的現(xiàn)實意義。

本文以內(nèi)蒙古某冶金企業(yè)的冶煉工程項目為背景進行了硅鐵冶煉自動化配料控制系統(tǒng)的設計開發(fā)，以實現(xiàn)控制系統(tǒng)按照所設定的各種礦石配比，精確配制，以達到控制各種冶煉產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，同時可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化和智能化、企業(yè)的科學管理、安全穩(wěn)定生產(chǎn)和節(jié)能降耗。

1　硅鐵配料工藝及生產(chǎn)流程

冶煉硅鐵的特點是必須加工處理大量的原料，按照一定的比例稱量，混合后形成均勻料，而配料的質(zhì)量很大程度上決定著生產(chǎn)的技術經(jīng)濟指標［2］。硅鐵配料工藝流程如圖1所示，配料中所采用的主要原料有木屑（1#物料倉）、硅石（2#物料倉）、精煤（3#物料倉）、石油焦（4#物料倉）、鋼屑（5#物料倉）等，其配料過程整體上可以分為5種物料的定量給定、稱重、布料、混合料輸送和卸料等4個主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，涉及生產(chǎn)設備有：5個物料倉、5個稱重斗、5臺振動給料機、5條布料皮帶機、1條水平運料皮帶機、1條大傾角皮帶機、落料和卸料裝置等。本系統(tǒng)采用“單料單秤”的稱量方式，各臺秤可同時進行稱量，統(tǒng)一布料，稱量精度高，配料速度快。

圖1　硅鐵配料工藝流程Fig.1 Ferrosilicon batching process

硅鐵配料的工藝流程是，先按照配方將硅石、精煤、鋼屑及輔料分別稱量，等稱量結束時，系統(tǒng)檢驗是否滿足布料條件，如給料電振機停止，運料皮帶已啟動等。如果滿足布料條件，則系統(tǒng)按規(guī)定順序開始布料，使各種原料的料頭對齊，分層平鋪在水平運料皮帶機上，混合料經(jīng)大傾角運料皮帶機送入爐頂?shù)姆至蟼}，打開分料倉底端的卸料閘門，最終將混合物料送至礦熱爐內(nèi)。經(jīng)過一定延時后，系統(tǒng)開始配下一批原料。

2　硅鐵配料系統(tǒng)的構成

本系統(tǒng)采用如圖2所示的由上位工控機和下位機PLC構成的兩級控制系統(tǒng)。上下位通過ETH-iBUS以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換模塊進行TCP/IP通訊。PLC與現(xiàn)場稱重儀表和給料、布料和輸送等變頻器采用MODBUS協(xié)議通訊。

圖2　配料控制系統(tǒng)結構框圖Fig.2 Batching control system structure diagram

上位工控機完成整個工藝過程的集中管理，利用組態(tài)軟件實現(xiàn)配料過程進度的動態(tài)監(jiān)控和對系統(tǒng)中各個裝置的工作狀態(tài)實時監(jiān)控，并可以對配料數(shù)據(jù)，報警記錄和故障進行打印等。

下位機通過MODBUS通信協(xié)議實現(xiàn)PLC與稱重儀表、變頻器的實時數(shù)據(jù)交換，完成配料數(shù)據(jù)的處理、計算以及配料過程的控制。由于PLC接受的是通訊信號，無需進行模擬量轉(zhuǎn)換計算，不會增加多余誤差；PLC對配料設備進行直接控制可降低系統(tǒng)故障風險，真正實現(xiàn)了集中管理、分散控制的目的。

在配料過程中，PLC不斷從稱重儀表讀取重量值，與設定的配方和程序相比較，作出判斷，控制給料機的啟停和快慢給料。加料完成后，開始啟動運料皮帶和布料電振機進行布料、混合料輸送。

3　配料系統(tǒng)的硬件設計

要保證配料的精度和快速性，必須根據(jù)工藝要求、所需配制物料的特性等因素進行綜合分析，首先選擇合理的稱量方式和生產(chǎn)線的結構形式，然后正確選擇傳感器、稱量儀表以及設計合理的總體控制方案并綜合考慮其他相關因素，這樣才能設計出精度高、成本低、符合要求的自動配料系統(tǒng)。

3.1硬件設備選型

為了滿足硅鐵配料生產(chǎn)自控系統(tǒng)的設計要求，選用西門子公司SIMATICS7-200PLC和高性能研華工控機構成自控系統(tǒng)，根據(jù)設計要求，本系統(tǒng)所選用的主要硬件產(chǎn)品如下［3］。

1）上位工控機。研華工控機：雙核2.16G，內(nèi)存2G，硬盤500G，22×2.54 cm液晶顯示器。

2）下位PLC的模塊配置。由于本系統(tǒng)的PLC與現(xiàn)場稱重儀表和變頻器用MODBUS現(xiàn)場總線通訊，故沒有模擬量的輸入和輸出，減少相應的I/O點，故選用西門子S7-200系列PLC即可實現(xiàn)控制功能。

中央處理單元：CPU226；擴展模塊：EM221數(shù)字量輸入2塊，EM223數(shù)字量輸入輸出1塊。

通訊處理模塊：大連德嘉國際電子有限公司ETH-iBUS以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器1塊。

3）稱重傳感器。本系統(tǒng)選擇的是蚌埠恒遠傳感器科技有限公司的NYMK-028型懸臂梁式稱重模塊，量程為1 000 kg。每個稱重斗采用3塊稱重模塊并聯(lián)組秤方式（通過接線盒匯集）來實現(xiàn)稱重目的。

4）稱重儀表。系統(tǒng)采用寧波柯力傳感科技有限公司的XK3101型電子稱重儀表（帶MODBUS通訊接口RS485），對稱重數(shù)據(jù)進行高速高精度A/D轉(zhuǎn)換，將ms信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，采用標準的MODBUS協(xié)議將稱重信號傳輸至PLC，由PLC進行數(shù)據(jù)處理、計算和控制。

5）變頻器。系統(tǒng)選用浙江海利普電子科技有限公司的HLP-NV系列多功能、高性能矢量變頻器進行精確調(diào)速，以保證配料過程的高速度和高精度。

3.2電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)由PLC控制柜、電氣控制柜以及就地操作箱等組成。電氣控制柜為PLC控制柜、現(xiàn)場操作箱、現(xiàn)場設備、室內(nèi)照明等提供電源，并集中管理。電氣控制柜正面為動力控制回路，包括電源開關、熔斷器、接觸器等，背面為給料變頻器和接線端子。就地控制箱安裝在現(xiàn)場設備附近，可以對單臺設備獨立啟停，控制面板上面有“就地/遠控”轉(zhuǎn)換開關，啟動按鈕，停止按鈕和指示燈。

4　配料系統(tǒng)的軟件設計

根據(jù)對系統(tǒng)工作流程的分析，PLC程序設計采用結構化編程方式［3］，把整個程序劃分為主程序、通信子程序、配料子程序、布料子程序、輸送子程序、配料算法子程序和故障報警子程序等幾部分。系統(tǒng)分為手動/自動兩種運行模式，自動控制方式又包括單步和連續(xù)方式；手動操作主要在系統(tǒng)調(diào)試、維修時或者PLC發(fā)生故障時使用。

主程序調(diào)用不同的子程序?qū)崿F(xiàn)總體功能。上位機把配料數(shù)據(jù)及啟動信號傳給PLC后開始執(zhí)行配料應用程序。配料過程中，通訊子程序不斷讀取稱重系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；給料變頻的啟停和快慢配料由配料子程序控制；混合料輸送過程通過調(diào)用布料子程序和輸送子程序來實現(xiàn)。

4.1硅鐵配料程序設計

當系統(tǒng)滿足所有設備為“遠控”狀態(tài)；布料過程已結束，稱重斗為空；配料參數(shù)設置合理；加料變頻無故障信號等條件時，系統(tǒng)開始配料。配料控制程序流程如圖3所示。

圖3　配料控制程序流程Fig.3 Batching control program flow

在進行自動配料時，當物料快配料目標值遠小于設定值時，PLC發(fā)出高速指令，使振動給料機工作在高頻狀態(tài)，物料快速落入稱重斗，減少給料時間，以提高進料效率，同時在上位機上實時顯示物料的凈重；當物料達到設定的快配料目標值時，變頻器切換到較小的振動頻率，慢速振動給料，以減小物料下落時的沖擊，提高稱量精度。當達到停機重量值時，PLC向變頻器發(fā)出停機信號，加料電振機停止，等空中余料完全落下后，完成一個批次的配料周期。

4.2混合料輸送程序設計

在整個混合料輸送過程中要求運料皮帶正常運行，否則物料會堆積在皮帶上導致皮帶跑偏。輸送系統(tǒng)啟動順序是：先啟動末端的大傾角運料皮帶，再啟動始端的水平運料皮帶。2條皮帶都正常運行后開始混合料輸送過程，為了使物料在運料皮帶上混合均勻，要依次啟動1#～5#布料變頻器［4］。

根據(jù)實際情況，通常會連續(xù)配若干批料，由于加料和卸料過程的時間很短，完成1次配料后，運料皮帶不停機。當完成本次配料任務后，可上位選擇停止運料皮帶。與啟動順序相反，先停止水平運料皮帶，經(jīng)延時后停止大傾角運料皮帶。

4.3控制系統(tǒng)的通訊設計

4.3.1上位工控機與PLC通信

本系統(tǒng)的S7-200PLC和上位機監(jiān)控軟件WinCC之間的通信是通過ETH-iBUS以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的。ETH-iBUS通過RJ45雙絞屏蔽網(wǎng)線與WinCC直接連接（即不用PC Access或OPC方式）。它能夠用WinCC自帶的驅(qū)動（TCP/IP）連接S7-200，減少了因使用OPC而帶來的通信不穩(wěn)定性。WinCC中的I，Q，M，DB1外部變量與S7-200中的I，Q，M，V變量一一對應，使用非常簡單，填完PLC和工控機的IP地址即可使用。同時在S7-200編程軟件MicroWin4.0中，通過ETH-iBUS實現(xiàn)程序上傳下載、在線調(diào)試及監(jiān)視功能。

4.3.2PLC與儀表、變頻器通信

西門子S7-200的編程軟件專門為ModbusRTU通信開發(fā)了指令庫，極大地簡化了ModbusRTU通信的開發(fā)，以便于快速實現(xiàn)相關應用。通過ModbusRTU主站指令庫，使得S7-200可作為ModbusRTU中的主站設備集成到Modbus網(wǎng)絡中，以實現(xiàn)與Modbus從站設備（儀表、變頻器）的通信。

S7-200 CPU226 2個RS-485通信接口（Port0 和Port1）分別作為ModbusRTU主站，采用總線型拓撲連接，其中稱重儀表從站與PLC上Port0口通信，變頻器從站與PLC上Port1口通信，這樣可以減輕單通信接口傳輸數(shù)據(jù)的負擔，增強系統(tǒng)ModbusRTU通信的穩(wěn)定性。

從Step7-Micro/Win的Modbus指令庫中調(diào)用ModbusRTU主站初始化和控制子程序，在CPU的V數(shù)據(jù)區(qū)中為庫指令分配存儲區(qū)［5］。設置Modbus主站設備的通訊參數(shù)，完成主站的初始化，并啟動其功能控制。

從MODBUS指令庫中調(diào)用ModbusRTU主站讀寫子程序MBUS_MSG，設置相關參數(shù)，完成發(fā)送一個Modbus請求。從而實現(xiàn)稱重儀表、變頻器的相關數(shù)據(jù)（重量、頻率等）的讀寫任務。

5　上位機監(jiān)控畫面設計

根據(jù)配料監(jiān)控系統(tǒng)的工藝要求，使用監(jiān)控軟件WinCC6.2設計出相應的用戶管理，操作流程，配方管理，參數(shù)設置，報表查詢，數(shù)據(jù)管理和故障報警等畫面，對現(xiàn)場設備的運行狀況進行實時的顯示，并能對現(xiàn)場設備進行控制，共同完成配料控制系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控和操作管理［6］，下面介紹部分畫面的設計功能。

5.1主畫面

啟動WinCC，用戶登錄完成后可進入配料主畫面。該畫面不僅展示了系統(tǒng)的整個工藝流程，動態(tài)顯示配料設備的遠控信號、運行信號、故障信號，實時顯示稱重儀表的數(shù)據(jù)、變頻器的運行頻率，還能對配料設備進行控制，如圖4所示。畫面設有自動和手動兩種操作模式，手動模式下，配料系統(tǒng)的所有設備可以單獨啟動和停止，不受其它設備的影響，通常這種方式只在調(diào)試時使用。自動模式下配料，只需點擊“配料啟動”按鈕，系統(tǒng)按照設定好的配方自動完成配料、布料、輸送等功能。

5.2配方管理

該畫面主要功能是完成配方的新建、保存、查看、應用和刪除等。用戶可以根據(jù)需要保存配方，每個配方需有唯一的編號才能存入數(shù)據(jù)庫，否則保存失敗，并提示已有相同的配方號。配方應用：在歷時配方中找到所需的配方數(shù)據(jù)后，輸入配方號碼點擊“應用”按鈕，配方數(shù)據(jù)即傳入配料控制器中。歷時配方查詢：用戶輸入查詢的時間段，系統(tǒng)自動導出該時間段內(nèi)的所有配方記錄。

5.3系統(tǒng)參數(shù)設定

配料系統(tǒng)中，需要操作人員設定的參數(shù)主要有5臺秤的快投重量值，提前停機重量值，變頻器的運行頻率和布料時間等。使用過程中比較穩(wěn)定的參數(shù)，用戶還可以保存到數(shù)據(jù)庫中，方便下次設定參數(shù)。

5.4故障報警

監(jiān)控軟件對系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的故障情況有自動記錄的功能，操作人員能夠通過故障查詢窗口瀏覽各個時期系統(tǒng)的故障情況。出現(xiàn)故障時還能幫助維護人員查找故障點和原因。

5.5數(shù)據(jù)報表

報表畫面提供了方便的可視化操作界面，用戶只需要在畫面上設定好查詢條件，然后點擊查詢按鈕，就可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的訪問操作。根據(jù)項目要求，本系統(tǒng)可以通過時間段和班次兩種條件來查詢歷時配料數(shù)據(jù)。查詢的記錄則直接在表格MSFlexGrid控件中顯示出來，方便用戶進行查看。也可將查詢的數(shù)據(jù)導出到Excel電子表格中去，并充分使用Excel的數(shù)據(jù)分析功能，創(chuàng)建日報表和月報表，為相關生產(chǎn)管理部門提供可靠的生產(chǎn)分析與決策依據(jù)。

圖4　配料系統(tǒng)主畫面Fig.4 The main screen of batching system

6　系統(tǒng)運行情況

從2014年2月投入運行以來，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、操作方便、控制精度高，減少了原材料消耗，提高了生產(chǎn)率，實現(xiàn)了硅鐵爐的自動化配料。生產(chǎn)運行部分記錄如表1所示，其中配料誤差正值表示實際配料量超出目標設定量的誤差值，而負值則表示實際配料量低于目標設定量的誤差值。

表1　2014年2月20硅石稱重配料部分記錄Tab.1 2014.2.20 silica weighing and batching section records

由表1可以看出，配料初期，硅石的配料誤差較大，經(jīng)過調(diào)整給料變頻器的頻率和不斷修正快投重量值、停機提前量，使配料誤差逐漸縮小在允差范圍內(nèi)，滿足了工藝對配料精度的要求。

7　結論

本系統(tǒng)是結合成熟的PLC控制、變頻調(diào)速、組態(tài)監(jiān)控、通訊技術和合理控制算法設計出的新型配料控制系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)配料系統(tǒng)存在配料精度不高、系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問題。系統(tǒng)在惡劣的環(huán)境下能長期、穩(wěn)定地運行，具有高可靠性和良好的抗干擾性。實踐表明，該系統(tǒng)有較高的性價比，具有很好的推廣價值。

參考文獻

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修改稿日期：2015-09-02

Design and Application of Ferrosilicon Batching Automatic Control System Based on PLC

WU Mingyong，LI Jusheng，WANG Guowei
（Peili College of Petroleum Engineering，Lanzhou University of City，Lanzhou 730070，Gansu，China）

Abstract:According to the requirement of ferrosilicon batching process，the system adopts the computer and PLC the lower position machine combined form. Focuses on the process，the overall design of the system scheme，hardware and software structure design，which makes the batching system automatically complete the feeding，cloth，mixing conveying the whole process according to the requirements. Using the PC configuration software WinCC，realized the working state of field equipment monitoring，designed function interface such as process，formulation ingredients set，report query，fault recording. The practical results show that the system is stable and reliable，precise in batching，achieves satisfactory effect of use，achieves the energy saving efficiency.

Key words:ferrosilicon batching；transportation；PLC；communication；monitoring

收稿日期：2015-03-16

作者簡介：吳明永（1972-），男，碩士，副教授，Email：wumy-060630@163.com

基金項目：2013年甘肅省高等學?？蒲许椖浚?013A—100）

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A