基于TIA 博途和SIMATIC HMI 面板的轉(zhuǎn)動爐體控制裝置的工程實踐

張 鵬, 鄭圣聚

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

設(shè)備及自動化

基于TIA 博途和SIMATIC HMI 面板的轉(zhuǎn)動爐體控制裝置的工程實踐

張 鵬, 鄭圣聚

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

介紹了西門子公司TIA博途和SIMATIC HMI面板的主要特點，詳細闡述了基于TIA系統(tǒng)平臺和SIMATIC HMI面板開發(fā)的轉(zhuǎn)動爐體控制裝置。該控制裝置應(yīng)用于國內(nèi)某銅冶煉廠工程實踐中，取得了良好的效果。

TIA博途； SIMATIC HMI； 轉(zhuǎn)動爐體

全球化競爭日益激烈，充分發(fā)掘機器或工廠整個生命周期中的所有優(yōu)化潛力迫在眉睫。流程優(yōu)化，不僅可以顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量，還可以降低總擁有成本并大幅縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。SIMATIC HMI面板和TIA博途的結(jié)合就可以解決上述問題，并為項目提供全周期內(nèi)的全方位支持。

1 銅冶煉領(lǐng)域轉(zhuǎn)動爐體操作現(xiàn)狀

冶金爐是銅冶煉工藝中的核心裝備，國內(nèi)外大中型銅冶煉廠廣泛采用。在銅精礦熔煉、吹煉、精煉澆鑄成銅陽極板的過程中，用到的冶金爐包括底吹爐、P-S轉(zhuǎn)爐、精煉爐等。這些冶金爐體積大、重量大、可靠性要求高，要有一套完善的轉(zhuǎn)動爐體電控設(shè)施與之相配套。尤其是操作方式，既要遵循簡單、易懂、直觀、明了的原則，又不能忽視安全、可靠等因素[1]。

目前國內(nèi)轉(zhuǎn)動爐體多采用爐前控制箱或爐前控制箱與控制室操作臺相結(jié)合的操作控制方式?？刂葡浜涂刂婆_主要由機械按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、指示燈、中間繼電器、數(shù)字顯示儀表、不銹鋼外殼等組成，如圖1所示。

圖1 國內(nèi)某冶煉廠轉(zhuǎn)動爐體操作裝置

該裝置的優(yōu)點是價格低廉，維護方便；缺點是操作繁瑣，自動化程度差，兼容性不高，不易連接企業(yè)信息化網(wǎng)絡(luò)等。在工業(yè)4.0大背景下，工廠的自動化程度大幅度提高，工人素質(zhì)也隨之提高，傳統(tǒng)的操作方式亟待升級改造適應(yīng)新的生產(chǎn)。

2 SIMATIC HMI面板和TIA博途的特點

2.1 SIMATIC HMI面板

(1)靈活的高分辨率顯示屏：寬屏顯示可增加高達40%的顯示空間，完美顯示各種復(fù)雜操作畫面，而且操作與監(jiān)控清晰明了。1 600萬色高分辨率，可詳盡顯示所有操作過程，顯著優(yōu)化了面板顯示清晰度。與此同時，170°的超寬視角，確保最優(yōu)顯示清晰度。

(2)創(chuàng)新的圖形化界面和集成各種高端功能：創(chuàng)新的用戶界面，極大提高了設(shè)備操作和監(jiān)控直觀性和易用性；可實現(xiàn)快速圖像構(gòu)建功能；具有歸檔、VB腳本運行、可瀏覽各種文檔(如PDF或網(wǎng)頁文件)等功能；實現(xiàn)了系統(tǒng)診斷與SIMATIC控制器的完美交互，可以直接通過面板讀取相應(yīng)的診斷信息。

(3)高效的能源管理：通過PROFlenergy標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可統(tǒng)一斷開冗余能源負載并快速檢測能源消耗值。因而，可在短暫的停機時段，關(guān)斷HMI面板顯示屏，有效降低能源損耗。與此同時，通過PROFINET標(biāo)準(zhǔn)可快速將這些顯示屏集成到現(xiàn)有的工廠結(jié)構(gòu)中，有效實現(xiàn)投資保護。

(4)數(shù)據(jù)安全：具備斷電保護功能，無需額外連接不間斷電源。這一功能是由SIMATIC HMI存儲卡中的以RDB格式保存的配方和歸檔數(shù)據(jù)實現(xiàn)的。

(5)集成各種接口，傳輸數(shù)據(jù)更為簡單快捷：SIMATIC HMI面板可輕松集成到PROFINET和PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)中，并集成有USB接口。同時配備一個雙端口以太網(wǎng)交換機接口和一個額外的PROFINET千兆以太網(wǎng)接口。無需使用專用電纜，標(biāo)準(zhǔn)電纜即可通過PROFINET/以太網(wǎng)或USB端口進行HMI項目下載。組態(tài)時，系統(tǒng)同步完成相應(yīng)的設(shè)備設(shè)置，無需額外設(shè)置面板參數(shù)，極大簡化了調(diào)試流程。

2.2 TIA博途

TIA博途采用新型、統(tǒng)一軟件框架，可在同一開發(fā)環(huán)境中組態(tài)西門子的所有可編程控制器、人機界面和驅(qū)動裝置。在控制器、驅(qū)動裝置和人機界面之間建立通信時的共享任務(wù)，大大降低了連接和組態(tài)成本。例如，用戶可方便地將變量從可編程控制器拖放到人機界面設(shè)備的畫面中，然后在人機界面內(nèi)即時分配變量，并在后臺自動建立控制器與人機界面的連接，無需手動組態(tài)。TIA博途可用于組態(tài)所有SIMATIC HMI應(yīng)用，并具備以下特點：

(1)實現(xiàn)最高組態(tài)效率：通過TIA博途，可直接在各種目標(biāo)系統(tǒng)中使用獨立于面板的組態(tài)數(shù)據(jù)，無需進行轉(zhuǎn)換。而且操作界面可按照目標(biāo)設(shè)備的功能特性進行自動調(diào)整。在TIA博途中，還可統(tǒng)一管理各種跨項目數(shù)據(jù)(報警類別，項目文本等)，并在不同的設(shè)備中使用。此外，TIA博途中的HMI組態(tài)助手與設(shè)備無關(guān)，可快速、簡便地創(chuàng)建各種顯示架構(gòu)。

(2)圖形化編輯器，快速高效完成圖形組態(tài)：可通過拖放操作，生成互聯(lián)的圖形對象，如生成帶有過程連接的I/O域；定義有現(xiàn)成的圖形模板和功能；支持多達32層的層技術(shù)。

(3)面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)管理方式：搜索和更改功能方便易用；可直接在HMI變量中進行消息和歸檔組態(tài)，無需按照編輯器進行逐一修改；可通過交叉索引列表直接訪問所有對象，如更改或選擇對象。

(4)集成組態(tài)對象的庫，支持測試和調(diào)試：可在庫中歸檔所有組態(tài)對象，無需考慮是系統(tǒng)預(yù)定義還是用戶自定義；可在面板上直接編譯客戶提供的簡單圖形對象或項目特定對象；通過塊定義，可統(tǒng)一執(zhí)行面板更改；可在工程PC上仿真HMI項目；可在相應(yīng)的編輯器上直接標(biāo)記組態(tài)不完整或錯誤信息；可根據(jù)編譯程序的消息報警，查找故障原因[2]。

3 基于TIA博途和SIMATIC HMI面板的轉(zhuǎn)動爐體控制裝置的工程實踐

采用TIA博途平臺和SIMATIC HMI面板，開發(fā)出了一套轉(zhuǎn)動爐體操作裝置(見圖2)，并應(yīng)用于國內(nèi)某新建15萬t/a銅冶煉廠吹煉爐、精煉爐的控制現(xiàn)場。該操作裝置可放置于爐前現(xiàn)場，也可放置于控制室，甚至遠程控制中心。操作權(quán)限由主操作裝置切換，既靈活多變，又安全可靠。

圖2 轉(zhuǎn)動爐體操作裝置平面布置示意圖

本工程實例SIMATIC HMI面板型號為TP1200，TIA博途平臺版本號為V13。

3.1 TIA博途平臺的安裝

TIA博途平臺建議通過光盤安裝。安裝前確認電腦配置硬件和軟件是否滿足系統(tǒng)要求，并在具有計算機管理員權(quán)限的狀態(tài)下安裝，同時不要在安裝路徑中使用或者包含任何UNICODE字符。

將安裝光盤插入光盤驅(qū)動器，安裝程序自動啟動。打開選擇產(chǎn)品組態(tài)的對話框，選擇要安裝的產(chǎn)品，建議選擇以典型配置安裝程序。

同意許可條款后，繼續(xù)安裝，確認閱讀并接受所有許可協(xié)議，并單擊“下一步”，確認安裝開始。如果安裝過程中未找到許可秘鑰，則可以將其傳送到PC中。如果跳過許可秘鑰傳送，稍后也可通過Automation License Manager進行注冊。然后選擇“是，立即重啟計算機”，直至安裝完成。

3.2 建立HMI工程

打開TIA博途軟件，創(chuàng)建一個項目并打開。從右側(cè)硬件選擇對話框中，選擇與實際設(shè)備相對應(yīng)型號的HMI設(shè)備，添加到項目中，并按照圖3所示的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。

圖3 轉(zhuǎn)動爐體控制裝置網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

選擇HMI設(shè)備，建立與PLC連接的變量表，在變量表里定義變量名稱、數(shù)據(jù)類型、地址等屬性。這些變量在HMI和PLC中均可以調(diào)用，如圖4。

為HMI畫面上的按鈕、指示燈、聯(lián)鎖開關(guān)等對象編寫PLC邏輯程序。編寫時，直接選擇之前建立的變量表里的變量，簡單方便，不易出錯。如圖5所示。

圖4 HMI變量表

圖5 邏輯程序

在TIA博途中繪制控制畫面，把畫面對象和變量聯(lián)系起來。調(diào)整畫面布局和畫面的設(shè)置，達到合適的效果。并且選取其中的一些重要變量，進行歷史趨勢記錄、報警記錄，以隨時監(jiān)測冶金爐傳動系統(tǒng)的狀態(tài)，如圖6。

圖6 趨勢圖

選用合適、可靠的安裝方式固定SIMATIC HMI面板，運行程序，便可在觸屏上進行操作。

3.3 實際應(yīng)用

圖7 工程現(xiàn)場安裝圖

如圖7，該控制裝置落地安裝于控制室，對比圖1的傳統(tǒng)控制裝置，具有以下優(yōu)點：①界面顯示內(nèi)容更加豐富；②各項控制功能集成化程度更高；③大大降低了工人的勞動強度和操作頻率，提高了生產(chǎn)效率；④操作簡單易懂，容錯率高，普通工人也較易上手；⑤自動化程度明顯提升。

4 結(jié)語

針對國內(nèi)銅冶煉工藝中轉(zhuǎn)動爐體操作方式存在的問題，基于西門子公司SIMATIC HMI面板和TIA博途開發(fā)了轉(zhuǎn)動爐體控制裝置，并成功應(yīng)用于國內(nèi)某現(xiàn)代化銅冶煉廠，投運后獲得了業(yè)主的肯定和認可。該套控制裝置提高了轉(zhuǎn)動爐體操作的自動化程度，優(yōu)化了操作界面，通俗易懂，簡單可靠，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 萬愛東.合成爐工[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2013:100-137.

[2] 崔堅.TIA博途軟件[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2012:56-57.

青能所研發(fā)出無鉛化鋰電池

中科院青島生物能源與過程研究所在國內(nèi)率先研發(fā)成功綠色環(huán)保的無鉛化鋰電池，且每瓦時成本控制在0.5元，已具備產(chǎn)業(yè)化推廣的條件。此前鉛酸蓄電池的大量應(yīng)用在于其顯著的成本優(yōu)勢，每瓦時成本約0.5元。青能所研發(fā)的無鉛化鋰電池，運用低成本的阻燃纖維素隔膜、低成本碳負極、無氟環(huán)保硼酸鋰鹽等新的材料體系及提升的新技術(shù)工藝，已將每瓦時成本控制在0.5元，具備了等值替代鉛酸蓄電池的產(chǎn)業(yè)化條件。而且鋰電池能量和安全性能均超過鉛酸蓄電池，鉛酸蓄電池使用壽命約為3年，無鉛化鋰電池可達4至5年。全國每年生產(chǎn)低速電動車的電池約需300萬t鉛，如果能推廣無鉛化鋰電池，對環(huán)保的意義不言而喻。

Engineering practice of control device based on TIA Portal and SIMATIC HMI for rotary furnace body

ZHANG Peng, ZHENG Sheng-ju

This paper introduces the main features of SIEMENS TIA (Portal) system and SIMATIC HMI panel, and expounds the process of how to realize the rotary furnace body control based on TIA system platform and SIMATIC HMI panel. The control device was applied to a copper smelter in China as an engineering practice, and achieved good practical results.

TIA (Portal); SIMATIC HMI; rotary furnace body

張鵬 (1987— )， 男， 山東濟南人， 工程師， 碩士研究生， 主要從事有色金屬冶煉領(lǐng)域電氣設(shè)計、電氣傳動控制研究工作。

2017-- 01-- 09

TF355

B

1672-- 6103(2017)02-- 0038-- 04