淺談PLC在冶煉行業(yè)中的應(yīng)用

潘戰(zhàn)武 ，白康寧

（1.天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020；2.大型電氣傳動(dòng)系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅天水741020；3.天水市職業(yè)技術(shù)學(xué)校，甘肅天水741018）

1 引言

PLC可編程控制器之所以成為工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的核心硬件，在于它可按照既定的、可控的、預(yù)期的指令執(zhí)行規(guī)劃好的工藝流程，同時(shí)PLC高可靠性、低功耗、免維護(hù)的特點(diǎn)，使之成為工廠能持續(xù)而穩(wěn)定生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。合理的使用和控制，可以提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。本文以某冶金行業(yè)為例，闡述PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 概述

某冶煉廠始建于20世紀(jì)90年代。歷經(jīng)20多載發(fā)展，廠區(qū)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，控制模式也由最初的多人工參與控制模式發(fā)展到少人工參與的半自動(dòng)化模式，經(jīng)過(guò)了數(shù)次提升和完善。但是距上次自動(dòng)化提升已經(jīng)過(guò)去十多年，現(xiàn)有的控制方式已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的規(guī)模需求，同時(shí)，由于采用的是十多年前的PLC控制器，其控制容量已經(jīng)接近飽和，無(wú)法再進(jìn)行擴(kuò)容，其通訊接口也比較單一，自動(dòng)控制組網(wǎng)的方式不夠靈活。故此，結(jié)合廠區(qū)現(xiàn)有的發(fā)展規(guī)模特點(diǎn)及未來(lái)的發(fā)展需要，本項(xiàng)目中采用了當(dāng)下主流且控制功能強(qiáng)大的PLC作為該廠的自動(dòng)控制硬件層的核心。

3 功能

PLC已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)。它具備開(kāi)關(guān)量邏輯控制（取代傳統(tǒng)的繼電器回路）、工業(yè)過(guò)程控制（可以采集和處理溫度、壓力、流量、液位和速度等連續(xù)變化的量，通過(guò)A/D和D/A電路的轉(zhuǎn)換和處理，可完成PID閉環(huán)控制）、運(yùn)動(dòng)控制（用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制，可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)或伺服電機(jī)）、數(shù)據(jù)處理運(yùn)算（實(shí)現(xiàn)各種數(shù)學(xué)運(yùn)算：函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等）、通信及聯(lián)網(wǎng)（PLC與PLC之間、PLC與帶有通訊接口的設(shè)備之間通過(guò)相互匹配的接口和協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸控制，形成多種通訊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的PLC控制網(wǎng)絡(luò)）等特性，使之適應(yīng)于社會(huì)的各行各業(yè)。

4 項(xiàng)目案例

本項(xiàng)目屬于冶煉行業(yè)，廠區(qū)擁有4套冶煉爐，每套爐配套有相應(yīng)的輔助系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包括：主爐系統(tǒng)、爐襯系統(tǒng)、爐電極稱重系統(tǒng)、爐冷卻水流量監(jiān)控系統(tǒng)；凈化車間系統(tǒng)包括：除塵系統(tǒng)、電爐煙氣系統(tǒng)和爐微硅粉氣力輸送系統(tǒng)等。

自控系統(tǒng)由高低壓控制柜、程控柜、直流系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)、后臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等組成。本文以某冶煉項(xiàng)目為例，簡(jiǎn)述冶煉系統(tǒng)組成及自動(dòng)化系統(tǒng)智能信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。

本項(xiàng)目中分布了5處控制室：1＆2#爐控制室、1＆2#爐凈化站控制室、4＆5#爐控制室、4＆5#爐凈化站控制室、運(yùn)配料控制室。

1＆2#爐控制室：設(shè)置有1套多組合操作臺(tái)，1#爐設(shè)置了2套操作員站，互為備用；2#爐設(shè)置了2套操作員站，互為備用；并共用了1套工程師站。其作用主要用于主爐系統(tǒng)的控制、爐襯系統(tǒng)、爐電機(jī)稱重系統(tǒng)、爐冷卻水流量監(jiān)控系統(tǒng)。

1＆2#爐凈化站控制室：設(shè)置1套多組合操作臺(tái)、1套操作員站、1套工程師站。其作用主要用于除塵系統(tǒng)、電爐煙氣系統(tǒng)和爐微硅分力輸送等系統(tǒng)的控制。

4＆5#爐控制室：設(shè)置有1套多組合操作臺(tái)，1#爐設(shè)置了2套操作員站，互為備用；2#爐設(shè)置了2套操作員站，互為備用；并共用了1套工程師站。其作用主要用于主爐系統(tǒng)的控制、爐襯系統(tǒng)、爐電機(jī)稱重系統(tǒng)、爐冷卻水流量監(jiān)控系統(tǒng)。

4＆5#爐凈化站控制室：設(shè)置1套多組合操作臺(tái)、1套操作員站、1套工程師站。其作用主要用于除塵系統(tǒng)、電爐煙氣系統(tǒng)和爐微硅分力輸送等系統(tǒng)的控制。

運(yùn)配料控制室：設(shè)置1套多組合操作臺(tái)、1套操作員站、1套工程師站。其作用主要用于原料配送、成品轉(zhuǎn)運(yùn)、歸整等控制操作。

4.1 網(wǎng)絡(luò)的分層

系統(tǒng)由信息管控層、監(jiān)控層，數(shù)據(jù)交換層，硬件控制層四大部分組成。

信息管控層：設(shè)置了若干臺(tái)監(jiān)控站，其作用在于采集由系統(tǒng)服務(wù)器提供的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并提取、歸納、分析、總結(jié)需要的數(shù)據(jù)源，形成有效的數(shù)據(jù)報(bào)表，使得決策者及時(shí)、準(zhǔn)確的調(diào)控生產(chǎn)過(guò)程和趨勢(shì)。

監(jiān)控層：由監(jiān)控站、工程師站、視頻監(jiān)控站等組成，監(jiān)控站可直觀明了地掌握工藝環(huán)節(jié)內(nèi)的所有受控設(shè)備的狀態(tài)，設(shè)備的運(yùn)行、停止、故障，流量、壓力、液位、特殊表計(jì)等實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)值，還可對(duì)受控設(shè)備進(jìn)行單操或組操動(dòng)作，通過(guò)改變不同設(shè)備的控制狀態(tài)，調(diào)整到預(yù)期的工藝流程；系統(tǒng)還能實(shí)時(shí)記錄、存儲(chǔ)工藝設(shè)計(jì)中的預(yù)期數(shù)據(jù)，記錄設(shè)備報(bào)警；存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)形成日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表等；工程師可使用工程師站對(duì)工藝畫面、工藝流程、邏輯進(jìn)行更改或完善。通過(guò)視頻監(jiān)控站，監(jiān)控員可觀察到工藝現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備真實(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，有突發(fā)狀況發(fā)生時(shí)，可及時(shí)通知相關(guān)人員處理。

數(shù)據(jù)交換層：由多套工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成，它是硬件控制層和監(jiān)控層之間的橋梁設(shè)備，硬件控制層與監(jiān)控層通過(guò)它實(shí)時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

硬件控制層：由高低壓配電柜、PLC控制柜、各類檢測(cè)表計(jì)（溫度、壓力、流量、電流、電壓等）、視頻監(jiān)控柜等組成。該層為工藝執(zhí)行層，所有受控設(shè)備均由該層級(jí)控制，并將執(zhí)行的結(jié)果實(shí)時(shí)經(jīng)由數(shù)據(jù)交換層傳輸至監(jiān)控層。

本工程中工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)采用了百兆工業(yè)以太自愈環(huán)網(wǎng)，由2套核心交換機(jī)和多套分支數(shù)據(jù)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成，使用了光纖作為傳輸介質(zhì)，5處控制室數(shù)據(jù)互連互通。網(wǎng)絡(luò)中任意一處網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)斷開(kāi)，均不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)正常工作。同時(shí)還預(yù)留了去上層網(wǎng)絡(luò)的通訊接口，為MES（制造企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行管理系統(tǒng)）系統(tǒng)或其他上層網(wǎng)絡(luò)提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)組態(tài)示意圖

PLC層級(jí)網(wǎng)絡(luò)上則采用Profinet工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)總線，總線速率100Mbps。信息管理層網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通過(guò)工業(yè)防火墻隔離，有效地對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全防護(hù)，確保用戶的生產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全與保密。系統(tǒng)組態(tài)如圖1所示。

對(duì)廠區(qū)建立了5個(gè)重點(diǎn)視頻監(jiān)控區(qū)域，分布在各區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)實(shí)時(shí)地將現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)傳至中央集控室內(nèi)，供生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的監(jiān)管者查看，掌握生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、有效地規(guī)避安全隱患的發(fā)生。視頻網(wǎng)絡(luò)采用千兆級(jí)傳輸網(wǎng)絡(luò)，5個(gè)區(qū)域的視頻信息先集中匯總在各自區(qū)域的分支千兆交換機(jī)后再統(tǒng)一匯總至中央控制室的視頻數(shù)據(jù)服務(wù)器上，通過(guò)中控室的骨干交換機(jī)，視頻信息可傳輸至廠區(qū)任何設(shè)立了視頻監(jiān)控站的辦公區(qū)域，如圖2所示。

4.2 系統(tǒng)機(jī)構(gòu)及配置

在工業(yè)層控制網(wǎng)絡(luò)中，采用了 C/S （Client/Server）結(jié)構(gòu)，即客戶機(jī)和服務(wù)器結(jié)構(gòu)體系為主，B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)，即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)為輔的混合結(jié)構(gòu)方式。滿足不同客戶群體對(duì)數(shù)據(jù)的操作，通過(guò)它可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，將任務(wù)合理分配到Client端和Server端來(lái)實(shí)現(xiàn)，降低了系統(tǒng)的通訊開(kāi)銷。目前，大多數(shù)應(yīng)用軟件系統(tǒng)都是C/S形式的兩層結(jié)構(gòu)，由于現(xiàn)在的軟件應(yīng)用系統(tǒng)正在向分布式的Web應(yīng)用發(fā)展，Web和C/S應(yīng)用都可以進(jìn)行同樣的業(yè)務(wù)處理，應(yīng)用不同的模塊共享邏輯組件；因此，內(nèi)部的和外部的用戶都可以訪問(wèn)新的和現(xiàn)有的應(yīng)用系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)中的邏輯可以擴(kuò)展出新的應(yīng)用系統(tǒng)。這也就是目前應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展方向。

本工程案例中，自動(dòng)化控制的核心硬件采用S7 1500 PLC、S7 300系統(tǒng)產(chǎn)品以及Premium PLC（TSX 57系列）產(chǎn)品?，F(xiàn)場(chǎng)總線采用 Profibus DP、profinet、Modbus 總線相結(jié)合，并配備工業(yè)以太網(wǎng)與上層網(wǎng)絡(luò)對(duì)接。

在通訊網(wǎng)絡(luò)方面，則根據(jù)具體現(xiàn)場(chǎng)情況分布采用了有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)混合的方式布置。

在控制中心，調(diào)度人員可以全局掌握4套冶煉爐及配套輔助系統(tǒng)的所有設(shè)備數(shù)據(jù)；爐溫、爐壓、耗電量、燃料量等數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)掌握工藝廠區(qū)的所有受控設(shè)備的投運(yùn)狀態(tài)、工作電流、電壓、電能、耗電量，決策人員根據(jù)此發(fā)出合理的調(diào)度指令。

圖2 視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)示意圖

5 特點(diǎn)

本工程案例中應(yīng)用PLC技術(shù)，結(jié)合工業(yè)組態(tài)技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)等對(duì)工廠的工藝設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制，并在區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化托管，在全局范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)參數(shù)微調(diào)，由預(yù)制好的配方工藝根據(jù)全局參數(shù)自動(dòng)調(diào)整局域運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)最佳的運(yùn)行效率。

控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用了光纖自愈型環(huán)網(wǎng)設(shè)置，分支網(wǎng)絡(luò)通過(guò)有線、無(wú)線的方式分布在環(huán)網(wǎng)上，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，均不會(huì)影響其他網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

總線網(wǎng)絡(luò)采用了 profibus DP、profinet、Modbus相結(jié)合的方式。

網(wǎng)絡(luò)由信息管控層、監(jiān)控層，數(shù)據(jù)交換層，硬件控制層四大部分組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上則采取了C/S和B/S相結(jié)合的方式，使得網(wǎng)絡(luò)更具擴(kuò)展性和靈活性，提高網(wǎng)絡(luò)的利用效率。

工藝控制方面，將區(qū)域工藝有效地整合在一起，形成一個(gè)區(qū)域自動(dòng)化控制系統(tǒng)，再由骨干網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，形成整個(gè)工業(yè)監(jiān)控工藝網(wǎng)絡(luò)，工廠操作員即可對(duì)區(qū)域工藝進(jìn)行精確控制，也可由授權(quán)允許的信息總控中心進(jìn)行宏觀調(diào)控。分布在各區(qū)域工藝段的設(shè)備信息、傳感器數(shù)據(jù)等設(shè)備通過(guò)其區(qū)域段的PLC，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集處理，形成數(shù)據(jù)報(bào)表、歷史報(bào)表、曲線、報(bào)警等信息。提供給信息控制中心。

控制中心對(duì)各工藝段的數(shù)據(jù)集中統(tǒng)一管理，形成能效報(bào)表，幫助管理決策者合理的調(diào)配資源，通過(guò)對(duì)信息的采集，分析診斷系統(tǒng)的狀況，及時(shí)做出合理的響應(yīng)，提高產(chǎn)能。

6 設(shè)計(jì)中需要考慮的因素

在本工程案列中，由于采用了不同廠家的PLC設(shè)備，故此在出現(xiàn)不同類型的總線通訊協(xié)議；因?yàn)榄h(huán)境的因素，采用了有線和無(wú)線相結(jié)合的通訊方式。

6.1 環(huán)境因素

工業(yè)工廠的環(huán)境往往非常復(fù)雜，各個(gè)工藝設(shè)備分布在廠區(qū)的不同區(qū)域，但是又有機(jī)的結(jié)合在一起，所以在電氣控制設(shè)計(jì)中，需要采用合理的、適用的連接方式，本工程案例中，某區(qū)域段的很多溫度測(cè)點(diǎn)分布在一個(gè)大的旋轉(zhuǎn)區(qū)域上，常規(guī)的有線通訊方式不能滿足其特點(diǎn)需要，故此采用高性能的工業(yè)無(wú)線連接方式，通過(guò)固定的無(wú)線主機(jī)與移動(dòng)的無(wú)線客戶機(jī)的數(shù)據(jù)互通，有效地將該區(qū)域的數(shù)據(jù)上傳給主PLC系統(tǒng)。故此，在PLC自控設(shè)計(jì)中，需要結(jié)合工業(yè)環(huán)境的情況，因地制宜。

6.2 兼容性、擴(kuò)展性因素

本工程案例中，由于是老廠升級(jí)優(yōu)化改造的項(xiàng)目，舊有的老系統(tǒng)需要與新增或改進(jìn)的新系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一有效地結(jié)合，將不同類型的網(wǎng)絡(luò)通訊通過(guò)有效的方式統(tǒng)一整合處理，融合在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)上，并合理地分配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，使其在具有很好兼容性的同時(shí)又提高了其網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和有效利用的能力。這個(gè)特點(diǎn)也是工廠控制領(lǐng)域，甚至全行業(yè)由于不同發(fā)展階段系統(tǒng)所形成的共同特點(diǎn)。

這種新舊兼容、優(yōu)化升級(jí)系統(tǒng)的沿用也使得用戶的早期與預(yù)期投資價(jià)值得到有效的保障，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、平穩(wěn)的提升、使用戶的經(jīng)濟(jì)價(jià)值投資實(shí)現(xiàn)利益的最大化，否則盲目的設(shè)計(jì)投入只會(huì)帶來(lái)資源的浪費(fèi)。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)PLC在冶煉領(lǐng)域應(yīng)用的簡(jiǎn)要闡述，簡(jiǎn)單說(shuō)明PLC在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用的目的和特點(diǎn)。同時(shí)，由于當(dāng)前電子技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，PLC技術(shù)得到了很大的提升，其在自動(dòng)化控制領(lǐng)域的作用和地位的重要性不言而喻，借助于它的特性，使其為行業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供有力的保障。同時(shí)，為信息化平臺(tái)的建設(shè)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。使自動(dòng)化技術(shù)水平朝著管控智能化方向邁進(jìn)。