基于PLC控制的換爐系統(tǒng)研究與應(yīng)用

唐亞洲，唐亞軍，朱曉馳，徐曉亮

（杭州四達電爐成套設(shè)備有限公司，浙江 杭州 311305）

在工業(yè)電爐系統(tǒng)中，通常一個電源柜帶兩個或者多個工業(yè)爐體，爐體一用一備或者多爐交替工作，電源與爐體之間的切換通過換爐開關(guān)控制。一代的換爐開關(guān)需要通過手動切換銅排與電纜的聯(lián)接來實現(xiàn)爐與電源柜之間的聯(lián)接，費時費力不說，還無法實現(xiàn)快速、精準、可靠的控制及狀態(tài)監(jiān)視。二代換爐開關(guān)系統(tǒng)通過電控液壓來實現(xiàn)銅排與電纜的聯(lián)接。但是存在需要到換爐開關(guān)本地現(xiàn)場操作，液壓換爐系統(tǒng)的狀態(tài)不能實時觀察等諸多不方便。自動化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，極大地提高了生產(chǎn)力，在降低勞動強度、提高生產(chǎn)效率、促進安全生產(chǎn)方面起了極為重要作用[1]。工業(yè)電爐是一種大功率高耗電設(shè)備，其工作環(huán)境存在溫度高，粉塵多的特點，提高換爐系統(tǒng)的自動化程度，是保證安全生產(chǎn)的重要途徑，是企業(yè)實現(xiàn)無人工廠的重要步驟[2]，同時也是推動實現(xiàn)“中國制造2025”的重要組成部分。

1 換爐系統(tǒng)的工作原理及控制方式

1.1 換爐系統(tǒng)的工作原理

工業(yè)電爐換爐系統(tǒng)組成如圖1所示（本文以一電兩爐進行舉例說明）。系統(tǒng)包括兩個工業(yè)爐爐體，一套液壓設(shè)備，一套電源柜及一個PLC控制柜。兩個爐體通過電纜各自聯(lián)接到液壓設(shè)備的兩端，電源柜通過電纜聯(lián)接到液壓設(shè)備的公共端。換爐系統(tǒng)跟據(jù)用戶的指令控制液壓設(shè)備公共端向所需的位置移動，從而使所需爐體與電源柜聯(lián)接。

圖1 工業(yè)電爐換爐系統(tǒng)示意圖

1.2 換爐系統(tǒng)的控制方式

原有的控制方式在本地操作箱上，通過按鈕選擇所需要的工作爐。工作狀態(tài)通過指示燈在本地操作箱上顯示。存在操作不方便，不能遠程觀察，工作參數(shù)不能實時監(jiān)控等問題。

現(xiàn)采用PLC控制模式，S7-1500PLC的CPU模塊的響應(yīng)時間快速，位指令執(zhí)行時間最短可達1 ns。用戶可以通過以太網(wǎng)聯(lián)接PLC在遠程客戶端操作換爐開關(guān)，在執(zhí)行機構(gòu)的配合下30 s左右能完成換爐操作及界面狀態(tài)切換，監(jiān)控換爐系統(tǒng)的實時參數(shù)[3]（自動生成爐號）。能夠及時發(fā)現(xiàn)換爐開關(guān)系統(tǒng)存在的問題，保證設(shè)備可靠、穩(wěn)定運行。

2 PLC換爐開關(guān)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

2.1 PLC換爐開關(guān)控制系統(tǒng)組成

西門子S7-1515PLC換爐開關(guān)控制系統(tǒng)主要由電源、電機、液壓閥、液壓油缸、安全與位置回路信號、本地控制箱、換爐上位機監(jiān)控等幾部分組成，如圖2所示。換爐開關(guān)工作時，控制系統(tǒng)接收到換爐指令后，會跟據(jù)安全與位置回路信號反饋信號控制電機與液壓閥動作，從而帶動液壓油缸的動作。

圖2 PLC換爐開關(guān)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 PLC換爐開關(guān)控制系統(tǒng)的功能

以西門子S7-1500PLC為核心的換爐開關(guān)控制系統(tǒng)，每一個組成部分都有不同的功能，只有保證不同模塊之間的緊密配合，才能實現(xiàn)對換爐開關(guān)實時有效的控制。首先，換爐控制系統(tǒng)應(yīng)該能通過接近開關(guān)檢測換爐開關(guān)的位置，并能在設(shè)備與上位機上顯示，能夠通過液壓缸上的傳感器讀取當前液壓的壓力值，并能在上位機顯示并監(jiān)控異常壓力。其次，在換爐開關(guān)接收到上位機換爐指令后，通過安全與位置回路的反饋信號來判斷是否執(zhí)行指令并在上位機顯示結(jié)果，最大限度實現(xiàn)爐體跟電源系統(tǒng)的聯(lián)動。

3 西門子S7-1500PLC換爐開關(guān)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在設(shè)計西門子S7-1500PLC換爐開關(guān)控制系統(tǒng)時，可以從系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件兩部分進行考慮，參照控制系統(tǒng)的組成及功能要求，完成整個控制系統(tǒng)的設(shè)計。

3.1 西門子S7-1500PLC換爐開關(guān)系統(tǒng)的硬件設(shè)計

PLC具有高可靠性、強抗干擾能力、使用靈活等優(yōu)點，在工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛。根據(jù)客戶需要，選擇西門子S7-1500PLC系列，一個中央處理器采用CPU1515-2PN，該CPU集成了二個PROFINET通信接口，支持以太網(wǎng)和基于TCP/IP的通信技術(shù)標準,可以方便快捷地構(gòu)建上監(jiān)控層和下位控制層之間的工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，來完成編程調(diào)試、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備邏輯控制等任務(wù)[4]；一個數(shù)字輸入模塊DI 16X24VDC BA，16位輸入I/O端口接收信號；一個數(shù)字輸出模塊DQ 16X24VDC/0.5 BA,16位輸出I/0端口；一個模擬量輸出模塊AI 8XU/I/RTD/TC ST。此配置充分地考慮了客戶系統(tǒng)可擴展性。

液壓控制系統(tǒng)是換爐開關(guān)系統(tǒng)中主要的執(zhí)行部件。采用電機與液壓閥共同作用控制油路方向從而帶動液壓油缸的動作。根據(jù)液壓泵的實際使用情況，用式（1）計算其驅(qū)動功率P。

式中：Ψ為轉(zhuǎn)換系數(shù)，Ψ=pmax/pN，pmax為液壓泵的最大工作壓力，Pa；pN為液壓泵的額定壓力，Pa；QN為液壓泵的額定流量，m3/s；ηp為液壓泵的總效率[5]，取0.8到0.85之間。

液壓閥采用24 V工作的閥。

3.1.1 PLC地址分配

跟據(jù)換爐系統(tǒng)的要求與動作原理，PLC I/O分配見表1。

表1 PLC I/O分配

3.1.2 PLC硬件聯(lián)接

一個安全指令通過繼電器觸點給PLC。兩個爐位置信號通過換爐開關(guān)上的接近開關(guān)觸點實現(xiàn)。兩個爐壓力信號通過換爐開關(guān)壓力傳感器傳給PLC。換爐動作需要控制相應(yīng)的電機與電磁閥，這里采用了PLC帶動6個繼電器來實現(xiàn)[6]，如圖3所示。

圖3 PLC硬件接線示意圖

3.2 西門子S7-1500PLC換爐開關(guān)系統(tǒng)的軟件設(shè)計

PLC軟件設(shè)計包括了PLC系統(tǒng)程序設(shè)計與上位機程序的開發(fā)。

3.2.1 PLC系統(tǒng)軟件的設(shè)計

換爐開關(guān)的控制流程如圖4所示[7]。

圖4 PLC控制流程圖

3.2.2 PLC系統(tǒng)上位軟件設(shè)計

上位軟件是PLC換爐開關(guān)系統(tǒng)的核心部分。是整個系統(tǒng)的操作與監(jiān)控中心。西門子WinCC軟件是一個可以在Windows下使用的功能強大的HMI系統(tǒng)，可實現(xiàn)過程可視化和組態(tài)圖形用戶界面，可通過用戶界面對過程進行操作控制和監(jiān)視。這里著重介紹用WinCC軟件開發(fā)的圖形功能，即主界面功能,如圖5所示。在主界面中可以監(jiān)控各爐合閘狀態(tài)及液壓壓力值，并且在主界面上通過點擊換爐開關(guān)旁邊的“1#爐合閘”、“1#爐分閘”、“2#爐合閘”及“2#爐分閘”按鈕來實現(xiàn)換爐操作。

圖5 換爐開關(guān)控制系統(tǒng)主界面圖

報警信息：可以顯示PLC監(jiān)測的異常信息，如換爐開關(guān)液壓值過低、過高，其它不允許換爐開關(guān)操作的信息。

換爐開關(guān)狀態(tài)顯示：用聯(lián)接線上的觸點合表示換爐開關(guān)處于合閘，用聯(lián)接線上的觸點分表示分閘狀態(tài)，旁邊配有壓力值顯示。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計冗余及應(yīng)急操作措施

設(shè)計考慮標準化通用性及功能可拓展性；系統(tǒng)采用壓力、位置連鎖雙重保護；保留手動功能，滿足設(shè)備調(diào)試、維修及工控機故障時應(yīng)急使用功能。

4 換爐開關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用

寶鋼90 t工業(yè)電爐（合金熔化爐）換爐系統(tǒng)的主要參數(shù)為：三相異步液壓電機1.5 kW，工作液壓壓力值6～8 MPa。三套90 t設(shè)備采用一電兩爐結(jié)構(gòu)，通過全自動換爐開關(guān)的應(yīng)用，基本實現(xiàn)設(shè)備遠程精準控制，實現(xiàn)了跟接地開關(guān)聯(lián)動及熔煉系統(tǒng)爐號自動生成，組成網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

圖6 換爐開關(guān)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

根據(jù)投產(chǎn)以來的統(tǒng)計結(jié)果：換爐時間基本在25 s左右，每月節(jié)約換爐時間3 h左右，每月故障時間減少3 h左右，相當于每月多煉5爐鋼，每月增加產(chǎn)量500 t左右，全年增加產(chǎn)量6 000 t，效益相當可觀。結(jié)合冶煉模型的投用，自動上料、自動出鋼功能的配合，基本實現(xiàn)全流程自動煉鋼，離無人化工廠的實現(xiàn)又進了一步。

5 結(jié)論

換爐開關(guān)控制系統(tǒng)采用了西門子最近一代的PLC技術(shù)，能夠使系統(tǒng)響應(yīng)時間縮短，節(jié)省了換爐時間，有效保持液壓換爐開關(guān)的壓力，也更容易實現(xiàn)跟關(guān)聯(lián)設(shè)備的連鎖保護，大大提高設(shè)備可靠性，保證系統(tǒng)的正常運行。該系統(tǒng)在實際的應(yīng)用中使得生產(chǎn)周期縮短，設(shè)備故障率降低，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效應(yīng)，大大提高了產(chǎn)品自動化水平。