西門子PLC在鋼鐵企業(yè)原料場(chǎng)的應(yīng)用

龔世杰

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津 300301）

0 引言

鋼鐵企業(yè)綜合原料場(chǎng)是貯存、加工處理和混勻鋼鐵冶煉所需大宗原、燃物料的場(chǎng)地，主要接收和貯存外來(lái)的鐵礦粉、精礦粉、球團(tuán)礦、塊礦、焦炭、煤，以及燒結(jié)、高爐生產(chǎn)所用熔劑，如石灰石、白云石、硅石、菱鎂石等，另外還貯存一部分廠內(nèi)循環(huán)物，如氧化鐵皮、轉(zhuǎn)爐污泥、高爐除塵灰、碎焦、返礦等。同時(shí)還擔(dān)負(fù)著向高爐、燒結(jié)工序供應(yīng)所需原、燃物料的任務(wù)。因此原料場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)燒結(jié)和高爐生產(chǎn)的穩(wěn)定有著重要的意義。天津鋼鐵集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱天鋼）2號(hào)原料場(chǎng)主要是負(fù)責(zé)向廠區(qū)3200m3高爐和360m2燒結(jié)機(jī)供應(yīng)原、燃物料，主要由受卸料設(shè)施、一次料場(chǎng)、混勻配料室、混勻料場(chǎng)、供料設(shè)施及配套的公輔設(shè)施等構(gòu)成。因天鋼2號(hào)原料場(chǎng)的設(shè)備繁多，物料受卸、存儲(chǔ)、供應(yīng)工藝復(fù)雜而且是連續(xù)作業(yè)，因此對(duì)原料場(chǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性有很高的要求。自動(dòng)化控制就是為了達(dá)到特定的控制目的，在沒有人員直接參與的情況下，使用PLC 模塊組態(tài)顯示屏、檢測(cè)儀表、傳感器、稱重模塊、通訊模塊等控制裝置對(duì)設(shè)備或者生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。西門子S7-1500PLC 因控制功能強(qiáng)、運(yùn)行速度快，通信能力強(qiáng)大、運(yùn)行穩(wěn)定性高、組態(tài)便捷、人機(jī)界面友好、維護(hù)方便等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)綜合原料場(chǎng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

本文以天鋼2 號(hào)原料場(chǎng)為例，講解了鋼鐵企業(yè)原料場(chǎng)的主要功能以及原料場(chǎng)自動(dòng)化控制的主要內(nèi)容，詳細(xì)介紹了西門子S7-1500PLC 的主要控制功能以及在天鋼2號(hào)原料場(chǎng)的應(yīng)用情況。

1 原料場(chǎng)自動(dòng)化控制的主要功能

1.1 物流監(jiān)控功能

將原料場(chǎng)原、燃物料從A 地運(yùn)送到B 地，需要通過(guò)汽車受卸、火車受卸、皮帶機(jī)運(yùn)輸以及皮帶機(jī)受卸等設(shè)施完成。汽車和火車受卸的過(guò)程均由人員完成，因此原料場(chǎng)自動(dòng)化控制的功能主要是針對(duì)皮帶運(yùn)輸及受卸設(shè)施等相關(guān)電控設(shè)備的監(jiān)控。

1.2 含鐵物料混勻配料功能

目前大部分鋼鐵企業(yè)使用的鐵礦品種較多、來(lái)源復(fù)雜、成分波動(dòng)較大，不利于燒結(jié)礦質(zhì)量和成分的穩(wěn)定。因此國(guó)內(nèi)現(xiàn)代化大型鋼鐵企業(yè)均采用在原料場(chǎng)完成含鐵原料混勻配礦的生產(chǎn)模式，將所有含鐵原料混配成成分均勻的單一混勻礦供應(yīng)燒結(jié)生產(chǎn)。

1.3 計(jì)量功能

對(duì)原料場(chǎng)進(jìn)出的各種原、燃物料量以及含鐵原料混勻配礦工序進(jìn)行工藝計(jì)量和計(jì)量累計(jì)，以滿足原料場(chǎng)的物料管理和生產(chǎn)工藝需要。

1.4 各種工藝控制功能

需要對(duì)原料場(chǎng)料堆灑水、物料除鐵、堆取料等設(shè)施進(jìn)行控制。由于這些設(shè)備的控制多為現(xiàn)場(chǎng)獨(dú)立控制柜，因此需要與主控制系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)，主控制系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制此類設(shè)備的啟停。

2 原料場(chǎng)自動(dòng)化控制的主要對(duì)象

（1）料倉(cāng)控制：料倉(cāng)一般作為物料輸送的起點(diǎn)和終點(diǎn)，主要監(jiān)控對(duì)象為料倉(cāng)料位，通常采用重錘式料位計(jì)，少數(shù)也有采用雷達(dá)式料位計(jì)等形式。

（2）給料機(jī)控制：常見于精確配料或混勻配料，通常為高低速電機(jī)或變頻電機(jī)。

（3）振動(dòng)篩控制：通常為供料的首個(gè)工藝設(shè)備。

（4）皮帶機(jī)控制：皮帶機(jī)高低壓電機(jī)啟停及正反轉(zhuǎn)控制；皮帶跑偏、打滑、防撕裂保護(hù)控制；皮帶機(jī)拉繩停機(jī)安全保護(hù)控制。

（5）分料器控制：分料設(shè)施通常為三通分料器和四通分料器，比較多見的是液壓和電控分料器，主要用于控制皮帶機(jī)運(yùn)送物料的走向。

（6）卸料小車控制：通常物料受卸系統(tǒng)由一組料倉(cāng)構(gòu)成，卸料小車控制主要是選擇將物料卸到哪個(gè)料倉(cāng)里。

3 原料場(chǎng)自動(dòng)化控制的主要功能

3.1 原料場(chǎng)物料輸送流程控制

3.1.1 流程控制概念

鋼鐵企業(yè)原料場(chǎng)往往是料倉(cāng)系統(tǒng)、堆場(chǎng)系統(tǒng)與皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)等設(shè)施縱橫交錯(cuò)，形成一個(gè)巨大的物料輸送物流網(wǎng)絡(luò)。物料由A 地運(yùn)送到B 地，通常有多個(gè)路徑可供選擇，而每個(gè)路徑是由不同的電控設(shè)備組成，那么怎樣形成物料輸送路徑就引入了流程的概念。

圖1為原料流程控制示意圖。由圖1可以看出，該物料輸送物流網(wǎng)絡(luò)是由料倉(cāng)A～G3、皮帶A1～E1、卸料車F組成。在這一物料輸送物流網(wǎng)絡(luò)中，物料輸送是有明確的起點(diǎn)和終點(diǎn)，比如物料從A 倉(cāng)運(yùn)送到C1皮帶機(jī)或D1皮帶機(jī)就沒有實(shí)際的物理意義，只有運(yùn)送到H 倉(cāng)或G 倉(cāng)才有實(shí)際的物理意義，即完成了一個(gè)有意義的物料輸送物流。而有意義的物料輸送物流就是流程的概念。

在一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的原料場(chǎng)，由于起點(diǎn)和終點(diǎn)明確，所以有意義的物料輸送物流就明確了，即流程的數(shù)量是明確的，每個(gè)流程包含的設(shè)備也是明確的。在圖1中，物流若從A倉(cāng)運(yùn)送到G倉(cāng)，那么可用流程有2 個(gè)：流程L101 為A→A1→C1→E1→F→G1～G3，流程L102 為A→A1→C2→E1→F→G1～G3。G 倉(cāng)是由3 個(gè)料倉(cāng)組成，僅僅是卸料小車F 的位置不同，對(duì)于這種所受倉(cāng)不同，我們定義為一個(gè)流程，這是因?yàn)樵趩?dòng)流程之前，操作人員就清晰明確地知道本次卸料要到哪個(gè)料倉(cāng)，在啟動(dòng)流程之前料車F 已移動(dòng)到指定位置，料車F 及料倉(cāng)G 不參與本次流程啟停聯(lián)動(dòng)，故不管有幾個(gè)料倉(cāng)，只要不參與流程啟停順控的，我們均定義為一個(gè)流程。

圖1 原料流程控制示意圖

3.1.2 流程控制選擇

綜上所述，物料從A 地到B 地我們有多個(gè)流程可供選擇，那么操作人員在實(shí)際生產(chǎn)中選擇哪個(gè)流程就是流程選擇的概念。流程選擇也可以通過(guò)L1級(jí)或L2 級(jí)尋優(yōu)，推薦給操作人員最佳流程，在下面的流程優(yōu)化選擇中會(huì)專門提到。由操作人員選擇了某流程，若所選流程中所有設(shè)備均正常且未被其它流程占用，則L1 級(jí)回饋給操作人員該流程已選擇，同時(shí)將流程內(nèi)所有電控設(shè)備占用為本流程，這主要是為大型原料場(chǎng)或ERP準(zhǔn)備，即操作人員可以在很早的時(shí)候就預(yù)約流程啟動(dòng)。流程選中后，對(duì)于不參與該流程啟停的設(shè)備，L1 級(jí)自動(dòng)進(jìn)行初始化（也可按HMI 初始化按鈕實(shí)現(xiàn)）。以圖1中流程L101 為例，選中L101 后C 皮帶前的分料器應(yīng)自動(dòng)移動(dòng)到A1 一側(cè)，料車F 也自動(dòng)移動(dòng)到指定位置，此時(shí)系統(tǒng)反饋流程具備啟動(dòng)條件。

3.2 原料場(chǎng)混勻配料系統(tǒng)啟停控制

原料場(chǎng)混勻配料系統(tǒng)通常是由若干個(gè)料倉(cāng)組成，每個(gè)料倉(cāng)對(duì)應(yīng)一臺(tái)圓盤給料機(jī)和皮帶秤。圓盤給料機(jī)下料量的控制是由下方皮帶秤的料流稱量信息作為反饋。

圖2為混勻配料系統(tǒng)示意圖。由圖2可以看出混勻配料系統(tǒng)PLC 控制對(duì)象有3 個(gè)：皮帶機(jī)、稱量秤、圓盤給料機(jī)。正常的啟動(dòng)順序?yàn)橄乳_啟稱量秤，再啟動(dòng)皮帶機(jī)，最后啟動(dòng)圓盤給料機(jī)。正常的停車順序?yàn)橄韧Ｖ箞A盤給料機(jī)，再停止皮帶機(jī)，最后關(guān)稱量秤。

圖2 混勻配料系統(tǒng)示意圖

3.3 原料場(chǎng)圓盤給料機(jī)PID自動(dòng)控制

3.3.1 圓盤給料機(jī)PID自動(dòng)控制原理

原料場(chǎng)混勻礦配料系統(tǒng)圓盤給料機(jī)PID 自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括：工控機(jī)、S7-1500 PLC、稱重控制器、變頻圓盤給料機(jī)、稱重皮帶秤、測(cè)速傳感器等。該控制系統(tǒng)主要是通過(guò)變頻圓盤給料機(jī)與稱重皮帶秤的閉環(huán)配合來(lái)實(shí)現(xiàn)定量給料。首先通過(guò)工控機(jī)將給料量設(shè)定值預(yù)置到PLC，PLC 輸出4mA～20mA 模擬量電流信號(hào)到稱重控制器，稱重控制器通過(guò)變頻器控制圓盤給料機(jī)的轉(zhuǎn)速，來(lái)調(diào)節(jié)圓盤下料量。當(dāng)稱重皮帶秤檢測(cè)到物料的重量，同時(shí)獲得稱重皮帶秤運(yùn)轉(zhuǎn)速度信號(hào)，通過(guò)稱重控制器計(jì)算，即可給出圓盤下料量的瞬時(shí)實(shí)際值。稱重控制器將圓盤下料量的實(shí)際值與預(yù)置到PLC 的設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，并對(duì)其偏差值進(jìn)行PID 運(yùn)算，然后輸出調(diào)整信號(hào)至變頻器來(lái)控制圓盤給料機(jī)的下料量，最終實(shí)現(xiàn)圍繞設(shè)定值穩(wěn)定給料。

3.3.2 圓盤給料機(jī)PID自動(dòng)控制要求

當(dāng)圓盤給料機(jī)停止時(shí)，此時(shí)PID 沒有執(zhí)行機(jī)構(gòu)，圓盤下料量的設(shè)定值與實(shí)際值的偏差永遠(yuǎn)不能消除，如果PID 控制此時(shí)為自動(dòng)狀態(tài)則PID 輸出值最終會(huì)變?yōu)闃O限值，顯然不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。當(dāng)稱重皮帶秤故障時(shí)，此時(shí)PID 沒有有效的實(shí)際值反饋，如果PID 此時(shí)為自動(dòng)狀態(tài)則PID 輸出值不可預(yù)測(cè)，同樣不能滿足生產(chǎn)實(shí)際需要。當(dāng)圓盤給料機(jī)剛開始運(yùn)行時(shí)，此時(shí)物料并沒有到達(dá)稱重皮帶秤，PID 的實(shí)際反饋值為一個(gè)虛值，如果PID 此時(shí)為自動(dòng)狀態(tài)，因設(shè)定值與實(shí)際值存在較大偏差必然導(dǎo)致PID大幅調(diào)整輸出值，而當(dāng)料流到達(dá)稱重皮帶秤時(shí)，實(shí)際值與設(shè)定值的偏差迅速變小又會(huì)導(dǎo)致PID 大幅調(diào)整輸出值，造成PID 生產(chǎn)振蕩，顯然同樣不能滿足生產(chǎn)實(shí)際需要。

綜上所述，正確的控制方法應(yīng)該是在圓盤給料機(jī)運(yùn)行5s后，即物料料頭達(dá)到稱重皮帶秤時(shí)才可投入PID 自動(dòng)控制模式。當(dāng)圓盤給料機(jī)在停止時(shí)，給PID 自動(dòng)控制置于手動(dòng)，將給料量設(shè)定值置為0，此時(shí)手動(dòng)設(shè)定值直接賦給PID 輸出值，最終PID 輸出值為0。當(dāng)圓盤給料機(jī)運(yùn)行5s 內(nèi)以及稱量?jī)x表稱故障時(shí)，給PID 置手動(dòng)。另外PID 自動(dòng)控制時(shí)需要把PID 輸出值賦給PID 手動(dòng)給定值，即PID 手動(dòng)給定值跟蹤PID 輸出值，防止在PID 控制從自動(dòng)切換到手動(dòng)時(shí)造成擾動(dòng)。

4 西門子PLC控制系統(tǒng)的具體應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)概述

天鋼2 號(hào)原料場(chǎng)主控制系統(tǒng)采用西門子1500T系列CPU 作為控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)原料場(chǎng)物流監(jiān)控、含鐵物料混勻配料、進(jìn)出場(chǎng)物料計(jì)量、各種工藝自動(dòng)化控制功能。采用PROFINET 作為自動(dòng)化以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)PROFINET 西門子S7-1500 PLC 可以和其他控制設(shè)備進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接和數(shù)據(jù)交換，也為日后數(shù)據(jù)采集、上傳提供了極高自由度。

天鋼2 號(hào)原料場(chǎng)全部設(shè)備的控制都是通過(guò)中央控制室的主控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，主要包括3 個(gè)方面的操作控制。

（1）設(shè)備的單一啟動(dòng)停止控制。對(duì)單體設(shè)備進(jìn)行控制時(shí)，可以選擇獨(dú)立啟動(dòng)、停止按鈕進(jìn)行操作，完成工作。

（2）設(shè)備的連鎖啟動(dòng)停止控制。部分設(shè)備工藝要求啟動(dòng)、停止相互關(guān)聯(lián)，相互制約?？稍谧钥叵到y(tǒng)的組態(tài)界面中設(shè)置相應(yīng)的連鎖開關(guān)，點(diǎn)擊連鎖開關(guān)后，設(shè)備按照自動(dòng)化控制的順序進(jìn)行連鎖啟停。特別是原料場(chǎng)供料設(shè)備中皮帶較多，相互之間的聯(lián)系密切，有順序啟停、條件啟停等多種模式。

（3）設(shè)備的緊急停止控制。在出現(xiàn)人身傷害危險(xiǎn)和設(shè)備損壞的情況時(shí)，使用急停按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的立即停止，以防止出現(xiàn)進(jìn)一步的危險(xiǎn)和事故。一般通過(guò)組態(tài)軟件設(shè)置急停按鈕、在電氣柜明顯位置安裝急停按鈕、在現(xiàn)場(chǎng)配備急停拉繩開關(guān)等設(shè)施。

4.2 西門子PLC系統(tǒng)拓?fù)鋱D

天鋼2 號(hào)原料場(chǎng)控制系統(tǒng)采用西門子1500T（1516T-3PN/DP）系列PLC。依據(jù)原料場(chǎng)工藝流程和控制功能要求，建立了3個(gè)主PLC 控制站，主PLC是由CPU1516T-3PN/DP+DIDO 模塊組成。1 號(hào)主PLC 控制1、2、3 號(hào)ET200 遠(yuǎn)程站，主要是控制原料的受卸。2 號(hào)主PLC 控制4、5 號(hào)ET200 遠(yuǎn)程站，主要控制原料的配料及供給。3 號(hào)主PLC 控制6、7 號(hào)ET200 遠(yuǎn)程站，主要控制原料場(chǎng)的輔助設(shè)施。每個(gè)主PLC 控制多個(gè)ET200 遠(yuǎn)程站，通過(guò)遠(yuǎn)程站完成數(shù)據(jù)采集及輸出動(dòng)作執(zhí)行命令。ET200 遠(yuǎn)程站通過(guò)PROFINET 現(xiàn)場(chǎng)總線通訊方式與主PLC 進(jìn)行連接。與同一過(guò)程相關(guān)的數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)、模擬量輸入輸出點(diǎn)盡量配置在同一個(gè)PLC 控制站，但部分點(diǎn)位可根據(jù)實(shí)際情況就近接入附近PLC 控制站，再通過(guò)PLC控制站之間通信傳遞必要的數(shù)據(jù)。圖3為原料場(chǎng)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 原料場(chǎng)PLC控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

天鋼2 號(hào)原料場(chǎng)控制系統(tǒng)采用西門子S7-1500 PLC，很好地實(shí)現(xiàn)了原料場(chǎng)的全部控制目標(biāo)和任務(wù)。投用以來(lái)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、通信功能強(qiáng)大、硬件故障率低，充分體現(xiàn)出了西門子S7-1500 控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。為天鋼3200m3高爐和360 m2燒結(jié)機(jī)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)創(chuàng)造了條件，同時(shí)也推動(dòng)了天鋼生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)化控制水平的整體提高。

我國(guó)的鋼鐵工業(yè)的發(fā)展離不開先進(jìn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，尤其是在鋼鐵企業(yè)現(xiàn)代化的大型原料場(chǎng)的生產(chǎn)控制上。將來(lái)鋼鐵企業(yè)原料場(chǎng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)要向著更加智能化方向發(fā)展，在提升原料場(chǎng)運(yùn)行效率的同時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)化物料輸送流程，提高混勻配礦的控制精度，更好地服務(wù)于高爐和燒結(jié)的生產(chǎn)。