摘 要：本文主要介紹了西門子S7-400系列PLC在宣鋼回轉(zhuǎn)窯控制系統(tǒng)中的應用。通過人機界面和PLC實現(xiàn)電氣設(shè)備的啟停、儀表參數(shù)監(jiān)控等，并通過PROFIBUS總線將其他廠商的電子皮帶秤和變頻器連接到系統(tǒng)中。 關(guān)鍵詞：可編程控制器（PLC） 回轉(zhuǎn)窯 過程監(jiān)控 Wincc組態(tài)軟件

PLC control system for rotary kiln

Abstract：This paper mainly introduces the Siemens S7-400 series PLC at Xuanhua Steel Rotary control system. Through man-machine interface and PLC implementation of start and stop electrical equipment, instrumentation, monitoring parameters, and through PROFIBUS bus other manufacturers electronic belt scale and frequency converter to connect to the system. Keywords: programmable logic controller （PLC） process monitoring Rotary kiln Wincc configuration software 一、概述 　　1.1設(shè)計目標 　　基于“集中管理，分散控制”的模式，數(shù)字化、信息化工程的思想，著眼于“企業(yè)資源計劃（ERP）管控一體化”信息系統(tǒng)的建設(shè)，需建立一個先進、可靠、高效、安全且便于進一步擴充的集過程控制、監(jiān)視、管理于一體并且具備良好開放性的監(jiān)控系統(tǒng)，完成對整個工藝過程及全部生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測與自動控制。 　　1.2項目概述 　　本項目是2008年宣鋼四大工程之一，年產(chǎn)200萬噸球團礦回轉(zhuǎn)窯工程，本工程分二期建設(shè)，一期工程建設(shè)1座100萬噸回轉(zhuǎn)窯（于2008年3月投產(chǎn)），二期再建設(shè)1座同等年產(chǎn)量回轉(zhuǎn)窯（于2009年投建），但相應的輔助設(shè)施按2座窯規(guī)模一次建成。其工藝是將精粉等溶濟原料送入貯倉，各種原料經(jīng)倉下的托料式給料機和螺旋式給料機供出，經(jīng)帶式輸送機轉(zhuǎn)運后送至烘干機加熱烘干，然后經(jīng)帶式輸送機送入球式潤磨機進行破碎加工,潤磨后由帶式輸送機送入造球頂部料倉，經(jīng)托料皮帶送入造球搖盤,搖好的球團經(jīng)布料小車送往輥篩進行篩分,篩分后鋪入鏈蓖機,經(jīng)鏈蓖機預熱焙燒再送往回轉(zhuǎn) 　　窯焙燒,焙燒好的球團進入環(huán)冷機進行冷卻，冷空氣在環(huán)冷機內(nèi)冷卻物料的同時被加熱，經(jīng)窯頭罩進入窯內(nèi)，作為燃料燃燒的二次空氣，回轉(zhuǎn)窯采用煤氣燃燒加熱，冷卻過的不堪團礦供出。 　　窯體裝置和輔助設(shè)備的運行與監(jiān)視將在控制室中實現(xiàn)自動控制，并通過人機界面實現(xiàn)電氣設(shè)備的起動和停止、儀表參數(shù)監(jiān)測，被控參數(shù)的閉環(huán)調(diào)節(jié)、控制系統(tǒng)報警和生產(chǎn)過程報警以及數(shù)據(jù)歸檔等功能，使整個回轉(zhuǎn)窯能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)的自動化，大大減少工人的勞動強度，提高了生產(chǎn)率，并合理的節(jié)省了能源。 二、系統(tǒng)組成 　　2.1 PLC控制系統(tǒng) 　　為了保證整個系統(tǒng)安全可靠和生產(chǎn)的連續(xù)性，提高自動化水平，適應回轉(zhuǎn)窯工藝要求。從該系統(tǒng)I/O測點較多等方面考慮到系統(tǒng)對設(shè)備的硬件條件要求較高以及以往的使用情況，我們采用以西門子S7-400冗余 PLC為核心的集中和分散相結(jié)合的計算機控制系統(tǒng)，由中央控制室、配料控制站、窯頭控制站組成。 　　中央控制室：設(shè)監(jiān)控計算機、打印機等，負責對整個回轉(zhuǎn)窯工藝參數(shù)、電氣參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)控、管理、歷史數(shù)據(jù)趨勢存儲以及報表打印;通過光纖交換機將其它兩個過程站環(huán)狀連接，提高網(wǎng)絡(luò)健壯度,并且可能通過工控網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)內(nèi)部管理網(wǎng)絡(luò)之間的訪問控制,實現(xiàn)ERP數(shù)據(jù)同步。 　　配料控制室：該系統(tǒng)實現(xiàn)了對4臺托料稱和4臺減量稱的顯示和控制，系統(tǒng)分別組成相應的控制回路。包括皮帶秤的啟停、標定、料量給定、調(diào)節(jié)、計量、反饋、顯示功能。根據(jù)工藝要求，完成相應的設(shè)備順序啟停、故障報警、緊急停車等功能，并具備手自動轉(zhuǎn)換功能，同時完成料倉料位的檢測。 　　窯頭控制室：該系統(tǒng)實現(xiàn)了對回轉(zhuǎn)窯焙燒環(huán)節(jié)工藝參數(shù)（溫度、壓力等）實施監(jiān)控，根據(jù)設(shè)備啟停順序，控制設(shè)備啟停，保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。并具備手/自動轉(zhuǎn)換功能。配料站：由DP從站接口模塊（IM153-2）、I/O模塊、電子皮帶秤和變頻器組成，通過Profibus-DP現(xiàn)場總線與現(xiàn)場PLC控制站進行數(shù)據(jù)通訊。 　　網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如下: 　　2.2 S7-400特點： 　　本系統(tǒng)以PLC和監(jiān)控計算機為核心，以工業(yè)以太網(wǎng)作為系統(tǒng)骨干網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場PLC控制站和監(jiān)控計算機連接起來，構(gòu)成一個分布式控制系統(tǒng)。 　　2.2.1先進性 　　本系統(tǒng)不僅采用了先進的軟、硬件，而且著眼于企業(yè)“管控一體化”的需求，貫徹了數(shù)字化、信息化的先進思想，使企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的進一步智能應用成為現(xiàn)實。該方案使控制系統(tǒng)有機地成為企業(yè)整個IT架構(gòu)的一部分。 　　2.2.2 高可靠性 　　控制系統(tǒng)在嚴格的工業(yè)環(huán)境下長期、穩(wěn)定地運行。系統(tǒng)組件的的設(shè)計符合真正的工業(yè)等級，滿足國內(nèi)、國際的安全標準。并且易配置、易接線、易維護、隔離性好，結(jié)構(gòu)堅固，抗腐蝕，適應較寬的溫度變化范圍。 　　2.2.3 優(yōu)良的開放性 　　TCP/IP協(xié)議是目前開放性最好的協(xié)議，可以輕松進行系統(tǒng)擴展。 　　組態(tài)軟件支持DDE、OPC、ODBC、SQL，且提供豐富的API編程接口，同時也為世界各大廠商，如Modicon、Siemens、AB、GE、Omron等的設(shè)備提供了完善的驅(qū)動程序庫，從而可以將其它系統(tǒng)輕松接入本系統(tǒng)。 　　SIMATIC S7-400作為DP主站，可通過集成在SIMATIC S7-400 CPU上的PROFIBUS -DP接口（選件）通過全局數(shù)據(jù)（GD）通訊，網(wǎng)絡(luò)上的CPU之間可周期地交換數(shù)據(jù)包。應用通訊功能塊，網(wǎng)絡(luò)上各站點之間進行基于事件驅(qū)動的通訊?？赏ㄟ^MPI、PROFIBUS 或工業(yè)以太網(wǎng)進行聯(lián)網(wǎng)。 　　2.3 更穩(wěn)定更安全的冗余設(shè)計 　　SIMATIC Step7 采用的冗余控制系統(tǒng)的可靠性比傳統(tǒng)的DCS 冗余系統(tǒng)有很大提高,主要技術(shù)指標有： 　　•S7-400H型中央控制器中預裝有冗余軟件，用戶在組態(tài)時可完全忽略其冗余特性，象對非冗余系統(tǒng)組態(tài)一樣只需 輸入用戶程序。 　　•事件驅(qū)動同步功能，對于執(zhí)行后能引起兩個冗余 CPU的內(nèi)部狀態(tài)不同的所有命令，如更新過程映象區(qū)，直接訪問 I/O，中斷與報警，定時器的更新等，CPU之間自動進行同步，而不是以特定的時間周期進行同步。 　　•冗余的兩個控制器安裝在一個緊湊型機架上。緊湊型機架上采用分立式的背板總線，使電源，通訊卡件及CPU仍然被分成兩個獨立部分。 　　•冗余的每個控制器上配置一個電源，在需求較高的環(huán)境下，可對每個控制器設(shè)置兩個電源。即使安裝在一個機架上，因為背板總線互相獨立，仍可對每個CPU配備兩個電源。 　　• 運行過程中可以更換所有組件，更換CPU時，系統(tǒng)可以將新安裝的CPU自動更新為當前狀態(tài)。 　　2.4 安全便捷的工業(yè)現(xiàn)場總線 　　現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備與控制室內(nèi)的自動控制裝置系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線。其中，“生產(chǎn)過程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程兩類?；蛘撸F(xiàn)場總線是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，用總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。 　　PROFIBUS是現(xiàn)場總線領(lǐng)域非常流行的一種開放式總線標準，是西門子TIA（全集成自動化）概念的重要組成部分。PROFIBUS DP用于實現(xiàn)分布式I/O與單元級控制系統(tǒng)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸功能現(xiàn)場級通訊網(wǎng)絡(luò)處于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最底層，直接連接現(xiàn)場的各種設(shè)備。控制器采用中央控制器CPU414-4與現(xiàn)場智能儀表（測量傳感器、驅(qū)動器、執(zhí)行器）、現(xiàn)場I/O點通過PROFIBUS—DP互相進行通訊，具有很高的穩(wěn)定性和抗干擾能力。宣鋼100萬噸/年回轉(zhuǎn)窯PROFIBUS現(xiàn)場總線采用PROFIBUS-DP總線，傳輸速率在9.6Kbit/s—12Mbit/s之間。 　　根據(jù)其通訊協(xié)議，可以與分布式 I/O （PROFIBUSDP） 進行快速通訊，直接連接基于總線的智能化現(xiàn)場設(shè)備，包括電源，符合 IEC61158 （PROFIBUS PA） 標準。 　　2.4.1 PROFIBUS的優(yōu)點： 　?。?）增強了現(xiàn)場級信息集成能力 　　現(xiàn)場總線可從現(xiàn)場設(shè)備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動化及CIMS系統(tǒng)的信息集成要求?，F(xiàn)場總線是數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，它不單純?nèi)〈?-20mA信號，還可實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。系統(tǒng)除完成遠程控制，還可完成遠程參數(shù)化工作。 　?。?）開放式、互操作性、互換性、可集成性 　　不同廠家產(chǎn)品只要使用同一總線標準，就具有互操作性、互換性，因此設(shè)備具有很好的可集成性。系統(tǒng)為開放式，允許其它廠商將自己專長的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，市場上將有許多面向行業(yè)特點的監(jiān)控系統(tǒng)。 　　（3）系統(tǒng)可靠性高、可維護性好 　　基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式替代一對一的I/O連線，對于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來說，減少了由接線點造成的不可靠因素。同時，系統(tǒng)具有現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現(xiàn)場設(shè)備的遠程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化工作，也增強了系統(tǒng)的可維護性。 　　2.4.2 ET200M站： 　　接口模塊IM153用于與PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的連接而組成分布式I/O系統(tǒng)，各種I/O模塊插入有源總線模塊內(nèi),可在線更換模塊，實現(xiàn)帶電插拔功能。各分站放置在相應的配電室內(nèi)，便于以后進行擴展，并且大大減少電纜和工程施工量。 　　S7-400與S7-200通過EM277進行PROFIBUS DP通訊，需要在STEP7中進行S7-400站組態(tài)，在S7-200系統(tǒng)中不需要對通訊進行組態(tài)和編程，只需要將要進行通訊的數(shù)據(jù)整理存放在V 存儲區(qū)與S7-200的組態(tài)EM277從站時的硬件I/O地址相對應。 　　導入GSD文件后，在右側(cè)的設(shè)備選擇列表中找到EM277從站，PROFIBUS DPàAdditionalFieldDevicesàPLCàSIMATICàEM277,并且根據(jù)通訊字節(jié)數(shù)，選擇一種通訊方式。根據(jù)EM277上的撥位開關(guān)設(shè)定在硬件組態(tài)中EM277從站的站地址。S7-400的硬件下載完成后，將EM277的撥位開關(guān)撥到與硬件組態(tài)的設(shè)定值一致，在S7-200中編寫程序?qū)⑦M行交換的數(shù)據(jù)存放在VB0-VB15，對應S7-400的PQB0-PQB7和PIB0-PIB7。 　　通過對step7的軟件編程，在操作站反應S7-200中的數(shù)字信息，并可對S7-200中的變量進行寫操作。 　　STEP 7 軟件中執(zhí)行·在 S7 程序中插入診斷功能塊· 導出硬件組態(tài)（cfg 文件）將模塊變量傳送至 WinCC 。 　　WinCC 軟件中執(zhí)行·在 WinCC 畫面中中插入診斷 OCX 控件·將傳送過來的模塊變量與診斷 OCX 控件連接· 指定所導出的硬件組態(tài)的路徑（cfg 文件）。 三、監(jiān)控系統(tǒng) 　　上位機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)一臺工程師站和四臺操作員站，選用原裝西門子工業(yè)控制計算機，每臺機器上裝有網(wǎng)絡(luò)通訊卡CP1613，它們各通過工業(yè)以太網(wǎng)與三套S7-400系統(tǒng)的通訊處理器CP443-1通訊口連接，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換。 　　監(jiān)控組態(tài)軟件不僅有監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）功能，而且有組態(tài)、開發(fā)和開放功能，是自動化系統(tǒng)集成中不可缺少的關(guān)鍵組成部分。我們在此監(jiān)控系統(tǒng)中采用西門子公司的WINCC6.0組態(tài)軟件，WINCC是Windows Control Conter（視窗控制中心）的簡稱，它運行于個人計算機環(huán)境，可以與多種自動化設(shè)備及控制軟件集成，用戶在其友好的界面下進行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，可形成所需的操作畫面、監(jiān)控畫面、控制畫面、報警畫面、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報表等。它為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環(huán)境，不僅縮短了軟件設(shè)計周期，而且提高了工作效率。 　　下圖為中控監(jiān)測畫面 　　3.1 監(jiān)控調(diào)節(jié)及控制 　　窯體工藝流程是物料經(jīng)鏈籬機連續(xù)向窯尾加料，它隨窯體轉(zhuǎn)動而緩慢的向窯頭移動，并且從窯尾向窯頭移動的過程中，首先經(jīng)過預熱帶預熱，煅燒好的物料從窯頭下料管落入下部的冷卻機內(nèi)?；旌厦簹饬亢涂諝饬康暮侠砼浜鲜潜ＷC回轉(zhuǎn)窯煅燒溫度的關(guān)鍵調(diào)節(jié)，使煤氣量和空氣量能根據(jù)產(chǎn)量和熱值等參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整。流量限幅報警，越限報警、無擾動切換、非線性PID調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)儲存。該系統(tǒng)故障率低，運行可靠，可使燃燒更趨合理，焙燒溫度穩(wěn)定，并能大幅度降低煤氣單耗提高安全性。 　　窯頭自動控制系統(tǒng)主要對回轉(zhuǎn)窯本體和環(huán)冷機進行數(shù)據(jù)監(jiān)視和控制，控制著球團礦的窯內(nèi)焙燒和最后的繼續(xù)氧化冷卻工作，稍有差錯就會導致出紅礦或燒損設(shè)備。 　　3.2增加環(huán)冷機內(nèi)溫度調(diào)節(jié)功能：回轉(zhuǎn)窯球團工藝的環(huán)冷機不僅僅是冷卻功能，還要有最后的焙燒功能，只有科學合理的控制好機內(nèi)各部分的溫度，才能出合格球，才能出好球。所以控制環(huán)冷機三臺冷卻風機的風量是回轉(zhuǎn)窯球團工藝的關(guān)鍵，但原設(shè)計中恰恰缺失了這一環(huán)節(jié)。我們自行敷設(shè)采集控制信號線路，編譯主控程序，實現(xiàn)了主控調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速的功能，使主控能夠根據(jù)物料流量和監(jiān)測溫度合理科學地調(diào)整環(huán)速和風量。 　　3.3無線測溫收發(fā)裝置的使用：在多數(shù)球團廠家的考察過程中，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度的測量都是通過滑環(huán)裝置來傳輸?shù)?，滑環(huán)裝置容易出現(xiàn)高溫變形和銹蝕等情況，造成接觸不良而信號丟失。窯內(nèi)溫度是回轉(zhuǎn)窯工藝的重要參數(shù)，是判斷窯內(nèi)工況的唯一手段，所以不能有任何差錯。我們采用無線測溫收發(fā)裝置，采集到熱電偶的信號，通過在窯體的發(fā)射裝置將現(xiàn)場信號發(fā)射，控制室內(nèi)的接受裝置接受信號，并轉(zhuǎn)換成電流信號傳輸?shù)絊7-400的AI通道。無線測溫收發(fā)裝置的使用，成功避免了由于接觸不良造成的信號丟失，也節(jié)省了敷設(shè)線路的人工和成本，并避免了線路故障造成的影響。 　　3.4增加窯頭罩負壓的檢測：回轉(zhuǎn)窯球團工藝全過程是一個負壓生產(chǎn)工藝，窯內(nèi)正壓可能造成對設(shè)備和人員傷害，并直接影響全線工藝操作。所以我們增設(shè)該監(jiān)控點，有利于主控對熱風系統(tǒng)的合理操作，并在現(xiàn)場設(shè)置的顯示表，方便崗位人員根據(jù)窯內(nèi)壓力情況對設(shè)備操作，防止了由于正壓造成的燒傷事故。 四、結(jié)束語 　　本控制系統(tǒng)自投產(chǎn)以來一直運行穩(wěn)定,為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟效益和良好的社會效益。在該系統(tǒng)中PLC控制充分發(fā)揮了其配置靈活、控制可靠、編程方便和功能強大的優(yōu)點，給整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來較大的益處。