Modicon PLC 在燒結自動化中的應用

[摘 要]論述了Modicon PLC的特色和燒結廠在自動化生產上的需要，在文章中作者提出了一套切實可行的方案，可以有效地解決燒結生產中存在的問題，并在實際工程中得到了驗證。
在當今的冶金生產工程中，煉鐵原料的燒結處理是必不可少的一環(huán)，而燒結工藝過程的關鍵參數就是各種原料的配比。對配比的精確控制是實現高質量燒結礦的關鍵。
傳統(tǒng)的燒結生產，對于各個料種的給料量控制采用了手動方式，或者單料種的給料自動下料，整個系統(tǒng)沒有進行集中控制，生產數據也不能及時地反映給生產管理人員，從而造成了生產人員勞動負荷較大，產品質量的優(yōu)劣不能及早預知。
目前的PLC系統(tǒng)已經發(fā)展得很完善，具有各種處理能力，除了傳統(tǒng)的順序控制外，數學運算能力已經接近（奔騰）計算機。PLC在燒結系統(tǒng)中的應用，大大地提高了燒結生產的自動化水平，一些新的控制策略和思想可以很方便地實現，特別是網絡技術的應用，為現代鋼鐵企業(yè)對生產過程更高層次的管理提供了極為方便的實現手段。
1 Modicon Quantum PLC
Modicon Quantum PLC系統(tǒng)是具有數字量處理能力的專用計算機系統(tǒng)，Quantum具有模板化、體系結構可擴展的特點，廣泛用于工業(yè)和制造過程中的實時控制。它包括Quantum系列CPU、I/O模板（以及采用遠程I/O的800系列）、I/O接口、通訊模板、電源和底板。

Modicon Quantum PLC軟件系統(tǒng)功能強大，符合國際IEC1131標準的全部規(guī)定，提供了多種編程語言供用戶選擇，用戶實現其控制思想的手段大大增強，特別是程序生成的設計與編程與PLC無關，并且?guī)в蟹植际胶投喙δ躊LC系統(tǒng)的現代化硬件體系、與強大的操作員和監(jiān)視系統(tǒng)（MMI）的接口以及最新通訊系統(tǒng)的配置。
2 北鋼三燒燒結自動化系統(tǒng)
北鋼三燒燒結自動化系統(tǒng)是以高可靠性工業(yè)微機、可編程序控制器（PLC）為核心而構成的全分布式網絡化控制系統(tǒng)；變頻調速系統(tǒng)以施耐得公司的Altivar 58變頻器為核心組成，整個自動化系統(tǒng)具有90年代末國際先進水平。
系統(tǒng)采用MB+網絡作為主要連接方式，輔助以遠程I／O工業(yè)控制網絡組成一個完整的自動化體系，由可編程控制器（PLC）操作站、上位計算機組成。PLC控制工藝設備的運行，檢測系統(tǒng)中各個生產設備的狀態(tài)及工藝參數，并按確定的控制程序對各個設備進行控制和調節(jié)。操作站主要功能是操作人員通過CRT上的實時動態(tài)畫面監(jiān)視現場的生產狀況，根據現場的實際情況對生產過程進行必要的控制和調節(jié)，以及進行趨勢分析等。上位計算機記錄、處理生產數據。
3 系統(tǒng)運行方式
根據設計要求，系統(tǒng)從整體上說具有三種基本的運行方式：
現場手動運行
計算機聯鎖運行
計算機解鎖運行
“現場手動運行”是指操作人員在現場的機旁箱上進行的設備的啟／停操作以及設備運轉速度設定。當一臺設備處于現場手動運行狀態(tài)時，這臺設備就完全從整個系統(tǒng)中脫離出去了，設備的啟動、停止完全受現場操作人員的控制，這臺設備也就不能再參與系統(tǒng)的任何連鎖了。
“計算機聯鎖運行”和“計算機解鎖運行”從控制方式上講，可以統(tǒng)稱為“計算機自動運行”。
“計算機聯鎖運行”是指處于自動運行的所有設備每時每刻都參加各自的所有的條件連鎖，例如運行安全聯鎖、工藝參數連鎖、啟停順序連鎖等等。當系統(tǒng)處盂聯鎖狀態(tài)時，它的啟動、停止既受別的設備的影響，也會影響別的設備的啟動、停止，系統(tǒng)各個設備的運行環(huán)環(huán)相扣。
對于燒結配料這樣的物料輸送系統(tǒng)來說，這一點特別重要，有效地防止因下游設備故障而引起上游皮帶的堆料就是“聯鎖運行”的重要作用之一。
“計算機解鎖運行”是指處于自動運行的所有設備不再隨時判斷它的運行和停止條件，該臺設備的啟動、停止僅僅受操作人員在CRT上對他發(fā)出的啟停命令的影響，操作人員通過一臺CRT就可以隨意控制接入計算機的所有設備。這種運行方式，為設備的試車、檢修等針對單臺設備的操作提供了極大的方便。
但是要注意，從系統(tǒng)安全角度來說，“計算機解鎖運行”方式具有一定的危險性，特別是當整個系統(tǒng)處于運行狀態(tài)時，如果系統(tǒng)解鎖，就很有可能造成物料堆積、設備損壞等等十分討厭的結果。所以，除非真的有必要，一般不要采用“計算機解鎖運行”方式，而應該把系統(tǒng)長時間的置于“計算機聯鎖運行”狀態(tài)。
4 系統(tǒng)的啟動和停止
系統(tǒng)啟停方式包括下列4種：
緊急停止
順序停止
順序啟動
同時啟動
緊急停止用于需要所有參與配料的設備立即停止運行的場合，例如發(fā)生緊急情況要立即使系統(tǒng)停車時。
當點擊“緊急停止”按鈕時，系統(tǒng)所有正在運行的給料設備全部立即停止運行，只有處于現場機旁手動的設備不理會，仍然處于它自己原來的運行狀態(tài)。
順序停止用于希望長時間停車的場合，這樣可以保輸送皮帶上的物料都運送干凈，使皮帶處于物料狀態(tài)，并且可以保證料尾對齊。
順序啟動用于系統(tǒng)的初次運行或者順序停止后的系統(tǒng)再次啟動，順序啟動功能可以控制參加配料的給料設備按照皮帶的運行方向按一定的時間間隔依次啟動，保證料頭能夠對齊。
同時啟動用于急停后的系統(tǒng)再次啟動。
同時啟動能夠使系統(tǒng)在上一次的“斷點”處接著往下進行，就象沒有發(fā)生過任何事情一樣。
5 設定目標量的自動跟蹤
配料系統(tǒng)所使用的給料設備具備調速功能，并且已經通過MB+網的形式接入了計算機，這是自動跟蹤下料量的硬件基礎。
系統(tǒng)實現目標值自動跟蹤的軟件基礎是在PLC中嵌入了調整靈活的PID功能，通過合理的設置PID的參數值，可以在響應速度和調節(jié)穩(wěn)定度之間取得平衡，優(yōu)化自動調節(jié)和跟蹤的效果。
當一個料種的給料目標值被設定或者被自動計算出來以后，作為PID模塊的給定值輸入到模塊中，而現場各類皮帶秤的輸出作為反饋信號也輸入到PID模塊中，最后計算機按照PID方式作出篩選的響應，這種響應被轉換為變頻器的設定頻率值，從而可以根據設定值與皮帶秤的偏差來調節(jié)給料電機的轉速，最終達到穩(wěn)定給料量的目的。
除了自動方式外，還有一種手動調節(jié)給料速度的方式，那就是“PID手動給定值”輸入，當選擇了這項功能時，可以直接輸入給料電機的轉速，系統(tǒng)不再使用PID方式進行調節(jié)，也不再考慮皮帶秤的輸出，給料電機的轉速用這種方式就可以直接控制。
手動給定的是一個百分比值，它的含義為變頻器最高輸出頻率的百分之多少，輸入范圍應在0～100％。目前，批料系統(tǒng)所有變頻器的最高頻率都設定為50Hz，當變頻器的輸出為50Hz時，給料電機達到最高轉速。
畫面的下方為皮帶秤的實際輸出值，當調整手動給定百分比時，可以觀察皮帶秤的輸出值，不斷地增加或者減少百分比值，就可以讓皮帶秤的輸出達到設定目標值。
PID的3個參數直接關系到PID的響應特性。
一般的來說，P值是一個比例參數，它沒有單位，P值越大，對于同樣的偏差，PID的響應輸出就越大，但調節(jié)輸出的穩(wěn)定性就越糟糕，甚至產生劇烈的震蕩；I值的含義是積分時間，它的值越大，系統(tǒng)的響應時間就會越長，當輸入有變化時，PID的輸出達到最后穩(wěn)定的時間就會越長；D值是一個微分時間，它的值越大，PID對輸入偏差就會越敏感。
以下是P、I、D三個參數在實際使用中的取值范圍：
P：0.5～20
I：5～40s
D：0～5s
6 結束語
該系統(tǒng)已經于2001年在北臺鋼鐵公司第二煉鐵廠的燒結車間投入實際生產運行，Modicon Quantum PLC系統(tǒng)非常穩(wěn)定，軟件設計完全滿足現場需要，一改多年來手動操作進行生產的狀況，極大地提高了生產的自動化水平。