Siemens PLC在50T轉(zhuǎn)爐自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言

由萊鋼集團(tuán)自主設(shè)計(jì)、開發(fā)的50噸氧槍頂吹轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)于2002年10月正式投產(chǎn)。該系統(tǒng)由轉(zhuǎn)爐本體、汽包汽化和煤氣回收3部分組成，過程控制采用電器控制、儀表控制和計(jì)算機(jī)自動控制三電一體化實(shí)現(xiàn)，提高了控制的安全性和可靠性。其中計(jì)算機(jī)自動控制系統(tǒng)由1臺工程師站，2臺操作員站，3臺西門子S7-400可編程控制器組成，通過Profibus現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。

2 工藝過程

轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)主要完成將鐵水和廢鋼冶煉成鋼水，同時將冶煉過程中產(chǎn)生的煤氣和水蒸氣進(jìn)行回收再利用。轉(zhuǎn)爐主體設(shè)備主要包括爐體、爐門、煙罩、傾動機(jī)構(gòu)、氧槍升降機(jī)構(gòu)、氧槍橫移機(jī)構(gòu)、稱重裝置、上料裝置、冷卻裝置等組成，其中氧槍有兩套，靠衡移小推車轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)互為備用。
裝料時爐門打開，煙罩提升，裝料完成后，爐門關(guān)閉，煙罩下移。冶煉過程中，氧槍下降，從爐體頂部向爐內(nèi)吹氧，或加合金料以改善鋼水成分。出鋼時，氧槍上升，傾動爐體，鋼水由鋼包車運(yùn)至精煉爐精煉。煉鋼過程中，氧槍和煙罩通過循環(huán)冷卻水降溫，產(chǎn)生的汽包蒸汽經(jīng)加壓后送用戶使用;風(fēng)機(jī)將煙罩內(nèi)氣體吸出，經(jīng)煤氣回收后放散到大氣。

3 自動控制系統(tǒng)構(gòu)成
轉(zhuǎn)爐自動控制系統(tǒng)采用3臺SIMATIC S7-400-414-2 PLC 主站分別完成實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐本體控制、汽包汽化和煤氣回收及風(fēng)機(jī)控制，其配置主要有主機(jī)架、擴(kuò)展機(jī)架、電源、CPU、接口模塊、通信模塊，以及數(shù)字量和模擬量輸入/輸出模塊等。3臺主站之間通過以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)通訊。汽包汽化和煤氣回收PLC主站共下設(shè)2個ET200-M遠(yuǎn)程從站，通過工業(yè)現(xiàn)場總線Profibus-DP完成主從通訊。1臺工程師站用于完成系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)，2臺操作員站完成整個生產(chǎn)過程監(jiān)控。自動控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

4 自動控制系統(tǒng)控制方式和功能
整個轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的自動控制由PLC控制程序完成，通過開放的Profibus-DP現(xiàn)場總線連接各個部件，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)順序邏輯控制、聯(lián)動聯(lián)鎖控制、以及信號傳輸、報(bào)警和數(shù)據(jù)采集等，同時設(shè)有人工緊急停車處理按鈕。
4.1 工程師站
基于SIMATIC STEP7編程軟件的工程師站，完成3臺PLC主站系統(tǒng)的硬件組態(tài)、地址和站址的分配以及用戶程序的設(shè)計(jì)開發(fā)和調(diào)試工作。程序設(shè)計(jì)采用模塊化、結(jié)構(gòu)化編程，應(yīng)用OB、FC、FB塊和相關(guān)數(shù)據(jù)塊DB組成整個控制系統(tǒng)，并且在軟件設(shè)計(jì)中采用了抗干擾措施。
4.2 操作員站
操作員站作為整個系統(tǒng)的人機(jī)界面，采用通用工業(yè)PC，配置SIMATIC WinCC畫面組態(tài)監(jiān)控軟件，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的過程監(jiān)控。WinCC能實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)動態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)定、操作控制等功能，并具有過程信息歸檔、報(bào)警信息順序顯示、報(bào)表打印等功能，具有很強(qiáng)的實(shí)時行。
4.3 轉(zhuǎn)爐本體PLC主站
轉(zhuǎn)爐本體PLC主站主要完成爐前的爐門動作和爐體的傾動操作，爐后傾爐和出鋼鋼包車、出渣渣車操作，煙罩的升降操作和冷卻水流量、壓力聯(lián)所控制，氧槍的升降操作和氧槍定位及冷卻水流量壓力聯(lián)所控制，氧槍橫移換槍操作，上料稱重和進(jìn)料操作，并完成轉(zhuǎn)爐水冷煙罩、水冷爐壁、水冷氧槍等水冷系統(tǒng)48個測溫點(diǎn)溫度變化的實(shí)施數(shù)據(jù)采集以及冷卻水系統(tǒng)壓力、流量等實(shí)時數(shù)據(jù)采集監(jiān)視和超限及事故報(bào)警。通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)PLC和操作站之間的實(shí)時數(shù)據(jù)傳送，由人機(jī)界面完成生產(chǎn)過程監(jiān)控。
4.4 汽包汽化PLC主站
汽包汽化PLC主站設(shè)置有1臺Profibus-DP遠(yuǎn)程控制從站ET200M。主站主要完成對冶煉過程中產(chǎn)生蒸汽的壓力、流量、溫度檢測，控制加溫水槽水位，控制送出熱水的流量、壓力、溫度等，并由操作站對過程信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。從站主要完成液壓泵站主、輔液壓泵的切換和運(yùn)行控制，對高壓液罐和氣罐的液位和壓力控制，對空氣壓縮機(jī)的控制，對主液箱和回液箱的液位自動控制以及液壓介質(zhì)自動溫度控制。
4.5 煤氣回收PLC主站
煤氣回收PLC主站也設(shè)置有1臺Profibus-DP遠(yuǎn)程控制從站ET200M。主站主要完成一紋水、二紋水的冷卻控制，檢測轉(zhuǎn)爐煤氣進(jìn)出一紋水、二紋水前后的溫度、壓力和流量，根據(jù)對一氧化碳和二氧化碳的檢測含量，控制是否進(jìn)行煤氣回收。從站主要完成兩臺風(fēng)機(jī)的主、輔切換和運(yùn)行控制，檢測風(fēng)機(jī)軸溫、軸振動和進(jìn)出口壓力、流量、溫度，通過聯(lián)鎖控制保障風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。
5 抗干擾功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
由于電器設(shè)備的存在，尤其是高壓變頻器每次啟動所產(chǎn)生的高頻沖擊，大電流運(yùn)行時所產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場，以及電網(wǎng)諧波等諸多干擾因素的存在，嚴(yán)重威脅控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行和通信網(wǎng)絡(luò)的安全、穩(wěn)定暢通，為此設(shè)計(jì)中根據(jù)各種干擾源的存在增機(jī)一下抗干擾功能:
(1) 接地
計(jì)算機(jī)、PLC和通信網(wǎng)絡(luò)采用單獨(dú)的專用接地處理。
(2) 模擬量輸入信號濾波
對于電器設(shè)備的電壓、電流及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等重要模擬量輸入信號在進(jìn)PLC模擬量通道之前，先經(jīng)過信號隔離器消除通道中的串模干擾，在保證有用信號不被衰減的情況下最大限度的衰減高頻干擾，提高通道的信噪比。
(3) 模擬量通道屏蔽
模擬量信號的輸入導(dǎo)線采用有屏蔽線的雙絞線電纜，以降低輻射干擾和電磁耦合性干擾。
(4) 模擬量通道隔離
模擬量模塊采用通道光電隔離模塊，降低通道間共模干擾。
(5) 數(shù)字量通道隔離
數(shù)字量模塊采用通道光電隔離模塊，在信號進(jìn)出PLC通道之前加設(shè)中間繼電器對通道進(jìn)行雙重隔離，防止串入強(qiáng)干擾電壓燒壞通道。
(6) 通訊電纜設(shè)置
工業(yè)以太網(wǎng)通訊纜和Profibus-DP電纜敷設(shè)時單獨(dú)穿金屬管，電纜走向避免與動力纜平行，盡可能遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)爐本體和大電流線路。
(7) 電源隔離
工作電源通過帶屏蔽的隔離變壓器給PLC主站和從站供電，使PLC和大功率的電器設(shè)備的電位隔離，避免供電線路干擾。
(8) 程序設(shè)計(jì)抗干擾處理
對于模擬量輸入信號采用延時濾波技術(shù)，消除瞬時干擾。對于數(shù)字量輸入信號采用鎖存和指令對比技術(shù)，降低誤信號。
6 結(jié)束語
系統(tǒng)投運(yùn)至今運(yùn)行穩(wěn)定可靠，抗干擾技術(shù)的合理化應(yīng)用保證了PLC設(shè)備和通訊網(wǎng)絡(luò)在惡劣環(huán)境中的安全暢行。Simens PLC程序故障診斷、在線監(jiān)控和修改技術(shù)，方便了程序維護(hù)，開放的、標(biāo)準(zhǔn)的Profibus-DP現(xiàn)場總線增強(qiáng)了系統(tǒng)的擴(kuò)展能力。整套系統(tǒng)自動化水平高、操作間接方便、報(bào)警明了清晰、故障率低、維護(hù)量小，達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。