PLC在焦爐自動配煤控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　CP342-5 作為Profibus-DP主站時，最多可鏈接 124個從站，和每個從站最多可以交換244個輸入字節(jié)（Input）和244個輸出字節(jié)（Output），與所有從站總共最多交換2160個輸入字節(jié)和2160個輸出字節(jié)，但其DP通信編程與S7-300 CPU所集成的DP站有所不同，CP342-5為主站其模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器與從站的I/O數(shù)據(jù)區(qū)的通訊過程是自動進行的，但必須填寫CP342-5模塊的硬件起始地址參數(shù)，使CPU能尋址到CP342-5位置，這個起始地址就是16進制的CPLADDR參數(shù)，它表示硬件組態(tài)的PZD起始地址，可在OB1程序中調(diào)用功能塊“DP_SEND” FC1和 “DP_RECV” FC2，來完成CPU經(jīng)CP342-5數(shù)據(jù)寄存器對PKW、PZD的數(shù)據(jù)交換；本例中CP342-5模塊所連接的DP從站為SIEMENS 6SE70變頻器 + CBP2總線適配器，MASTERDRIVES/DC MASTER CBP2 DPV1其PPO（參數(shù)過程數(shù)據(jù)對象）類型共有以下5種：

　　圖4：CBP2 5種PPO類型

　　本例中根據(jù)實際情況選擇類型PPO 4，此類型沒有參數(shù)數(shù)據(jù)PKW，只有6個字的過程數(shù)據(jù)PZD，過程數(shù)據(jù)主要包含：起、停命令、電流反饋、速度給定及反饋、運行和報警狀態(tài)等設(shè)定值和狀態(tài)值；但隨著今后的發(fā)展趨勢，西門子將會取消PPO類型，代之以標準報文或自由組態(tài)，這樣一來參數(shù)數(shù)據(jù)PKW就可以采用非循環(huán)方式來訪問（DPV1功能），非循環(huán)訪問不需要組態(tài)，用SFC58/59以讀/寫數(shù)據(jù)包的形式讀/寫參數(shù)，而過程數(shù)據(jù)PZD還是采用循環(huán)方式傳送，這樣可大大減輕整個DP網(wǎng)的通信負荷。另外在通信編程必須注意以下幾點：

　　·DP從站 I/O端口映射的I和Q存儲區(qū)起始地址必須從0開始；

　　·各個從站I/O端口地址應(yīng)連續(xù)，相互之間不可有空隙；

　　·功能塊FC1和FC2中的發(fā)送及接收的數(shù)據(jù)字節(jié)應(yīng)全部覆蓋各個從站的PZD長度；

　　本項目中MASTERDRIVES 與S7 300 DP通信編程步驟依次為：硬件組態(tài)（插入從站）、選擇數(shù)據(jù)格式（PP0類型）、I/Q address分配、創(chuàng)建DB數(shù)據(jù)塊、調(diào)用功能塊FC1（“SEND”）和FC2 （“RECV”）。見下圖功能塊調(diào)用：

　　圖5：FC1和FC2功能塊調(diào)用

（3）WINCC應(yīng)用

　　運行于Microsoft Windows XP下的Windows控制中心─WinCC V6.0為過程自動化領(lǐng)域中的領(lǐng)導(dǎo)者，作為基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)重要組成部分，它將人機界面（HMI）系統(tǒng)、監(jiān)控管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)集成為一體，它采用標準微軟SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)歸擋存儲，并提供了SIMATIC MES/ERP的高效連接通道。利用WinCC可根據(jù)配煤煉焦生產(chǎn)工藝要求與控制內(nèi)容，方便地制作配煤工藝流程界面、配方管理界面、各工藝和控制參數(shù)監(jiān)測界面、網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)界面、各設(shè)備順序控制界面、報警指示和記錄界面、趨勢圖記錄界面等功能模塊的設(shè)計，系統(tǒng)的各種控制參數(shù)、工藝參數(shù)及生成的數(shù)據(jù)庫均可自動存儲，實時查詢，同時自動生成年、月、日報表供打印和預(yù)覽。并啟用WinCC中的VBA腳本語言（Script）來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫接口的ADO訪問應(yīng)用功能，從而能滿足系統(tǒng)的擴展要求。

　　采用SIMATIC Step7+WinCC V6.0組合，可大大地降低系統(tǒng)開發(fā)的成本，縮短項目實施的周期，它具有應(yīng)用靈活、規(guī)模可伸縮、使用簡便、功能強大等特點。另外，在本項目中充分利用 WinCC和Step7集成環(huán)境下的系統(tǒng)全局數(shù)據(jù)庫技術(shù)，在變量的操作、存取、修改和邏輯塊直接調(diào)用方面都給編程過程帶來了極大的方便，這種面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)特性在今后的功能擴充、方案更改、系統(tǒng)優(yōu)化和維護方面都具有很大的實用性，同時提高了整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性和可擴展性，是分布式SCADA系統(tǒng)及工廠基礎(chǔ)自動化層次的理想選擇。

　　本例中根據(jù)系統(tǒng)工藝要求，應(yīng)用WinCC所開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)界面，采用樹型結(jié)構(gòu)，具有多種畫面調(diào)用手段，以方便操作者使用，我們設(shè)計了以下幾個主要的功能畫面：

　　圖6 ：HMI監(jiān)控系統(tǒng)功能圖

　　工藝流程界面─在畫面中通過編程實現(xiàn)模擬顯示各個自動配煤工藝段的全流程，在各流程界面上動態(tài)地顯示各臺給料機的設(shè)定流量、瞬時量、負荷率、倉料位、電機轉(zhuǎn)速、電流反饋、配比、水份、小計累積量、總累積量、總流量、總設(shè)定量等等，以方便操作者能及時準確的掌握當前的工藝狀況，能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備的故障進行實時診斷。以下是配煤流程界面圖之一：

　　圖7 ：HMI配煤監(jiān)控流程畫面圖之一

　　故障報警界面─對于自動配煤中的一些重要的參數(shù)進行實時報警和自動生成故障記錄表，并根據(jù)設(shè)備的故障性質(zhì)，系統(tǒng)自動診斷并采取相應(yīng)的處理，故障診斷報警內(nèi)容包含：稱重傳感器故障、測速單元故障、負荷率過載、速度上下限、流量上下限、缺料、皮帶斷裂/跑偏、網(wǎng)絡(luò)故障、偏差超限、電機過流/缺相/欠壓/過壓/短路等信息。

　　趨勢與統(tǒng)計界面─實時顯示主要變量的變化趨勢并形成歷史記錄，供今后可以查找過去的過程數(shù)據(jù)記錄，通過對各臺給料機的歷史趨勢數(shù)據(jù)比較，進而可以為配比統(tǒng)計分析提供依據(jù)，從而進一步預(yù)測和提高焦炭的質(zhì)量。

　　流程監(jiān)控與操作界面─實現(xiàn)生產(chǎn)過程中各設(shè)備的順序邏輯控制和系統(tǒng)協(xié)同操作運行，根據(jù)系統(tǒng)工藝流程的需求來確定運行方式、選擇流程控制模式和相應(yīng)配方。系統(tǒng)操作根據(jù)控制方式可分為手動、半自動和全自動，根據(jù)操作地點可分為現(xiàn)場就地操作、控制室操作、上位HMI集中操作，從而覆蓋整個焦化配煤的工藝要求。

　　其它如系統(tǒng)調(diào)試工具、網(wǎng)絡(luò)通信管理等界面主要為系統(tǒng)診斷、調(diào)試、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分析、網(wǎng)絡(luò)SNMP管理時所使用，限于篇幅就不再詳述了。

　　5．變頻器驅(qū)動的選型及參數(shù)設(shè)置

　　基于綜合因素的考慮，本次配煤皮帶/圓盤給料機驅(qū)動單元選用SIMOVERT MASTERDRIVES全數(shù)字多功能技術(shù)的電壓源型變頻器SIEMENS 6SE70，該裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、功率因數(shù)高、輸出紋波小、32位CPU全數(shù)字控制、故障自診斷處理、電機參數(shù)自動辨識、組態(tài)功能豐富等特點，功率單元采用IGBT組件，具有良好的驅(qū)動性能，它采用先進的轉(zhuǎn)子磁場矢量控制策略，可以達到同直流傳動系統(tǒng)相媲美的動、靜態(tài)性能。可實現(xiàn)在低速狀態(tài)下的平滑運行和高力矩輸出、高精度的速度、力矩控制，以滿足焦化配煤工業(yè)的惡劣現(xiàn)場環(huán)境要求。它同時具有強大的通訊功能，其驅(qū)動通訊可以分為四種協(xié)議：Profibus-DP、USS、CAN、SIMOLINK。本例中是選擇CBP2通訊板來實現(xiàn)Profibus-DP開放式的現(xiàn)場總線的通訊控制。

　　MASTERDRIVES 6SE70變頻器部分參數(shù)設(shè)置如下：

　　上述參數(shù)設(shè)定方法有以下幾種途徑：

　　·裝置自帶的參數(shù)設(shè)定器（PMU）

　　·操作面板（OP1S）

　　·計算機（帶SIMOVIS軟件）

　　·SIMATIC自動化單元（帶CBP2）

　　MASTERDRIVES 6SE70變頻器接線圖如下所示：

　　圖8 ：圓盤變頻器驅(qū)動回路圖

五、 系統(tǒng)控制功能

　　1．稱重測控單元功能

　　稱重測控單元擔負著整個配煤的煤量采集計量作用，也是整個配煤系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)，其控制核心為CFC-200儀表，它是集調(diào)節(jié)與演算為一體的多功能計量控制器，其內(nèi)核為16位摩托羅拉68KCPU，它以Yamato出眾的計量設(shè)計技術(shù)為基礎(chǔ)、具有性能穩(wěn)定、測量精度高、抗干擾性能強、功能齊全、接口多樣化、故障自診斷、參數(shù)自整定及智能PID調(diào)節(jié)等功能特長，它主要完成負荷、流量、累積量的采集，CFC-200儀表通過Profibus-DP接口與西門子PLC溶合為一體，達到數(shù)據(jù)無縫、透明共享的預(yù)期效果。

　　2．PLC實現(xiàn)的功能

　　實現(xiàn)各臺配煤給料機的流程啟動和停止；故障診斷報警；倉料位、圓盤電機、給料皮

　　帶電機的流程聯(lián)鎖和逆向啟動、順向停車的順序控制；各臺設(shè)備/各工藝段之間的安全聯(lián)鎖；各變頻器的頻率給定和速度控制；總配比流量的在線調(diào)整等功能。PLC按工藝要求完成系統(tǒng)的四種控制方式（現(xiàn)場就地控制、單臺手動控制、單套聯(lián)動控制、全自動控制）；另外，S7-300PLC作為Profibus-DP的網(wǎng)絡(luò)主站，起著整個系統(tǒng)的控制核心作用，是確保系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的協(xié)同運行的前提條件，并完成與上位機交換系統(tǒng)的所有過程參數(shù)和數(shù)據(jù)的任務(wù)。

3．上位機實現(xiàn)的功能

　　實現(xiàn)煤料配合比例工藝流程的自動監(jiān)控；管理生產(chǎn)過程參數(shù)和狀態(tài)；處理反映各種過程報警和歷史報警；瀏覽各實時/歷史趨勢畫面；生成各種報表供瀏覽/查詢/打印；建立實時數(shù)據(jù)庫及歸檔數(shù)據(jù)，為企業(yè)決策者提供工廠現(xiàn)場層實時過程數(shù)據(jù)、曲線及統(tǒng)計分析表。利用WinCC中的Ｃ語言腳本（Script）及提供的各類應(yīng)用函數(shù)，來靈活地完成系統(tǒng)復(fù)雜的控制要求，并將配煤系統(tǒng)的前后工藝段有機地組合起來。

　　以上三者相輔相成，構(gòu)成一套完整的自動配煤解決方案，整個配料系統(tǒng)綜合精度優(yōu)于0.5%。

　　4．項目中的難點問題及實施辦法

　　配煤煉焦有2大工藝段，每個工藝段有12套，合計共有24套給料機，其配比的準確和穩(wěn)定是焦炭質(zhì)量保障的關(guān)鍵。

　　后備PID調(diào)節(jié)：但在實際運行中配煤系統(tǒng)的配比會受到外界多種因素的影響，如煤質(zhì)、含水率、環(huán)境溫濕度、粘度、粒度等因素，從而直接引起下料不暢通、結(jié)塊、粘料等現(xiàn)象，影響配煤比例的恒定。針對上述情況，我們采用兩套PID自動調(diào)節(jié)回路方案，正常情況下由CFC-200來執(zhí)行調(diào)節(jié)，當上述情況造成流量震蕩或偏差超限時，系統(tǒng)自動切換由PLC來完成后備PID調(diào)節(jié)，而此刻后備PID調(diào)節(jié)是根據(jù)所發(fā)生不同情況下的同種煤流量總和為目標對象進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化了過程控制的性能和效果。

　　后備計量切換：系統(tǒng)在正常情況下，其計量功能是有稱重測控單元來完成，它主要由UB2電阻應(yīng)變式傳感器和CFC-200儀表組成，一旦稱重測控單元中的任何一方故障都將導(dǎo)致稱重計量失敗。因此，我們采用了后備容積計量功能，當一旦發(fā)生計量失敗情況時，系統(tǒng)自動切換到容積計量模式，其設(shè)計思路為：在系統(tǒng)正常情況下由PLC對CFC-200所輸出的煤流量進行密度逆運算，得出其在預(yù)置時間跨度內(nèi)煤的瞬間密度，并不斷進行跟蹤刷新和存儲，當進入容積計量模式后，PLC將根據(jù)所記憶的瞬間密度，進行流量運算和控制調(diào)節(jié)，而不影響系統(tǒng)的正常進行。

六、 項目運行

　　2006年8月15 日上午，中國第一爐─山西太鋼7.63米焦爐（年產(chǎn)焦碳115萬噸／

　　座）順利投產(chǎn)了。整個配煤系統(tǒng)運行可靠、性能穩(wěn)定、操作方便、自動化程度高、配煤準確率和焦炭質(zhì)量穩(wěn)定率都得到大幅度的提高，不盡降低了煤耗和能耗，還大大地提高了生產(chǎn)效率，達到了預(yù)期的效果，為太鋼不銹鋼年產(chǎn)能達到300萬噸，成為全球產(chǎn)能最大的現(xiàn)代化不銹鋼企業(yè)打下了基礎(chǔ)。

七、 應(yīng)用體會

　　通過自動配煤項目設(shè)計、實施，進一步加深了對西門子SIMATIC自動化產(chǎn)品的了解。系統(tǒng)采用了工業(yè)以太網(wǎng)和Profibus-DP現(xiàn)場總線，實現(xiàn)了現(xiàn)場儀表、PLC、分布式I/O、操作站/工程師站、變頻驅(qū)動器之間的相互通信，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院涂垢蓴_性，減少了大量線纜，現(xiàn)場安裝、調(diào)試的工作量也大大降低，縮短了項目實施周期，更提高了工作效率和項目質(zhì)量。

　　另外深有體會的一點是：西門子SIMATIC自動化產(chǎn)品的產(chǎn)品鏈長、性能超群、覆蓋面廣、普及率高、網(wǎng)站內(nèi)容豐富且更新快、各類文檔資料齊全、客戶技術(shù)服務(wù)響應(yīng)快等等，這一切都為我們的實際工作帶來了極大的便利和廣泛的認可，預(yù)祝以SIMATIC品牌為代表的自動化產(chǎn)品在今后創(chuàng)新道路上再創(chuàng)輝煌。

　　附件： 生產(chǎn)現(xiàn)場照片

　　儲煤槽外景照 控制柜內(nèi)部照

　　控制室一瞥 變頻柜內(nèi)部照