摘要：本文主要介紹了西門子S7-400系列PLC在宣鋼回轉窯控制系統(tǒng)中的應用。通過人機界面和PLC實現(xiàn)電氣設備的啟停、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。

    關鍵詞：可編程控制器（PLC） 回轉窯 過程監(jiān)控 Wincc組態(tài)軟件

    一、概述

　　1.1設計目標

　　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，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設備的監(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200萬噸球團礦回轉窯工程，本工程分二期建設，一期工程建設1座100萬噸回轉窯（于2008年3月投產），二期再建設1座同等年產量回轉窯（于2009年投建），但相應的輔助設施按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，各種原料經倉下的托料式給料機和螺旋式給料機供出，經帶式輸送機轉運后送至烘干機加熱烘干，然后經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，經托料皮帶送入造球搖盤,搖好的球團經布料小車送往輥篩進行篩分,篩分后鋪入鏈蓖機,經鏈蓖機預熱焙燒再送往回轉

　　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)冷機內冷卻物料的同時被加熱，經窯頭罩進入窯內，作為燃料燃燒的二次空氣，回轉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)調節(jié)、控制系統(tǒng)報警和生產過程報警以及數(shù)據(jù)歸檔等功能，使整個回轉窯能夠實現(xiàn)生產的自動化，大大減少工人的勞動強度，提高了生產率，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)安全可靠和生產的連續(xù)性，提高自動化水平，適應回轉窯工藝要求。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：設監(jiān)控計算機、打印機等，負責對整個回轉窯工藝參數(shù)、電氣參數(shù)和設備運行狀態(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，提高網絡健壯度,并且可能通過工控網絡和企業(yè)內部管理網絡之間的訪問控制,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、調節(jié)、計量、反饋、顯示功能。根據(jù)工藝要求，完成相應的設備順序啟停、故障報警、緊急停車等功能，并具備手自動轉換功能，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)設備啟停順序，控制設備啟停，保證設備正常運轉。并具備手/自動轉換功能。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。

　　網絡拓撲結構如下:

            

　　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)以太網作為系統(tǒng)骨干網絡，將現(xiàn)場PLC控制站和監(jiān)控計算機連接起來，構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)組件的的設計符合真正的工業(yè)等級，滿足國內、國際的安全標準。并且易配置、易接線、易維護、隔離性好，結構堅固，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等的設備提供了完善的驅動程序庫，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，網絡上的CPU之間可周期地交換數(shù)據(jù)包。應用通訊功能塊，網絡上各站點之間進行基于事件驅動的通訊。可通過MPI、PROFIBUS 或工業(yè)以太網進行聯(lián)網。

　　2.3 更穩(wěn)定更安全的冗余設計

　　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。

    事件驅動同步功能，對于執(zhí)行后能引起兩個冗余 CPU的內部狀態(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過程區(qū)域的現(xiàn)場設備與控制室內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，“生產過程”包括斷續(xù)生產過程和連續(xù)生產過程兩類。或者，現(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備作為網絡節(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絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。

　　PROFIBUS是現(xiàn)場總線領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)場級通訊網絡處于工業(yè)網絡系統(tǒng)的最底層，直接連接現(xiàn)場的各種設備。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)場設備，包括電源，符合 IEC61158 （PROFIBUS PA） 標準。

　　2.4.1 PROFIBUS的優(yōu)點：

　　（1）增強了現(xiàn)場級信息集成能力

　　現(xiàn)場總線可從現(xiàn)場設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。現(xiàn)場總線是數(shù)字化通信網絡，它不單純取代4-20mA信號，還可實現(xiàn)設備狀態(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。

　　（2）開放式、互操作性、互換性、可集成性

　　不同廠家產品只要使用同一總線標準，就具有互操作性、互換性，因此設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，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)場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現(xiàn)場設備的遠程參數(shù)設定、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,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，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，在右側的設備選擇列表中找到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上的撥位開關設定在硬件組態(tài)中EM277從站的站地址。S7-400的硬件下載完成后，將EM277的撥位開關撥到與硬件組態(tài)的設定值一致，在S7-200中編寫程序將進行交換的數(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，每臺機器上裝有網絡通訊卡CP1613，它們各通過工業(yè)以太網與三套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，不僅縮短了軟件設計周期，而且提高了工作效率。

　　3.1 監(jiān)控調節(jié)及控制

　　窯體工藝流程是物料經鏈籬機連續(xù)向窯尾加料，它隨窯體轉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。混合煤氣量和空氣量的合理配合是保證回轉窯煅燒溫度的關鍵調節(jié)，使煤氣量和空氣量能根據(jù)產量和熱值等參數(shù)進行動態(tài)調整。流量限幅報警，越限報警、無擾動切換、非線性PID調節(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備。

　　3.2增加環(huán)冷機內溫度調節(jié)功能：回轉窯球團工藝的環(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窯球團工藝的關鍵，但原設計中恰恰缺失了這一環(huán)節(jié)。我們自行敷設采集控制信號線路，編譯主控程序，實現(xiàn)了主控調節(jié)風機轉速的功能，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，回轉窯內溫度的測量都是通過滑環(huán)裝置來傳輸?shù)模h(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。窯內溫度是回轉窯工藝的重要參數(shù)，是判斷窯內工況的唯一手段，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，控制室內的接受裝置接受信號，并轉換成電流信號傳輸?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：回轉窯球團工藝全過程是一個負壓生產工藝，窯內正壓可能造成對設備和人員傷害，并直接影響全線工藝操作。所以我們增設該監(jiān)控點，有利于主控對熱風系統(tǒng)的合理操作，并在現(xiàn)場設置的顯示表，方便崗位人員根據(jù)窯內壓力情況對設備操作，防止了由于正壓造成的燒傷事故。

    四、結束語

　　本控制系統(tǒng)自投產以來一直運行穩(wěn)定,為企業(yè)帶來了可觀的經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。