PLC在石灰窯監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用技術(shù)

1、PLC 在石灰窯監(jiān)控系統(tǒng)中地應(yīng)用!0 前言在鋼鐵公司中,石灰窯產(chǎn)出地石灰一般供煉鋼和燒結(jié)使用.某鋼鐵公司現(xiàn)有地是機(jī)械石灰豎窯 ,由于機(jī)械石灰豎窯采用固體燃料,生產(chǎn)出地石灰活性度低、CaO 地含量低、并且附帶對(duì)煉鋼有害地S、SiO2 地含量較高 .現(xiàn)代化工業(yè)地發(fā)展對(duì)鋼材及質(zhì)量地要求越來越高,對(duì)降低鋼中地有害元素及雜質(zhì)地要求也越來越嚴(yán)格.為了滿足市場需求,冶煉高潔凈鋼日益受到各鋼鐵企業(yè)地重視 .針對(duì)以上地問題,某鋼鐵公司根據(jù)現(xiàn)有地煤氣條件新建一座氣燒石灰窯,采用先進(jìn)地機(jī)械設(shè)備和控制方法,生產(chǎn)出高活性度、高CaO、低 SiO2、低 S、低雜質(zhì)地石灰供給煉鋼和燒結(jié) ,是必要地 ,也是合理可行地.當(dāng)前可

2、編程控制器（PLC ）是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)地工業(yè)控制計(jì)算機(jī),已經(jīng)成為電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛地核心位置,它不僅能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地邏輯控制,還能完成各種順序或定時(shí)地閉環(huán)控制功能,并且抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、穩(wěn)定性好、體積小,能在惡劣環(huán)境下長時(shí)間、不間斷運(yùn)行 ,且編程簡單 ,維護(hù)方便 ,并配有各類通訊接口與模塊處理,可方便各級(jí)連接.1 石灰窯過程監(jiān)控系統(tǒng)地運(yùn)行環(huán)境根據(jù)生產(chǎn)工藝,石灰窯生產(chǎn)地過程監(jiān)控部分采用典型地兩級(jí)監(jiān)控方式.上位機(jī)以標(biāo)準(zhǔn)地工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）作為主要地人機(jī)界面(Human-MachineInterface), 為生產(chǎn)治理級(jí),完成對(duì)下位機(jī)地監(jiān)控、生產(chǎn)操作治理等,主要面向操作人員

3、；下位機(jī)由Siem-ens SIMATICS7-300 地 PLC 構(gòu)成 ,為基礎(chǔ)測控級(jí),完成生產(chǎn)現(xiàn)場地?cái)?shù)據(jù)采集及過程控制等 , 面向生產(chǎn)過程. 工控組態(tài)軟件Wincc(WindowsControlCenter) 是一個(gè)集成地人機(jī)界面（HMI ）和監(jiān)控治理系統(tǒng),它是 Sie-mens 公司在過程自動(dòng)化領(lǐng)域中地先進(jìn)技術(shù)和微軟公司強(qiáng)大軟件功能相結(jié)合地產(chǎn)物,是世界上第一個(gè)集成地人機(jī)界面（HMI ）軟件系統(tǒng) .它真實(shí)地將工廠控制軟件集成到自動(dòng)化過程中.本文介紹地過程監(jiān)控系統(tǒng)共需要處理130 個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)、54 個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)、 37 個(gè)模擬量輸入點(diǎn)和 8 個(gè)模擬量輸出點(diǎn) ,下面就該系統(tǒng)地控制要求作簡

4、要概述：（ 1）在生產(chǎn)過程中 ,存在大量地物理量 ,如壓力、 溫度、流量等模擬量參數(shù) .需要通過 PLC 對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理 .（ 2）石灰生產(chǎn)過程自動(dòng)控制,即實(shí)現(xiàn)整個(gè)上料和出料過程地全自動(dòng)控制,進(jìn)行故障診斷,并在監(jiān)控畫面上顯示上料批次以及出料時(shí)間.（ 3）煤氣加壓站和空氣加壓站地控制,煤氣流量、煤氣壓力、空氣流量和空氣壓力采用手操器控制 ,確保煤氣和空氣以一定地比例混合,使得窯內(nèi)地氣體燃燒地更充分,并對(duì)其故障1 / 6實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警和連鎖停機(jī)控制.根據(jù)以上地控制要求,下面我們將詳述為滿足石灰窯過程監(jiān)控系統(tǒng)所需要地硬件和軟件組態(tài) .2 硬件組態(tài)為了滿足上面提到地石灰窯過程監(jiān)控系統(tǒng)地控制

5、要求,在本文中我們采用西門子公司地S7-300 可編程控制器,S7-300 采用模塊化設(shè)計(jì),在一塊機(jī)架底板上可安裝電源、CPU、 I/O 模板、通信處理器CP 等模塊 ,并且可以通過接口模塊實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)架地?cái)U(kuò)展工作方式.根據(jù)要求本系統(tǒng)所選用地硬件如下所示：（ 1）研華地工業(yè)控制計(jì)算機(jī) （ IPC ）,操作系統(tǒng)為 Windows 2000 Professional, 采用 Pentium處理器 ,2.66GHz 主頻 ,256M 內(nèi)存 ,40G 硬盤。（ 2）Siemens SIMATIC PLC S7-300,CPU 314 。（ 3）Siemens SIMATIC 8*12bit地模擬量輸入模

6、塊5 塊；（ 4）Siemens SIMATIC 4*12bit地模擬量輸出模塊2 塊；（ 5）Siemens SIMATIC 32bit地?cái)?shù)字量輸入模塊10 塊；（ 6）Siemens SIMATIC 32bit地?cái)?shù)字量輸出模塊1 塊 ,16bit 地?cái)?shù)字量輸出模塊1 塊；組態(tài)地主要工作是完成硬件型號(hào)參數(shù)設(shè)置、通訊模式選擇、設(shè)定總線地址、傳輸方式、數(shù)據(jù)通訊方式等.使用西門子PLC 專用編程軟件STEP 7 進(jìn)行組態(tài) .具體地組態(tài)過程是這樣地：打開 SIMA TIC Manager, 進(jìn)入 STEP 7, 創(chuàng)建一個(gè)STEP 7 工程 ,新建 S7-300 工作站 .選中某個(gè)站地 Hardwar

7、e 并雙擊 ,打開硬件組態(tài)程序HW config, 根據(jù)上面所選地硬件進(jìn)行組態(tài),基于硬件地組態(tài)圖如圖1 所示 .在這里要注重 ,由于 S7 300 采用地是固定槽編址,如電源模塊PS 307 10A放在表中地一號(hào)槽位上,CPU 插入二號(hào)槽位,三號(hào)槽位為接口模塊保留,本系統(tǒng)中用地接口模塊是 IM365, 從四號(hào)槽位開始可以插入最多八個(gè)信號(hào)模塊（SM）、通訊處理器（CP）或功能模塊（FM）,每個(gè)模塊地地址在組態(tài)硬件下面地模塊信息窗口中顯示.圖 1. PLC 地硬件組態(tài)圖2 / 63 軟件組態(tài)在本系統(tǒng)中 ,上位機(jī)用SIMATIC WinCC V5.0組態(tài)軟件 ,下位機(jī)用SIMATIC STEP 7

8、V5.1編程實(shí)現(xiàn) .下面將分兩部分具體介紹軟件組態(tài).3.1 人機(jī)界面（ HMI ）組態(tài)在上位機(jī)上用WinCC 軟件設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)地人機(jī)界面,主要包括以下幾個(gè)方面地內(nèi)容：（ 1）工藝流程圖：如圖 2 所示 ,在該畫面中通過編程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬顯示整個(gè)石灰窯地現(xiàn)場上料和出料過程 ,并且在窯體上實(shí)時(shí)顯示了各燃燒帶地溫度,以便于操作者能及時(shí)準(zhǔn)確地把握窯內(nèi)地燃燒情況 .能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備地故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷.（ 2）手操器地操作與對(duì)現(xiàn)場儀表地監(jiān)控：手操器有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式,在設(shè)備安裝調(diào)試階段一般用手動(dòng)操作方式,進(jìn)入正常運(yùn)作時(shí)常用自動(dòng)方式,以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些重要地模擬量數(shù)據(jù)地精確控制,自動(dòng)調(diào)節(jié)程序由PID 閉環(huán)控制回路

9、完成.（ 3）報(bào)警記錄：對(duì)于如煤氣流量、壓力等一些重要地模擬量輸入?yún)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警,當(dāng)處于監(jiān)控下地任何一個(gè)變量超出預(yù)先設(shè)定地安全值時(shí),報(bào)警燈就會(huì)立即閃爍,同時(shí)會(huì)自動(dòng)彈出一個(gè)報(bào)警對(duì)話框,在該對(duì)話框中操作者可以檢查報(bào)警超出地范圍以及錯(cuò)誤地出處,并對(duì)此采取相應(yīng)地措施 .（ 4）歷史趨勢：在此畫面中除了實(shí)時(shí)顯示變量地變化趨勢 ,操作員還可以檢查過去地過程數(shù)據(jù)記錄 , 通過對(duì)過去歷史趨勢地比較進(jìn)而可以對(duì)變量未來地發(fā)展趨勢做進(jìn)一步地猜測.圖 2. 石灰窯監(jiān)控系統(tǒng)地工藝主畫面下面就 Wincc 地開發(fā)過程中地編程技巧作簡要概述,由于 Wincc 提供嵌入式C 語言編程 ,3 / 6用戶可以編程實(shí)現(xiàn)非凡地功能

10、.比如在 Wincc 系統(tǒng)組態(tài)編程中,Tag 是核心概念 ,我們把它理解為一個(gè)外部數(shù)據(jù) ,可以和下位機(jī)地一個(gè)內(nèi)存地址單元同步更新,稱為過程 Tag；也可以作為Wincc 系統(tǒng)組態(tài)編程地一個(gè)全局變量,稱為內(nèi)部 Tag（Internal Tag） .因此 ,上位機(jī)和下位機(jī)地?cái)?shù)據(jù)通訊是通過過程 Tag 實(shí)現(xiàn)地 ,而不同版本地Wincc 軟件提供地過程 Tag 地最大數(shù)量有限 ,在這里過程 Tag 地?cái)?shù)量越多當(dāng)然價(jià)格就越高,考慮實(shí)際系統(tǒng)地性價(jià)比 ,我們需要在現(xiàn)有地版本基礎(chǔ)上擴(kuò)展 Tag 地?cái)?shù)量 .當(dāng)需要地工藝參數(shù)超過Wincc 版本限制地 Tag 數(shù)目 ,可以用嵌入式 C語言編程實(shí)現(xiàn)多個(gè)工藝參數(shù)打包成

11、一個(gè)Tag 傳送 .舉個(gè)例子說明一下是如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程地,例如 ,下位機(jī) PLC 從現(xiàn)場采集到地三個(gè)溫度參數(shù)TC-001 、TC-002 和 TC-003, 都是 16 位整數(shù) ,分別存放在DB1.DW10 、 DB1.DW12 、 DB1.DW14, 在 Wincc 中定義一個(gè)過程Tag,命名為PackageTag,類型為32 位整數(shù) ,地址為DB1.DBD10, 再定義三個(gè)內(nèi)部Tag,名稱同上 ,在 GlobalScript 中 C 語言編程如下：Unionlong Dword 。int Word3 。Union 。Union.Dword=GetTagDWord(“PackageTag”)

12、。SetTagWord(“TC-001”,Union.Word0)。SetTagWord(“TC-002”,Union.Word1)。 SetTagWord(“TC-003”,Union.Word2)。這樣三個(gè)參數(shù)就可以通過一個(gè)過程Tag 傳送上來了 .理論上 ,只要下位機(jī)地內(nèi)存足夠,可以傳送任意數(shù)量地參數(shù)而不受Wincc 版本地限制 .3.2 PLC 編程系統(tǒng)控制軟件由主程序和多個(gè)子程序模塊組成地,它是以Siemens SIMATICS7 STEP7V5.0 編程軟件為開發(fā)環(huán)境,STEP 7 一般有三種編程方式,即 LAD 、STL 和 FBD, 本文中采用地是梯形圖方式編程.本系統(tǒng)中現(xiàn)場設(shè)

13、備都有兩種工作方式,即手動(dòng)和自動(dòng)方式.下面用STEP 7實(shí)現(xiàn)整個(gè)上料系統(tǒng)地自動(dòng)控制,圖 3 為上料部分在自動(dòng)工作方式下地主流程圖.PLC 地一個(gè)顯著特點(diǎn)就是進(jìn)行邏輯控制,可以把這種控制有效地應(yīng)用在處理模擬量數(shù)據(jù)中,如模擬量數(shù)據(jù)地采集與變送.對(duì)于象溫度、壓力、流量等這樣地模擬量輸入輸出參數(shù)必須實(shí)時(shí)在線采集和測量,檢測部分由一次儀表構(gòu)成,即測量溫度地?zé)犭娕蓟驘犭娮?測量流量地孔板 ,測量壓力地電動(dòng)差壓變送器或壓力變送器等.信號(hào)處理部分包括變送器、轉(zhuǎn)換器、變換器等 ,作用是將傳感器地輸出信號(hào)進(jìn)行放大、線性化、轉(zhuǎn)換等處理后,變換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出給PLC, 在 本 文 中 經(jīng) 過 變 送 器 轉(zhuǎn) 換 地

14、信 號(hào) 為4 20mA地 標(biāo) 準(zhǔn) 地 電 流 信 號(hào) 輸4 / 6出.圖 3. 石灰窯自動(dòng)上料部分地主流程圖4 通訊方式為了滿足在單元層和現(xiàn)場層地不同要求,SIEMENS提供了下列網(wǎng)絡(luò)：MPI方式 ,MPI網(wǎng)絡(luò)可用于單元層,它是 SIMATIC S7,M7和 C7 地多點(diǎn)接口 ,MPI 從根本上是一個(gè)PG 接口 ,它被設(shè)計(jì)用來連接PG 和 OP（人機(jī)接口） .工業(yè)以太網(wǎng) （ Industrial Ethernet ）是一個(gè)用于工廠治理和單元層地通訊系統(tǒng),被設(shè)計(jì)為對(duì)時(shí)間要求不嚴(yán)格用于傳輸大量數(shù)據(jù)地通訊系統(tǒng),可以通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備來連接遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò).工業(yè)現(xiàn)場總線 （ PROFIBUS ）是用于單元層和現(xiàn)場層地通訊系統(tǒng) ,主要有用于對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格地PROFIBUSDP,用于智能主機(jī)和現(xiàn)場設(shè)備間地循環(huán)地?cái)?shù)據(jù)交換 .點(diǎn)到點(diǎn)連接（ Point-to-point connections ）最初用于對(duì)時(shí)間要求不嚴(yán)格地?cái)?shù)據(jù)交換,可以連接兩個(gè)站或連接下列設(shè)備到PLC, 如 OP,打印機(jī) ,條碼掃描器等 .根據(jù)本系統(tǒng)地特點(diǎn),我們選用 MPI 通訊方式 ,MPI 連接地優(yōu)點(diǎn)是 CPU 可以同時(shí)與多個(gè)設(shè)備建立通訊聯(lián)系,即編程器、HMI 設(shè)備和其他地 PLC 可以連接在一起并同時(shí)運(yùn)行.無需另外編寫通訊程序,MPI 接口通過西門子公司地 CP5611