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周化兵

1  前言
為了貫徹產(chǎn)業(yè)政策，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，降低成本和防止環(huán)境污染，馬鋼公司決定將第一煉鋼廠的平爐―模鑄―初軋開坯生產(chǎn)工藝改造成轉(zhuǎn)爐―連鑄工藝。最終形成鐵水預(yù)處理―復(fù)吹轉(zhuǎn)爐―爐外精煉―連鑄―連軋的短流程先進(jìn)生產(chǎn)工藝路線。
馬鋼第一煉鋼廠設(shè)計(jì)建設(shè)兩座95噸頂?shù)讖?fù)合吹氧氣轉(zhuǎn)爐以及與之配套的主、副原料系統(tǒng)，爐外精煉；汽化冷卻，煤氣凈化回收、二次除塵，連鑄和能源公輔設(shè)施等系統(tǒng)。其中汽化冷卻系統(tǒng)與轉(zhuǎn)爐煉鋼密不可分，降低成本和實(shí)現(xiàn)負(fù)能煉鋼主要取決于該系統(tǒng)。該系統(tǒng)要求自動(dòng)化程度高，涉及到大量的切斷閥、泵組等按照一定的程序時(shí)間和邏輯關(guān)系的定時(shí)開、停操作，以及根據(jù)工藝要求對溫度、壓力、流量、液位的閉環(huán)控制。根據(jù)上述控制任務(wù)和特點(diǎn)，該廠采用了美國通用公司的GE FANUC 90-30PLC保證工藝設(shè)備長期安全、可靠的運(yùn)行。PLC及其網(wǎng)絡(luò)以接口簡單、組態(tài)方便、編程容易、實(shí)時(shí)性強(qiáng)而廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。下面詳細(xì)介紹PLC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計(jì)。
2  控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.1  系統(tǒng)構(gòu)成
汽化冷卻系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)控制系統(tǒng)由操作員站、90-30PLC、遠(yuǎn)程I/O模塊及現(xiàn)場設(shè)備組成。操作員站采用PⅢ系列工控機(jī)，內(nèi)存128M、100M以太網(wǎng)卡、21寸PHILIPS純平彩色顯示器。操作系統(tǒng)為中文WINDOWS NT4.0。PLC系統(tǒng)由電源模塊、CPU模塊（集成100M以太網(wǎng)接口）、Genis網(wǎng)卡以及各種專用的I/O模塊組成。
 

圖1  硬件結(jié)構(gòu)簡圖

在這個(gè)控制系統(tǒng)中有兩種網(wǎng)絡(luò)：GE工業(yè)以太網(wǎng)和Genius網(wǎng)，GE工業(yè)以太網(wǎng)用于操作員站與PLC的通訊，該網(wǎng)絡(luò)支持標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，傳輸速率為10Mbps，硬件通用性好。Genius網(wǎng)是GE公司開發(fā)的現(xiàn)場總線型網(wǎng)絡(luò)，PLC則采用現(xiàn)場分布式I/O，即Genius Field Control現(xiàn)場I/O。Genius網(wǎng)是GE FANUC最具特色的PLC網(wǎng)絡(luò)通訊方式，傳輸速率為153.6Kbps，每個(gè)網(wǎng)可最多掛31個(gè)遠(yuǎn)程站，配置靈活、功能強(qiáng)大，在現(xiàn)場操作室設(shè)置遠(yuǎn)程站，可節(jié)約大量的信號和控制電纜，不僅簡化了外部管線，節(jié)省投資，也進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性，滿足煉鋼現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集。
2.2  系統(tǒng)軟件
PLC的編程軟件是VersaProV11軟件包，具有強(qiáng)大的編程和組態(tài)功能，操作畫面友好、直觀并提供了豐富的在線幫助。
上位機(jī)監(jiān)控軟件選用了GE FANUC公司的Cimplicity4.0監(jiān)控軟件包，用戶可以利用它提供的各種功能在操作員站上對汽化整個(gè)生產(chǎn)過程的運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行集中監(jiān)控。
3  控制系統(tǒng)的功能及編程實(shí)現(xiàn)
3.1  控制模式
對現(xiàn)場設(shè)備的控制模式包括以下三種方式：
①  就地手動(dòng)操作方式 現(xiàn)場機(jī)旁操作箱的選擇開關(guān)切換到“機(jī)旁”方式。單體設(shè)備由機(jī)旁操作箱的按鈕直接控制開、關(guān)，但命令和設(shè)備的狀態(tài)都進(jìn)入PLC中。
②  PLC遠(yuǎn)程手動(dòng)操作 現(xiàn)場機(jī)旁操作箱的選擇開關(guān)切換到“自動(dòng)”方式。操作人員用操作員站的鼠標(biāo)及鍵盤直接操作設(shè)備的啟、停。這種操作方式使操作人員不用到現(xiàn)場就可控制設(shè)備，是就地控制按鈕的延伸，一般只用于調(diào)試，維修及緊急備用。
③  自動(dòng)操作方式 對汽化冷卻系統(tǒng)的泵組，各種調(diào)節(jié)閥、切斷閥動(dòng)作的控制，都由PLC按照預(yù)先編制的程序自動(dòng)進(jìn)行，不需要操作人員的干預(yù)。該種操作方式克服了各種人為因素的干擾，準(zhǔn)確可靠，同時(shí)降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
3.2  編程實(shí)現(xiàn)
汽化冷卻系統(tǒng)既包括泵組等電氣設(shè)備的MCC柜控制，又包括大量的模擬量的常規(guī)儀表控制系統(tǒng)。現(xiàn)代編程技術(shù)要求模塊化，汽化冷卻系統(tǒng)的控制程序如圖2所示。下面對各種模塊功能作一簡要說明：
 

圖2  汽化冷卻系統(tǒng)控制程序框圖

①  初始化模塊 PLC的所有寄存器清零，現(xiàn)場設(shè)備預(yù)設(shè)的操作方式。
②  接收連鎖數(shù)據(jù)的通訊模塊 汽化冷卻系統(tǒng)作為轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，接收煉鋼P(yáng)LC發(fā)送的允許啟動(dòng)和緊急停止的連鎖信號。
③  模擬量數(shù)據(jù)的處理模塊 對所檢測到的溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)進(jìn)行工程轉(zhuǎn)換，并用上位機(jī)顯示。上下限報(bào)警處理。
④  儀控系統(tǒng)連鎖處理模塊 對系統(tǒng)各主體設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視，根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)加以處理，保障設(shè)備的安全性。
⑤  儀控系統(tǒng)自動(dòng)控制模塊 處理PID控制回路的手/自動(dòng)無擾切換，PID控制參數(shù)的整定。汽化冷卻系統(tǒng)的控制回路包括單回路、串級、汽包水位三沖量。
⑥  設(shè)備狀態(tài)的處理模塊 檢測現(xiàn)場的設(shè)備狀態(tài)，判斷設(shè)備是否在故障狀態(tài)，用作報(bào)警。
⑦  電氣設(shè)備邏輯處理模塊 根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)，進(jìn)行設(shè)備間的邏輯關(guān)系處理。
⑧  電氣設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊 根據(jù)電氣設(shè)備邏輯處理模塊的結(jié)果，控制MCC柜的動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)電氣設(shè)備。
⑨  發(fā)送的連鎖數(shù)據(jù)處理模塊 發(fā)送汽化冷卻系統(tǒng)到煉鋼P(yáng)LC的允許吹氧和緊急停止的連鎖信號。
3.3  操作監(jiān)視
操作員站采用GE公司Cimplicity 4.0工業(yè)控制軟件編制人機(jī)界面。該操作站主要功能有：
①  提供工藝過程參數(shù)流程圖，模擬量顯示值，設(shè)備操作子畫面，用醒目顏色表示的設(shè)備狀態(tài) 據(jù)此操作人員對整個(gè)工藝和設(shè)備有一個(gè)詳細(xì)和形象的了解，并可通過鼠標(biāo)及鍵盤直接操作現(xiàn)場設(shè)備。
②  系統(tǒng)報(bào)警信號登錄 登錄數(shù)據(jù)可供工藝人員及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員參考，以及分析設(shè)備的運(yùn)行情況，進(jìn)一步改進(jìn)控制方案，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。以顏色閃爍等形式提醒操作人員，保證生產(chǎn)安全，同時(shí)給出可能的故障原因及解決方法。
③  實(shí)時(shí)趨勢及歷史趨勢 對主要的過程參數(shù)編制實(shí)時(shí)趨勢和歷史趨勢，存儲為表格形式，便于對故障進(jìn)行分析和優(yōu)化工藝參數(shù)的設(shè)定計(jì)算。
④  開機(jī)直接進(jìn)入監(jiān)控主畫面和退出監(jiān)控系統(tǒng)的口令保護(hù) 避免無關(guān)人員隨意進(jìn)出監(jiān)控畫面。
⑤  中央控制室三臺操作站完全冗余 部分操作員站在死機(jī)等緊急情況下可以互為備用操作。
4  結(jié)語
汽化冷卻控制系統(tǒng)包括各種水泵的MCC控制系統(tǒng)、儀控單回路控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、汽包的三沖量控制系統(tǒng)。控制對象多，處理數(shù)據(jù)量大，設(shè)備安全要求高。該套PLC控制系統(tǒng)自2001年投入運(yùn)行以來，充分體現(xiàn)了PLC集順序控制和過程控制于一體的特點(diǎn)，使用方便、靈活、組網(wǎng)簡單、可靠性高。在實(shí)時(shí)性、精確性和可靠性方面，系統(tǒng)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。現(xiàn)轉(zhuǎn)爐產(chǎn)量已達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力7.5萬噸/月。據(jù)有關(guān)資料顯示，轉(zhuǎn)爐煉鋼成本比平爐煉鋼成本每噸降低367.37元，年節(jié)約成本3.30633億元，因此，本套系統(tǒng)的使用對馬鋼降低煉鋼成本、提高整體經(jīng)濟(jì)效益起到了舉足輕重的作用。