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    前言：宣鋼9#高爐噴煤控制系統(tǒng)采用德國(guó)西門子的PCS7系統(tǒng), 該系統(tǒng)融傳統(tǒng)的DCS與PLC優(yōu)點(diǎn)于一體，并支持多種國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。工程設(shè)計(jì)人員選用工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)結(jié)合，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、控制，與其它過程站的通迅，數(shù)據(jù)的存貯、歸檔、顯示。

    1、硬件配置

    宣鋼9#高爐噴煤控制系統(tǒng)硬件采用德國(guó)西門子的PCS7系統(tǒng)，系統(tǒng)為冗余控制系統(tǒng)，支持熱插拔。當(dāng)主CPU由于故障停機(jī)時(shí)，從CPU無條件的切換成主CPU，對(duì)生產(chǎn)不會(huì)造成任何影響。控制系統(tǒng)電源采用PS407 10A，CPU采用CPU 414-4H，通信處理器模塊為CP443-1，I/O通信模件為ET200，使用I/O模件完成數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制。

    操作員站選用西門子工控機(jī)2套，操作員站和CPU之間采用10MB的工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行連接，組成以TCP/IP協(xié)議為通訊基礎(chǔ)的工業(yè)控制以太網(wǎng)，滿足過程監(jiān)視、控制及管理自動(dòng)化的要求。

     噴煤PCS7系統(tǒng)硬件配置如圖1:


    噴煤PCS7系統(tǒng)硬件配置圖1

    1.2電源模板（PS407 10A）

    電源模板（PS407 10A），用于對(duì)SIMATIC S7-400的供電，將AC或DC網(wǎng)絡(luò)電壓轉(zhuǎn)換為所需的5V DC或24V DC工作電壓，輸出電流為10A，電源模板安裝在機(jī)架最左面（從槽位1開始），根據(jù)配置，它們可占用槽1到槽3。

    1.3中央處理器模板（CPU 414-4H）

    CPU414-4H適用于中等性能應(yīng)用范圍中有較高要求的場(chǎng)合，能滿足對(duì)程序規(guī)模和指令處理速度及復(fù)雜通信的更高要求，支持冗余，集成的Profibus-DP接口使它能夠作為主站，直接連到Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線；擴(kuò)展的存儲(chǔ)能力，256KBRAM分別用于程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；靈活的擴(kuò)展性，可連接多達(dá)131072個(gè)數(shù)字量或81932個(gè)模擬量的I/O；多點(diǎn)接口（MPI），用MPI最多能夠建立32個(gè)站的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)據(jù)傳輸速率最大為12Mb/s。

    1.4通信處理器模塊（CP443-1）：

    CP443-1是SIMATIC S7-400用于工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)的通信處理器，它有自己的微處理器，因而能減輕CPU的通信任務(wù)和進(jìn)一步擴(kuò)展連接，通過CP443-1，S7-400可以實(shí)現(xiàn)與編程設(shè)備、計(jì)算機(jī)、HMI設(shè)備的通信。

    1.5 I/O通信模件為ET200

    ET-200作為從站連接到Profibus-DP，適用于冗余系統(tǒng)。每個(gè)ET200后面帶有所需的數(shù)字量I/O模塊和模擬量I/O模塊。接收來看現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)，通過Profibus-DP總線連接到CPU，供CPU處理。

    1.6I/O模件

    本系統(tǒng)用的I/0模件均為300的卡件，僅此一項(xiàng)，就可節(jié)約費(fèi)用上萬(wàn)元。I/O模件用于接收現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)。主要有數(shù)字量輸入模件DI，數(shù)字量輸出模件DO，模擬量輸入模件AI，溫度處理模件RTD和TC。

    1.7操作員站

    2、軟件配置

    高爐噴煤工控機(jī)上裝有Windows 2000英文版操作系統(tǒng)，組態(tài)軟件為西門子公司PCS76.0英文版。

    它是集組態(tài)（包括硬件配置、控制策略、HIS即人機(jī)接口等組態(tài)）、工程調(diào)試和診斷功能為一體的工具軟件包。系統(tǒng)通過多屏圖形卡可以將最多四個(gè)過程監(jiān)視器連接在一起來 擴(kuò)展工作區(qū)，使得組態(tài)更為簡(jiǎn)便。工程系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件可以根據(jù)過程對(duì)象的數(shù)量來擴(kuò)展，根據(jù)需要，其數(shù)量可以隨時(shí)使用 PowerPack 升級(jí)包來增加。在程序編制中，編程人員主要用了CFC編程，SFC編程。監(jiān)控軟件，主要應(yīng)用WinCC6.0。

    2.1連續(xù)功能圖 CFC編程

    CFC是一種用于圖形化組態(tài)連續(xù)自動(dòng)化功能的工具。通過功能強(qiáng)大的自動(dòng)布線 和集成報(bào)文組態(tài)，預(yù)定義的塊可以在 CFC 中定位、進(jìn)行參數(shù)化和互連。在生成一個(gè)新的CFC 時(shí)，可以根據(jù)圖名 生成一個(gè)順序組。所有安裝在順序圖中 的塊可以自動(dòng)添加到該順序組。在編譯時(shí)可對(duì)順序進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)算法先確定最佳的塊順序，然后是組順序。

    2.2順序功能圖SFC編程

    SFC可用于圖形化組態(tài)批量生產(chǎn)的順序控制。每個(gè) SFC 都具有用于控制和用于狀態(tài)信息的輸入及輸出。如果需要的 話，SFC 可直接在 CFC 中定位和互連。 只需簡(jiǎn)單的操作，即可選擇所需的 CFC 塊連接，并連接到定序器的步或過渡點(diǎn)。符合標(biāo)準(zhǔn) ISA S88 的狀態(tài)管理允許每個(gè) SFC 最多組態(tài)8個(gè)單獨(dú)的順序鏈，用于特殊操作，例如保持或放棄狀態(tài)、安全狀態(tài)或各種操作模式。對(duì)于 SFC 組態(tài)，提供有簡(jiǎn)便的編輯功能，以及功能強(qiáng)大的測(cè)試和調(diào)試功能。

    2.3工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件

    工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件WinCC是一個(gè)集成的人機(jī)界面系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)，它是在Windows環(huán)境下，面向?qū)ο蟮?2位工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件，適合任何自動(dòng)化控制系統(tǒng)。該組態(tài)軟件集成了圖形技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)等，使控制系統(tǒng)開發(fā)人員不必依靠某種具體專業(yè)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，只需通過可視化的組態(tài)方式，就可完成監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)，降低了監(jiān)控畫面開發(fā)難度。組態(tài)軟件擁有豐富的工具箱、圖形庫(kù)和操作向?qū)В归_發(fā)人員避免了軟件設(shè)計(jì)中許多重復(fù)性開發(fā)工作，可提高效率，縮短開發(fā)周期，它已經(jīng)成為監(jiān)控系統(tǒng)主要軟件開發(fā)工具之一。

    采用西門子Wincc6.0軟件設(shè)計(jì)監(jiān)視畫面，對(duì)操作界面漢化，進(jìn)行制煤、噴煤的主要操作及狀態(tài)顯示；能根據(jù)生產(chǎn)需要實(shí)現(xiàn)參數(shù)修改，包括故障報(bào)警顯示及查找等。上位機(jī)管理系統(tǒng)要完成對(duì)噴煤數(shù)據(jù)的管理工作，通過控制系統(tǒng)與上位機(jī)的雙向通訊。其優(yōu)點(diǎn)有：上位機(jī)在漢化的操作界面下管理著操作者的所有輸入，并以輸入內(nèi)容做出檢查，避免出錯(cuò)，操作非常容易；避免操作人員直接與控制系統(tǒng)接觸，可防止因誤操作而破壞程序。

    本系統(tǒng)主要有以下操作畫面：

    原煤儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)工藝流程模擬畫面；

    制煤系統(tǒng)工藝流程模擬畫面；

    噴吹系統(tǒng)工藝流程模擬畫面；

    加熱爐系統(tǒng)工藝流程模擬畫面；

    噴煤系統(tǒng)工藝流程模擬畫面；

    3噴煤工藝控制

    3.1原煤儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)

    配煤系統(tǒng)包括三臺(tái)圓盤給料機(jī)和三臺(tái)皮帶稱。圓盤給料機(jī)采用變頻器控制，通過控制變頻器的頻率，達(dá)到控制其轉(zhuǎn)速的目的，從而調(diào)節(jié)圓盤給料機(jī)下料量的多少，達(dá)到所需的重量和煤種之間配比的要求。

    3.2制粉系統(tǒng)

    制粉系統(tǒng)主要包括一臺(tái)中速磨機(jī)、粗粉分離器和布袋收粉器三部分。煤在中速磨中磨成煤粉，煤粉經(jīng)粗粉分離器被主抽風(fēng)機(jī)抽到布袋收粉器中，煤粉被收集到煤粉倉(cāng)中。

    制粉系統(tǒng)的主要控制有：

    3.2.1磨煤機(jī)入/出口溫度控制

    煤粉輸送氣體。由于熱風(fēng)爐廢氣溫度變化較大，因此用加熱爐產(chǎn)生高溫?zé)煔馀c熱風(fēng)爐廢氣混合，為磨煤機(jī)提供一定的干燥和溫度穩(wěn)定的氣體。磨煤機(jī)入口溫度可通過比值調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，即調(diào)節(jié)加熱爐產(chǎn)生高溫?zé)煔馀c熱風(fēng)爐廢氣的混合比值來控制入口溫度。在制粉系統(tǒng)中磨煤機(jī)出口粉溫度要比入口溫度重要，由于受磨煤機(jī)負(fù)荷及原煤干濕程度的影響，磨煤機(jī)出口風(fēng)粉溫度較難控制，因此可將磨煤機(jī)入口溫度控制作為副環(huán)，出口風(fēng)粉溫度作為主環(huán)構(gòu)成串級(jí)，這樣,減少了滯后，提高了抗干擾能力。

    3.2.2中速磨機(jī)負(fù)荷控制

    中粗磨機(jī)是整個(gè)制粉系統(tǒng)的核心部分，負(fù)荷自動(dòng)控制就是在保證噴吹要求的前提下，使中速磨機(jī)在最經(jīng)濟(jì)的工況下運(yùn)行。磨煤機(jī)負(fù)荷自動(dòng)控制通常都是通過調(diào)節(jié)給煤機(jī)給煤量來實(shí)現(xiàn)，通過變頻器控制給煤皮帶的速度，從而控制給煤量。

    3.2.3磨煤機(jī)前負(fù)壓控制

    在使用中速磨制粉時(shí)，由于煤粉的細(xì)度與通風(fēng)量之間是比例關(guān)系，因此保持磨煤機(jī)的風(fēng)量不變，則煤粉的細(xì)度不變。保持磨煤機(jī)前負(fù)壓的穩(wěn)定，便能達(dá)到風(fēng)量穩(wěn)定的目的。實(shí)際上負(fù)壓控制就是煤粉細(xì)度的控制，同時(shí)也能防止煤粉外泄。

    3.3 噴吹系統(tǒng)

    噴吹系統(tǒng)主要是向高爐輸送煤粉，細(xì)煤粉利用自重從煤粉倉(cāng)落到噴吹罐中，并用氮?dú)獬鋲骸Ｃ孔郀t都設(shè)計(jì)有兩個(gè)噴吹罐，當(dāng)一個(gè)噴吹罐裝滿煤粉并充壓到壓力設(shè)定值后，開始噴煤，噴空后，另一個(gè)裝滿煤粉的噴吹罐就與煤粉輸送管道接通，經(jīng)過短暫的過渡，噴空的操作罐開始卸壓、裝煤粉和再充壓。

    為了保證噴吹量的穩(wěn)定，需保持噴吹罐內(nèi)壓力的穩(wěn)定，通過調(diào)節(jié)補(bǔ)壓調(diào)節(jié)閥的開度可保持罐壓在設(shè)定范圍之內(nèi)。補(bǔ)壓設(shè)定值與罐壓實(shí)測(cè)值比較運(yùn)算后，通過罐壓調(diào)節(jié)畫面設(shè)定輸出補(bǔ)壓調(diào)節(jié)閥的開度。功能框圖見圖2。



    在一定的噴吹壓力下穩(wěn)定流化氮?dú)饬亢蛪嚎s空氣補(bǔ)氣量，改變輸煤阻力和固氣比。人工設(shè)定噴吹率設(shè)定值和罐壓，通過調(diào)節(jié)補(bǔ)氣調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)噴吹率，補(bǔ)氣調(diào)節(jié)閥根據(jù)采樣數(shù)據(jù)，將設(shè)定噴吹率與實(shí)際噴吹率相比較，當(dāng)設(shè)定值大于實(shí)際值時(shí)，閥位開大，反之，閥位開小。

    閥門的控制分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式，在自動(dòng)方式時(shí)，根據(jù)自動(dòng)倒罐的條件，自動(dòng)順序開關(guān)相應(yīng)閥門。手動(dòng)方式又分為單動(dòng)和聯(lián)動(dòng)兩種方式，根據(jù)工藝要求，單個(gè)控制閥門的開、關(guān)不受其他條件的限制；在聯(lián)動(dòng)方式下，需在滿足聯(lián)鎖保護(hù)條件和閥門開關(guān)順序的情況下才能操作。

    緊急停噴和閥門故障時(shí)均發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒操作人員及時(shí)準(zhǔn)確定位處理。

    3.4熱爐系統(tǒng)

    該系統(tǒng)為制粉系統(tǒng)提供干燥原煤和輸送煤粉的干燥氣。干燥氣是熱風(fēng)爐廢氣與煙氣爐煙氣的混合氣體，主要采用熱風(fēng)爐廢氣，不足熱量由煙氣爐煙氣補(bǔ)充。為了保證磨煤系統(tǒng)所需的一定溫度及流量的一次混合干燥氣，必須實(shí)現(xiàn)干燥氣流量和溫度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使出口溫度處于規(guī)定值內(nèi)，并通過磨煤機(jī)出口溫度變化情況進(jìn)一步控制和調(diào)節(jié)磨煤機(jī)入口的熱風(fēng)爐廢氣調(diào)節(jié)閥的開度。當(dāng)高爐煤氣壓力高于高定值或低于低定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉高爐煤氣切斷閥。冷空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)由操作人員根據(jù)中速磨所需熱風(fēng)的溫度的高低，通過計(jì)算機(jī)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開度來混兌冷空氣。

    高爐噴煤控制系統(tǒng)的操作員站由兩臺(tái)西門子工控機(jī)組成，一臺(tái)用來顯示噴煤系統(tǒng)主畫面，另一臺(tái)用來顯示生產(chǎn)操作技術(shù)參數(shù)，兩臺(tái)互為熱備份。工控機(jī)具體配置為P4處理器，2.4GHz主頻，1G內(nèi)存，80GB硬盤，Windows 2000英文操作系統(tǒng)，19英寸SVMSUNG CRT。

    3.5工業(yè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

    過程站、操作員站、工程師站通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通訊，符合工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3,采用TCP/IP協(xié)議,32位數(shù)據(jù)總線,每秒100Mbit。傳輸介質(zhì)為光纖，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單環(huán)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)上任一處的斷裂，而不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的通迅。我廠工程技術(shù)人員準(zhǔn)備改造網(wǎng)絡(luò)為光纖雙環(huán)網(wǎng)，這樣就使網(wǎng)絡(luò)的通迅更加的穩(wěn)定。

    4、結(jié)束語(yǔ)

    以上介紹了SIEMENS PCS7開放系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的構(gòu)成、宣鋼9＃高爐噴吹系統(tǒng)控制方案，在程序設(shè)計(jì)中始終貫徹安全第一的思想。該系統(tǒng)自投運(yùn)以來，高爐在生產(chǎn)正常的情況下，相比同等類型的高爐，利用系數(shù)高出0.2左右，收到了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。另外，更重要的是，也說明自動(dòng)化系統(tǒng)的初投資，能從生產(chǎn)中不斷取得經(jīng)濟(jì)效益，這是值得人們關(guān)注的問題。
 
    作者信息：王春元  2004年畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，助理工程師。

    工作單位: 河北省宣化鋼鐵公司煉鐵廠

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