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    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中的應用。通過人機界面和PLC實現電氣設備的啟停、儀表參數監控等，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中。

    關鍵詞：可編程控制器（PLC） 回轉窯 過程監控 Wincc組態軟件

    一、概述

　　1.1設計目標

　　基于“集中管理，分散控制”的模式，數字化、信息化工程的思想，著眼于“企業資源計劃（ERP）管控一體化”信息系統的建設，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、監視、管理于一體并且具備良好開放性的監控系統，完成對整個工藝過程及全部生產設備的監測與自動控制。

　　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冷機進行冷卻，冷空氣在環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視將在控制室中實現自動控制，并通過人機界面實現電氣設備的起動和停止、儀表參數監測，被控參數的閉環調節、控制系統報警和生產過程報警以及數據歸檔等功能，使整個回轉窯能夠實現生產的自動化，大大減少工人的勞動強度，提高了生產率，并合理的節省了能源。

    二、系統組成

　　2.1 PLC控制系統

　　為了保證整個系統安全可靠和生產的連續性，提高自動化水平，適應回轉窯工藝要求。從該系統I/O測點較多等方面考慮到系統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，由中央控制室、配料控制站、窯頭控制站組成。

　　中央控制室：設監控計算機、打印機等，負責對整個回轉窯工藝參數、電氣參數和設備運行狀態進行監控、管理、歷史數據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狀連接，提高網絡健壯度,并且可能通過工控網絡和企業內部管理網絡之間的訪問控制,實現ERP數據同步。

　　配料控制室：該系統實現了對4臺托料稱和4臺減量稱的顯示和控制，系統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、計量、反饋、顯示功能。根據工藝要求，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：該系統實現了對回轉窯焙燒環節工藝參數（溫度、壓力等）實施監控，根據設備啟停順序，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現場總線與現場PLC控制站進行數據通訊。

　　網絡拓撲結構如下:

            

　　2.2 S7-400特點：

　　本系統以PLC和監控計算機為核心，以工業以太網作為系統骨干網絡，將現場PLC控制站和監控計算機連接起來，構成一個分布式控制系統。

　　2.2.1先進性

　　本系統不僅采用了先進的軟、硬件，而且著眼于企業“管控一體化”的需求，貫徹了數字化、信息化的先進思想，使企業生產數據的進一步智能應用成為現實。該方案使控制系統有機地成為企業整個IT架構的一部分。

　　2.2.2 高可靠性

　　控制系統在嚴格的工業環境下長期、穩定地運行。系統組件的的設計符合真正的工業等級，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 優良的開放性

　　TCP/IP協議是目前開放性最好的協議，可以輕松進行系統擴展。

　　組態軟件支持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輕松接入本系統。

　　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）通過全局數據（GD）通訊，網絡上的CPU之間可周期地交換數據包。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 或工業以太網進行聯網。

　　2.3 更穩定更安全的冗余設計

　　SIMATIC Step7 采用的冗余控制系統的可靠性比傳統的DCS 冗余系統有很大提高,主要技術指標有：

    S7-400H型中央控制器中預裝有冗余軟件，用戶在組態時可完全忽略其冗余特性，象對非冗余系統組態一樣只需 輸入用戶程序。

    事件驅動同步功能，對于執行后能引起兩個冗余 CPU的內部狀態不同的所有命令，如更新過程映象區，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，系統可以將新安裝的CPU自動更新為當前狀態。

　　2.4 安全便捷的工業現場總線

　　現場總線是安裝在生產過程區域的現場設備與控制室內的自動控制裝置系統之間的一種串行、數字式、多點通信的數據總線。其中，“生產過程”包括斷續生產過程和連續生產過程兩類。或者，現場總線是以單個分散的、數字化、智能化的測量和控制設備作為網絡節點，用總線相連接，實現相互交換信息，共同完成自動控制功能的網絡系統與控制系統。

　　PROFIBUS是現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用于實現分布式I/O與單元級控制系統之間的高速數據傳輸功能現場級通訊網絡處于工業網絡系統的最底層，直接連接現場的各種設備。控制器采用中央控制器 CPU414-4與現場智能儀表（測量傳感器、驅動器、執行器）、現場I/O點通過PROFIBUS—DP互相進行通訊，具有很高的穩定性和抗干擾能力。宣鋼100萬噸/年回轉窯PROFIBUS現場總線采用PROFIBUS-DP總線，傳輸速率在9.6Kbit/s—12Mbit/s之間。

　　根據其通訊協議，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場設備，包括電源，符合 IEC61158 （PROFIBUS PA） 標準。

　　2.4.1 PROFIBUS的優點：

　　（1）增強了現場級信息集成能力

　　現場總線可從現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系統的信息集成要求。現場總線是數字化通信網絡，它不單純取代4-20mA信號，還可實現設備狀態、故障、參數信息傳送。系統除完成遠程控制，還可完成遠程參數化工作。

　　（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中去，因此，市場上將有許多面向行業特點的監控系統。

　　（3）系統可靠性高、可維護性好

　　基于現場總線的自動化監控系統采用總線連接方式替代一對一的I/O連線，對于大規模I/O系統來說，減少了由接線點造成的不可靠因素。同時，系統具有現場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現場設備的遠程參數設定、修改等參數化工作，也增強了系統的可維護性。

　　2.4.2 ET200M站：

　　接口模塊IM153用于與PROFIBUS-DP現場總線的連接而組成分布式I/O系統，各種I/O模塊插入有源總線模塊內,可在線更換模塊，實現帶電插拔功能。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，在S7-200系統中不需要對通訊進行組態和編程，只需要將要進行通訊的數據整理存放在V 存儲區與S7-200的組態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,并且根據通訊字節數，選擇一種通訊方式。根據EM277上的撥位開關設定在硬件組態中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的設定值一致，在S7-200中編寫程序將進行交換的數據存放在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中的數字信息，并可對S7-200中的變量進行寫操作。

　　STEP 7 軟件中執行·在 S7 程序中插入診斷功能塊· 導出硬件組態（cfg 文件）將模塊變量傳送至 WinCC 。

　　WinCC 軟件中執行·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的路徑（cfg 文件）。

    三、監控系統

　　上位機監控系統設一臺工程師站和四臺操作員站，選用原裝西門子工業控制計算機，每臺機器上裝有網絡通訊卡CP1613，它們各通過工業以太網與三套S7-400系統的通訊處理器CP443-1通訊口連接，實現了數據交換。

　　監控組態軟件不僅有監控和數據采集（SCADA）功能，而且有組態、開發和開放功能，是自動化系統集成中不可缺少的關鍵組成部分。我們在此監控系統中采用西門子公司的WINCC6.0組態軟件，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、編程和數據管理，可形成所需的操作畫面、監控畫面、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、形象直觀的操作環境，不僅縮短了軟件設計周期，而且提高了工作效率。

　　3.1 監控調節及控制

　　窯體工藝流程是物料經鏈籬機連續向窯尾加料，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，使煤氣量和空氣量能根據產量和熱值等參數進行動態調整。流量限幅報警，越限報警、無擾動切換、非線性PID調節、數據儲存。該系統故障率低，運行可靠，可使燃燒更趨合理，焙燒溫度穩定，并能大幅度降低煤氣單耗提高安全性。

　　窯頭自動控制系統主要對回轉窯本體和環冷機進行數據監視和控制，控制著球團礦的窯內焙燒和最后的繼續氧化冷卻工作，稍有差錯就會導致出紅礦或燒損設備。

　　3.2增加環冷機內溫度調節功能：回轉窯球團工藝的環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節。我們自行敷設采集控制信號線路，編譯主控程序，實現了主控調節風機轉速的功能，使主控能夠根據物料流量和監測溫度合理科學地調整環速和風量。

　　3.3無線測溫收發裝置的使用：在多數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裝置來傳輸的，滑環裝置容易出現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，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裝置，采集到熱電偶的信號，通過在窯體的發射裝置將現場信號發射，控制室內的接受裝置接受信號，并轉換成電流信號傳輸到S7-400的AI通道。無線測溫收發裝置的使用，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。所以我們增設該監控點，有利于主控對熱風系統的合理操作，并在現場設置的顯示表，方便崗位人員根據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

　　本控制系統自投產以來一直運行穩定,為企業帶來了可觀的經濟效益和良好的社會效益。在該系統中PLC控制充分發揮了其配置靈活、控制可靠、編程方便和功能強大的優點，給整個系統的穩定性帶來較大的益處。