基于SIMATIC PCS7過程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化真空控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、引 言

鋼水的真空處理應(yīng)用于鋼水的脫氫、脫氮、去氧（輕處理）和脫硫，同時(shí)具有合金微調(diào)和溫度調(diào)整的功能。攀鋼生產(chǎn)特殊鋼，如軌道鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、齒輪鋼、氧氣瓶鋼等都需要經(jīng)過真空處理，是方坯連鑄生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。頂槍應(yīng)用于真空非處理狀態(tài)下，對(duì)真空室進(jìn)行保溫，減少溫降，祛除真空室內(nèi)壁表面結(jié)瘤。根據(jù)煉鋼廠對(duì)真空系統(tǒng)的生產(chǎn)要求，控制系統(tǒng)要具有高可靠性、易操作性、維修方便、控制功能全面的特點(diǎn)，真空控制系統(tǒng)的可編程控制器采用SEIMENS公司的SIMATIC S7-400 PLC。SIMATIC S7-400 PLC是具有中高檔性能的PLC，具有模塊化和用戶易于掌握的特點(diǎn)，并具有高速的指令處理、人機(jī)界面、CPU的智能化診斷、具有網(wǎng)絡(luò)通信、軟件編程語言豐富的特點(diǎn)。

2、自動(dòng)化級(jí)控制系統(tǒng)

根據(jù)真空的工藝設(shè)備情況，真空控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用SIEMENS公司的SIMATIC PCS7過程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由一套S7 400 PLC、兩臺(tái)監(jiān)控站和二級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。

RH控制系統(tǒng)采用兩級(jí)控制系統(tǒng)組成，一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)和二級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，在一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)中完成其邏輯控制和控制回路的調(diào)節(jié)控制，二級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)采取過程生產(chǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃和來鋼情況進(jìn)行模型運(yùn)算，優(yōu)化出生產(chǎn)參數(shù)下送到基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)執(zhí)行操作。RH基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)采用西門子公司的S7 400系列的PLC控制器組成過程控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用西門子公司的工業(yè)以太網(wǎng)來連接LF系統(tǒng)、合金下料系統(tǒng)、中控室的操作站、報(bào)表打印機(jī)和RH的二級(jí)計(jì)算機(jī)等設(shè)備。過程控制系統(tǒng)采用西門子公司的S7 400系列組成PLC控制系統(tǒng)，操作臺(tái)采用ET200M利用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)接入PLC主控器以減少電纜布線。機(jī)電一體設(shè)備采用RS232協(xié)議與PLC的主控器通訊。操作站與PLC系統(tǒng)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議通訊，一級(jí)操作站和二級(jí)計(jì)算機(jī)采用西門子OPC協(xié)議來完成數(shù)據(jù)交換。為了對(duì)控制設(shè)備的精確定位，其傳動(dòng)系統(tǒng)采用VVVF技術(shù)來進(jìn)行調(diào)速控制。

3、頂槍加熱過程描述研究

頂槍在非處理期間由停放位開始下降，當(dāng)下降到預(yù)設(shè)加熱高度時(shí)，加熱煤氣和氧氣閥打開，煤氣點(diǎn)火燃燒，調(diào)節(jié)煤氣和氧氣流量到給定值對(duì)真空室進(jìn)行加熱或除瘤。

圖1 頂槍加熱過程

位置和加熱控制以及輔助控制的核心設(shè)備是PLC，軟件是RH PLC使用的軟件，控制程序是用STEP 7編程語言編寫的，使用梯形圖、功能框圖、語句表語言。程序編寫使用了模塊化編寫方式。

3.1 PLC對(duì)操作方式的實(shí)現(xiàn)

（1）事故操作方式（氣動(dòng)馬達(dá)）：在事故狀態(tài)下，將氣動(dòng)馬達(dá)耦合手柄打到氣動(dòng)馬達(dá)位置，用N2升降頂槍。電動(dòng)操作和氣動(dòng)馬達(dá)操作，通過一個(gè)耦合器進(jìn)行切換，有一個(gè)行程開關(guān)檢測(cè)頂槍處于氣動(dòng)或電動(dòng)狀態(tài)。（2）就地操作方式（現(xiàn)場(chǎng)操作箱）：在現(xiàn)場(chǎng)操作箱上選擇“就地”，按“上升”按鈕（自復(fù)位按鈕），槍以給定速度上升，當(dāng)槍運(yùn)行到緊急上限時(shí)，自動(dòng)停止；按“下降”按鈕（自復(fù)位按鈕），槍以給定速度下降，當(dāng)槍運(yùn)行到緊急下限時(shí)，自動(dòng)停止。操作完畢，將選擇開關(guān)置于“遠(yuǎn)控”（現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)）方式。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)操作箱選擇“就地”操作時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)、PLC和LEVEL 2均不能對(duì)頂槍進(jìn)行操作。（3）本地手動(dòng)操作方式（現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)）：在現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)上將鑰匙開關(guān)置于“本地”（LOCAL）上升過程：首先將膨脹密封圈松開，當(dāng)槍離預(yù)定位置較遠(yuǎn)時(shí)，按“高速上升”按鈕（自復(fù)位按鈕），槍高速上升，當(dāng)槍快接近預(yù)定位置時(shí)，改按“低速上升”按鈕，槍低速上升，到預(yù)定位置松開按鈕，槍停止運(yùn)行。鎖緊膨脹密封圈。上升過程中，當(dāng)槍到達(dá)上極限時(shí)，槍自動(dòng)停止運(yùn)行。下降過程：首先將膨脹密封圈松開，當(dāng)槍離預(yù)定位置較遠(yuǎn)時(shí)，按“高速下降”按鈕（自復(fù)位按鈕），槍高速下降，當(dāng)槍快接近預(yù)定位置時(shí)，改按“低速下降”按鈕，槍低速下降，到預(yù)定位置松開按鈕，槍停止運(yùn)行。鎖緊膨脹密封圈。下降過程中，當(dāng)槍到達(dá)下極限時(shí)，槍自動(dòng)停止運(yùn)行。在現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)上設(shè)有1個(gè)BCD碼數(shù)字顯示表，顯示頂槍的槍位（距真空室底部的距離），設(shè)有“本地/遠(yuǎn)程”、“高速上升”、“低速上升”、“高速下降”、“低速下降”及位置極限等指示燈。操作完畢，應(yīng)將現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)上的鑰匙開關(guān)置于“遠(yuǎn)程”（REMOTE）方式。操作臺(tái)設(shè)有PLC的遠(yuǎn)程I/O站，使用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)與主站相連，傳輸速率是12M/S。使用PROFIBUS-DP協(xié)議。（4）遠(yuǎn)程操作方式（OSM操作站操作）：只有當(dāng)實(shí)際槍位≤停放位（Parking Position）時(shí)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作操作員直接在操作站上輸入槍位設(shè)定值，在PLC中將實(shí)際槍位與設(shè)定槍位進(jìn)行比較，控制頂槍的升降；當(dāng)槍位差值》100mm時(shí)，頂槍高速運(yùn)行（上升/下降），當(dāng)槍位差值＜100mm時(shí)，頂槍低速運(yùn)行（上升/下降）；當(dāng)槍位差值＜10mm時(shí)，頂槍停止運(yùn)行，保證位置控制精度在＋/－10mm。遠(yuǎn)程操作時(shí)操作站通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC相連，傳輸速率是100M/s。使用TCP/IP協(xié)議。

3.2 頂槍位置控制

頂槍位置控制是按位置偏差控制的閉環(huán)控制，在頂槍自動(dòng)方式運(yùn)行下，操作人員根據(jù)真空室的溫度情況對(duì)頂槍要到達(dá)的加熱位在操作站上進(jìn)行槍位值的預(yù)設(shè)定，數(shù)據(jù)由以太網(wǎng)傳送到CP模板，CP模板將數(shù)據(jù)傳送到CPU的存儲(chǔ)區(qū)，STEP7軟件編制的應(yīng)用程序執(zhí)行相應(yīng)的控制程序，通過編碼器反饋的值進(jìn)行頂槍槍位的偏差控制。頂槍的槍位通過絕對(duì)編碼器進(jìn)行測(cè)量，編碼器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)由FM451計(jì)數(shù)模板讀入，CPU通過功能塊將FM451計(jì)數(shù)模板的信號(hào)讀出到程序中，將計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的高度值，與預(yù)設(shè)的高度值相減得到偏差值，根據(jù)偏差值來控制頂槍的快慢速及停止。在程序中使用數(shù)值運(yùn)算、比較運(yùn)算就可得到控制信號(hào)，由信號(hào)模板輸出到變頻器去控制電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)頂槍的升降控制。頂槍在下極限對(duì)槍位進(jìn)行初始校正。頂槍的行程為0～6米；OMS和現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)上顯示的槍位是：頂槍槍頭距離真空室底部的距離。100mm以上是快速，10～100mm之間是慢速，10mm以下PLC發(fā)出停止指令。軟件程序控制設(shè)計(jì)框圖如下。

圖2 軟件程序控制設(shè)計(jì)框圖

3.3 燃燒加熱控制

燃燒加熱控制是頂槍在非處理期間在大氣加熱下對(duì)真空室進(jìn)行加熱或除瘤化渣。對(duì)真空室進(jìn)行保溫，以及除去真空室的殘?jiān)＜訜釂?dòng)時(shí)，當(dāng)頂槍到達(dá)預(yù)定加熱高度時(shí)，PLC控制燃燒控制單元打開切斷閥，燃?xì)馊紵?，PLC控制調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量，達(dá)到給定流量?；鹧鏅z測(cè)器檢測(cè)頂槍火焰的燃燒情況，不滿足燃燒強(qiáng)度則自動(dòng)提槍。給定流量在操作站設(shè)定。

圖3 信號(hào)傳遞結(jié)構(gòu)簡圖

頂槍中通過的氣體有N2、O2和CO。燃燒加熱控制是控制CO和O2的比例和流量，流量調(diào)節(jié)是個(gè)簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制采用PID算法控制，數(shù)學(xué)模型如下：

e＝PV－SV （1）

（2）

PV：流量實(shí)際值；SP：流量設(shè)定值；e：流量差；OUT：控制器輸出；δ：比例度；Ti積分時(shí)間；Td：微分時(shí)間。

在程序中，直接調(diào)用PID功能塊就能很好的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算。這里使用的是FB41連續(xù)控制PID功能塊，能非常方便的對(duì)其進(jìn)行參數(shù)組態(tài)。在適當(dāng)調(diào)整δ，Ti，Td三個(gè)參數(shù)值后，就能獲得較好的控制質(zhì)量。加熱時(shí)由流量計(jì)檢測(cè)流量，控制器得出調(diào)節(jié)閥的開度值輸出控制調(diào)節(jié)閥的開度，來控制燃?xì)饬髁窟_(dá)到預(yù)定值。也可用手動(dòng)方式控制調(diào)節(jié)閥的開度，來調(diào)節(jié)流量，此時(shí)是個(gè)開環(huán)控制。處理開始時(shí)和結(jié)束后，需要用N2對(duì)頂槍進(jìn)行吹掃，清掃管道中的煤氣，氣體通斷由PLC通過電磁閥進(jìn)行控制。處理完畢，要對(duì)CO、O2管道進(jìn)行壓力測(cè)試，分別由電接點(diǎn)壓力表和切斷閥來完成，保證氣體管道無泄漏。

圖4 軟件程序設(shè)計(jì)框圖

3.4 頂槍冷卻控制

頂槍用MCW進(jìn)行冷卻，冷卻水進(jìn)出口流量用電磁流量計(jì)測(cè)量。遠(yuǎn)程手動(dòng)打開進(jìn)水閥，當(dāng)進(jìn)水流量＞98t/h或進(jìn)出水流量差＞900L/h自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)水閥。

3.5 膨脹密封圈控制

頂槍升降時(shí)，膨脹密封圈應(yīng)松開，頂槍停止時(shí)，膨脹密封圈應(yīng)充氣密封，防止真空室內(nèi)高溫?zé)龎拿芊馊ΑＥ蛎浢芊馊λ砷_時(shí)，同時(shí)對(duì)槍孔用N2吹掃，防止密封圈被燒。

4、結(jié) 語

過去在工廠的實(shí)際運(yùn)用中，有些地方發(fā)生了燒壞模板的事故，導(dǎo)致了生產(chǎn)中斷的事件。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：系統(tǒng)有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)表的自動(dòng)生成、數(shù)據(jù)庫的訪問等多種功能。頂槍系統(tǒng)的可編程控制器控制以微處理器為基礎(chǔ)，綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)，具有可靠性、易操作性、靈活性、機(jī)電一體化和較強(qiáng)的適應(yīng)惡劣環(huán)境的特點(diǎn)。目前實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中PLC系統(tǒng)的供電系統(tǒng)非常可靠，人機(jī)界面友好，易操作，使用維護(hù)方便。PLC滿足了頂槍各項(xiàng)控制功能的需要，體現(xiàn)了其強(qiáng)大和可靠的控制功能，在攀鋼獲得廣泛的應(yīng)用，為企業(yè)每年節(jié)約成本近百萬元。

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