CCTS及CoDeSys開發平臺軟件在威鋼轉底式加熱爐中的應用

中冶賽迪電氣技術有限公司 袁超

1 項目簡介

威鋼轉底式加熱爐是賽迪和四川威遠鋼鐵集團共同投資新建的節能環保示范工程。轉底式加熱爐是利用混合煤氣加熱軋鋼氧化鐵皮或除塵搜集的粉塵從而生產出直接還原鐵供煉鋼用。較之作為燒結摻合料經燒結、煉鐵等工序再送往煉鋼，金屬回收率高，生產流程短，能源利用效率高，對環境影響小。轉底爐設備包括轉底爐本體設備（上料設備、環形爐底機械、螺旋出料設備、出料收集裝置），環形加熱爐，冷卻除塵系統和造球設備等。其工藝流程為：上料→預熱段→加熱段（爐底機械旋轉）→螺旋出料→出料冷卻→出料收集。

2 系統構成

由于轉底式加熱爐對工藝穩定性和安全性要求較高，本系統控制器采用賽迪自主研發的賽迪核心工藝控制器CCTS。系統的各個遠程分布式I/O采用美國GE公司的VersaMax系列模塊，系統配置了1臺工程師站和2臺三維的HMI操作站。

2.1 硬件構成

系統選擇賽迪核心工藝控制器CCTS，它是針對高性能、高可靠性設計的工藝控制器。控制器內部分為3個層次：硬件層、操作系統層、軟件開發平臺層，如圖1所示。

圖1 CCTS系統構成圖

（1）硬件層：VME機架、CPU、通信模板、IO模板等。

（2）操作系統層：采用實時操作系統VxWorks，該層包括通信模板、I/O模板等驅動、操作系統內核、應用程序。

（3）軟件平臺層：采用CoDeSys軟件開發平臺，包括CoDeSys Runtime System、通信層、CoDeSys Automation Platform、控制程序開發平臺、HMI開發平臺。

2.2 網絡構成

系統網絡架構主要由以太網和Prof ibus現場總線網絡構成，如下圖2所示。

圖2 系統網絡架構圖

CCTS控制器和HMI操作員站通過以太網連接。工程師站通過以太網和控制器連接進行程序下載，調試。控制器以太網口采用CPU自帶的百兆千兆自適應以太網口。

現場的遠程I/O模塊和傳動裝置控制（驅動）器則通過Profi bus現場總線網絡連接。控制器Prof ibus網卡采用赫優訊的PMC接口板卡。板卡直接插在CPU的PMC擴展接口上，最快通訊速率達到12Mbit/s。

2.3 軟件構成

（1）PLC控制應用程序

控制器的組態編程工具是CTool系統軟件。CTool系統軟件由中冶賽迪在德國3S軟件公司的CoDeSys Automation Plat form軟件開發平臺中間件上開發而成，并集成了賽迪核心工藝控制器的硬件。CTool編程界面如圖3所示。

圖3 CToo l編程界面

C Tool系統軟件符合完整版本的IEC 61131-3標準，支持IL、ST、 FBD 、LD、 CFC、 SFC 六種編程語言，適用于所有的工業控制任務。CTool系統軟件在實時性和穩定性方面非常出眾，最快的任務周期可以達到0.5ms。

（2）L1的HMI應用程序

為增強工程項目的市場競爭力，采用iconics公司的GENESIS 64三維HMI軟件編輯系統。該三維HMI軟件除了具有普通HMI的功能外，還能通過三維動畫的方式動態地展示整個工藝過程。控制器與HMI客戶機的通訊采用OPC Server通訊方式。OPC Server采用德國3S軟件公司開發的 CoDeSys OPC Server 產品。三維操作界面如圖4所示。

圖4 三維操作畫面

3 控制系統的功能

轉底加熱爐控制功能分為儀控燃燒控制功能和電控的上下料和爐底機械控制功能。

3.1 儀控功能

儀控功能主要包含各段燃燒控制、煤氣，空氣總管壓力控制、爐膛壓力控制、稀釋風控制和熱風放散控制等。

各段燃燒控制采用雙交叉限幅串級調節。在平衡狀態下，煤氣和空氣側的流量調節器的設定值均由PID溫度調節器的輸出決定。但在非平衡狀態下進行的雙交叉限幅調節過程中的煤氣和空氣側的流量調節器設定值不完全由溫度調節器的輸出決定，而是通過雙交叉限幅投入的方式。這樣可以使煤氣流量的變化速度始終不超過空氣流量的變化速度；另一方面能避免因為煤氣過量和空氣過量互相干擾引起的波動，保證燃燒過程在最佳燃燒段進行。

煤氣空氣總管壓力控制采用普通PI閉環調節。由于壓力控制響應很快，所以比例系數取得比較小，同時通過積分調節消除穩態誤差。

爐膛壓力控制采用爐壓自學習控制: 當空氣和煤氣流量發生較大變化時會對爐內壓力形成干擾，這種干擾采用常規的控制方法不能消除，須進行爐壓自學習控制。

為使換熱器入口處溫度在規定溫度以下，采用稀釋風控制方案，當換熱器入口處煙道溫度高于設定值時，自動進行摻稀釋風控制，以降低入口溫度保護換熱器。為保護換熱器及保持加熱爐工況所需的最小風量，采用熱風放散控制方案。

3.2 電控功能

轉底爐電氣設備分為冷卻機、料罐、螺旋出料機、電液推桿、爐底機械、布料器和震動給料機。啟動時需要先啟動出料端，最后才啟動進料端。具體運行流程如圖5所示。

圖5 電控功能啟動流程圖

4 技術優勢和應用體會

本次使用賽迪核心工藝控制器和德國3S軟件公司CoDeSys產品和技術，主要體會有以下幾點：

（1）強大的運算能力和系統的穩定性：賽迪核心工藝控制器和德國3S軟件公司的CoDeSys軟件集成后擁有了強大的運算能力，使整體系統可以在1ms掃描周期下運行700個閉環調節，同時系統的穩定性也表現地十分出色。

（2）強大的網絡診斷功能：整個系統有十幾個Profibus的遠程站和傳動裝置控制器。CoDeSys軟件使系統提供的診斷功能可以實時地顯示從站的狀態，從站斷線重連后也能及時得到反應，給調試工作帶來了很大的方便。

（3）應用程序可運行在不同掃描周期內：對于有不同刷新速率要求的程序可以被設定運行在不同的掃描周期內。閉環調節可以運行在1ms的掃描周期內，以便達到實時的調節效果。對實時性要求不高的啟動邏輯等控制任務則可以運行在20ms的掃描周期內，從而大大節約了CPU的資源。

（4）在CoDeSys軟件編程環境下的組態編程支持開發者使用從CFC、梯形圖到SFC等多種編程語言，應用十分靈活和便利。對于閉環調節回路則可以采用CFC來編寫。而順序啟動邏輯程序可以在SFC里面十分便捷地完成。

（5）模擬功能，賽迪核心工藝控制器編程軟件CTool在不進行硬件連接的情況下可以完全通過軟件仿真的方式來運行用戶程序。這個功能在實驗室集成測試時可以對程序進行充分的測試，從而大大縮短了現場調試時間。