基于PLC的高爐上料控制系統硬件設計與配置

畢艷國 徐榮興

蕪湖新興鑄管有限責任公司煉鐵部，安徽 蕪湖 241002

1 概述

高爐上料系統是保證高爐正常生產的關鍵。高爐冶煉原料必須通過上料系統的主卷揚料車輸送到高爐爐缸內，它的穩定直接關系到高爐的正常運行。通過對國內外高爐三電系統的分析，高爐上料系統是一個復雜而繁瑣的控制系統，具有設備分散，控制點多等特點。為了提高高爐上料的效率，必須采用高效可靠的控制系統和控制設備。

2 高爐上料系統

高爐上料系統的構成如圖1所示，本圖是某廠3#高爐監控系統主畫面。

圖1 某廠3#高爐監控系統主畫面

高爐上料系統主要由槽下備料系統、料車卷揚系統和上料液壓系統組成。槽下備料系統由多個料倉組成，這些料倉分別儲備焦碳、燒結礦、球團礦等原料，上料時通過主皮帶送給中間斗；料車卷揚系統是把中間斗送來的原料送到高爐料鐘里面，再由料鐘放到高爐內進行熔煉；上料液壓系統就是通過程序控制，在合適的時間打開槽下料倉和高爐大小均壓閥及料鐘，分別把倉斗里的原料送入中間斗和把料鐘里的原料送入爐內進行冶煉。

3 PLC硬件系統設計與配置

本控制系統采用集散控制系統，用上位機集中配料并監控，下位機采用PLC及其分站控制現場設備的運行，從而達到可靠控制上料和集中管理的目的。

為綜合PLC和PC機工作站各自的優點，又降低成本，本設計采用了在高爐上料生產線上使用PLC＋PC工作站的集散型操作管理站的硬件組態[1]。這種配置的特點是控制可靠、設置靈活，具有很好的人機界面及強大的圖形、信息（數據）處理功能、網絡系統簡單，各操作站之間互換性好，是高爐上料控制系統的一種理想選擇。

本系統由于現場設備分散，不宜將所有PLC模塊都集中到一起來控制，這樣將浪費太多的電纜，運行過程中故障率也大大增加，為此充分利用S7系列PLC的擴展功能，將PLC模塊分成4個分站來控制，它們之間用IM接口模塊，通過Profibus協議進行通信，4個分站的網絡結構如圖1～2所示。

圖2 分站網絡結構圖

1)中央基板和PS電源 CPU CP模塊的設計

中央基板是用來安裝CPU和CP模塊的，中央基板有UR1 UR2 UR2-HCR2等集中型號，UR1 UR2型基板作為中央基板時，可安裝除接收IM外的所有S7-400模塊。UR2-H基板用于在一個基板上安裝兩個中央基板或兩個擴展基板，CR2基板用于安裝分段的中央基板。本系統中央基板主要用來安裝PS電源模塊、CPU模塊和CP模塊，其余的模塊都安排在分站上安裝，因此本系統選擇UR2基板作為中央基板最為合適。UR1和UR2基板的技術特性如表1所示。

表1 UR1和UR2基板的技術特性

本系統控制的點數多，程序復雜，分站點也較多，因此本系統選用CPU414-2DP型CPU，CPU414-2DP內置256K字節RAM，可擴展64MB快閃存儲卡FEPROM，可擴展最大64MB存儲卡RAM；帶后備電池，使數據在斷電時不丟失；S7計數器256個，計數范圍從1到999；S7定時器256個，計時范圍10ms～9990s；OB塊最大容量64K字節；FB和FC程序塊最多256個；有一個MPI/Profibus通信接口和一個專為Profibus通信接口，可組態兩個DP網；額定電壓24VDC，典型電流總線消耗1.5A，最大1.6A。

CP通信模塊選用CP443-1，它支持工業以太網和TCP/IP協議，電源模塊選用PS407 -10A，它足以滿足本系統的要求。

2)槽下備料分站PLC模塊的設計

槽下備料分站主要控制各個料倉的振動篩和給料機的運行共有14個給料機，8個振動篩，因此需要，還有主皮帶的運行，全都是數字量信號。它的輸入點有各個振動篩和給料機的運行、故障信號，共有14臺給料機，8臺振動篩，因此需要44個輸入點；皮帶跑偏信號，有2條主皮帶1條碎礦皮帶，需3個輸入點；各個倉閘門的開位、關位信號，共有12個倉，需24個輸入點；根據程序的設計，每個料倉還設計有料空、料滿、允上料、允放料信號，這些信號由稱量PLC發出，共有12個料倉，需48個輸入點。因此槽下備料分站共需44+3+24+48=119個輸入點，本系統選用DI32×DC24V數字量輸入模塊，一個模塊有32個數字量輸入通道，為了留有一定的擴展余量，本站用了6個DI32×DC24V數字量輸入模塊。它的輸出點主要有各個振動篩和給料機的啟動，還有2條主皮帶和1條碎礦皮帶的啟動，共需要12+12+3=27個輸出點，本系統選用DO32×DC24V/0.5的數字量輸出模塊，它有32個數字量輸出通道，為了給今后的擴展留有余量，選用2個DO32×DC24V/0.5A數字量輸出模塊。

3)槽下操作臺分站PLC模塊的設計

槽下操作臺主要的功能是在PLC與上位機通信中斷的情況下，能手動上料，它還負責各個倉門的開關。

輸入點有各個振動篩和給料機的自動和手動選擇，需48點；皮帶的自動和手動選擇，需6點；倉門的自動選擇，手動開，手動關，12個倉門需36點；探尺、料車、均壓、料鐘等的自動選擇，手動開和關，共需要35點，因此共需要48+6+36+35=125個輸入點，本站設計了4個DI32×DC24V的數字量輸入模塊。

輸出點主要是控制各個倉門的開和關，共需12×2=24個輸出點，還有卷揚和探尺的8到9個指示燈。因此本站設計了2個DO32×DC24V的數字量輸出模塊。

4)液壓分站PLC模塊的設計

液壓分站主要負責12個倉的開關、大小均壓閥的開關、大小鐘的開關和3臺液壓泵的啟停工作。

輸入模塊的配置：12個倉的開和關信號需24個輸入點，大小均壓及大小鐘的開和關信號需8個輸入點，3臺泵的運行和故障信號需6個輸入點，因此共需要24+8+6=38個輸入點，為此配置了2個DI32×DC24V的數字量輸入模塊。

輸出模塊的配置：12個倉的開和關需24個輸出點，大小均壓及大小鐘的開和關需8個輸出點，3臺泵的啟動需3個輸出點，因此共需要24+8+3=35個輸出點，為此配置了2個DO32×DC24V的數字量輸出模塊。

5)卷揚上料分站PLC模塊的設計

卷揚上料分站主要負責料車、探尺、布料器的運行；直流調速控制柜的運行狀態的監視；料鐘系統的運行狀態。

數字量輸入點有料車的狀態點，有減速、低速檢查、上限、超極限、松繩、小鐘檢查、料車底部等信號，由于是雙料車，因此需要7×2=14點；直流調速控制柜運行狀態有系統進線合閘、系統輸出合閘、系統故障、系統工作等信號，本系統有一用一備兩個控制柜，因此需要4×2=8個輸入點；料鐘的開關信號有8個；探尺的運行狀態有合閘、集中、故障、零位、上限、下限、超上限。本系統采用雙探尺探測料面，因此需要7×2=14個輸入點；還有布料器的位置檢測需要7個輸入點，為此本站設計了3個DI32×DC24V數字量輸入模塊。

輸出模塊主要用來控制料車、探尺、布料器的運行，所需輸出點不多，本站設計了1個DO32×DC24V數字量輸出模塊。

本站還設計了1個AI8×12BIT的模擬量模塊，用來檢測電機電流等信號。本站還需要檢測料車和探尺的實時位置，為此設計了3個FM365 COUNTER高速計數模塊，用來接收光電編碼器發出的脈沖信號，實時記錄料車和探尺的位置。

4 結語

分析了某廠高爐上料系統硬件的設計，包括系統硬件的組成、網絡結構特點，明確了系統所采用的PC+PLC的集散式控制的硬件組態配置；對項目的創建步驟、模塊地址選擇、模擬量信號的類型定義進行了說明。該硬件系統在使用過程發揮了DCS集散控制的優越性，現場Profibus-DP網絡數據傳輸穩定、運行可靠，降低因線路故障帶來的故障維修率的同時也減少了設備線路敷設的成本投資；PLC主站和上位操作站之間的通信也是利用技術成熟的工業以太網保證了大數據量傳輸的快速響應。

[1]唐建軍，李長榮，洪新．PLC控制技術在鋼鐵工業中的應用[J]．鋼鐵研究，2003.8．

[2]張大尉，王華強．PLC在高爐監控系統中的應用[J]．儀器儀表用戶，2005.6．

[3]王華強，高云，鄭瑩瑩．基于PLC的高爐槽下控制系統[J]．儀器儀表用戶，2005.6．

[4]莊劍杰. 新技術在3鋼3號高爐檢測與控制中的應用[J]. 基礎自動化，2002.4

[5]ShenQg iangX, . Z. Gaol,X ianyZi huang．PLC-basCeodn troSl ystems for IndustriPalr oductioonf FuelA lcohol[J]．IEEInEt ernatio nCaolnference on Industrial Technology, 2002．