軋鋼廠水處理系統電氣及自動化技術改造

宋 杰

(中天鋼鐵集團有限公司設備處，江蘇 常州 213011)

軋鋼廠水處理系統電氣及自動化技術改造

宋 杰

(中天鋼鐵集團有限公司設備處，江蘇 常州 213011)

概述了中天鋼鐵某軋鋼廠水處理系統的工藝現狀及改造方案和策略，然后分別介紹了自動化系統、PLC系統、HMI系統、程序編程及系統調試，以期可為相關人士提供參考。

水泵房；PLC；S7-300；STEP 7；WinCC

0 引言

中天鋼鐵某軋鋼廠是2007年5月建成投產的工程項目，整個車間的用水及污水處理由該工程配套的水處理系統來實現。早期設計的為繼電器控制，存在故障率高、可靠性差、控制方式不靈活以及消耗功率大等缺點，而PLC控制系統具有運行可靠性高、使用維修方便、抗干擾性強、設計和調試周期較短等優點，因此，2013年8月，根據設計資料進行了電氣控制系統的二次設計和改造，包括自動化元器件設計選型、論證，軟、硬件設計選型、配置，程序編寫及調試等，最終實現了整個系統的順利投運。

1 生產工藝流程

根據水處理系統設計水量分布及工藝流程，水處理共包括3個區域，分別是循泵房、一次鐵皮沉淀池、化學除油器及污泥脫水間。其中循泵房包括3個水池，分別是凈環水冷水池、濁環水冷水池、濁環水熱水池以及冷卻塔。凈環水作為整個生產車間主要設備的冷卻用水，負責入爐輥道冷卻、出爐輥道冷卻、液壓潤滑站冷卻、空調冷卻、高溫攝像冷卻、中間運輸輥冷卻、主/輔傳動電機冷卻以及加熱爐冷卻等；濁環水冷水池負責沖氧化鐵皮、鋸機系統冷卻、粗軋機組冷卻、精軋機組冷卻、夾送輥道冷卻以及高壓水除磷等；使用后的冷卻水經過一次鐵皮沉淀池、化學除油器以及污泥脫水間等流入循泵房濁環水熱水池，通過水泵將濁環熱水打到塔上，經過冷卻塔冷卻，進入濁環水冷水池進行循環利用；同時，外部廠區生產凈水管道不斷進行凈水補給，以保證整個系統的正常穩定運行。水處理系統循環率為94.86%。

循泵房水泵共分成5組，第一組為應急柴油泵，主要在停電時為加熱爐提供冷卻用水，作為事故應急用水，不在該系統控制內；第二組為501M、502M 2臺泵，功率為30 kW；第三組為503M、504M、505M 3臺泵，功率為160 kW；第四組為506M、507M、508M 3臺泵，功率為110 kW；第五組為509M、510M、511M 3臺泵，功率為45 kW。其中，凈環水冷水池包括第二組和第三組共5臺泵，濁環水冷水池包括第四組共3臺泵，濁環水熱水池包括第五組共3臺泵。另外，冷卻塔電機共6臺，功率分別為：2臺37 kW，3臺22 kW，1臺11 kW；電動蝶閥共15臺，0.18 kW。

2 自動化系統

2.1 硬件組態

自動化系統整體配置如圖1所示：包括操作員站上位機1臺，打印機1臺，交換機1臺，PLC主站1個，ET-200M分站2個。

圖1 自動化系統配置圖

2.2 以太網通訊模塊

PLC通過交換機利用工業以太網與上位機通訊，實現數據交換。工業以太網是為工業應用專門設計的，它是遵循國際標準IEEE802.3(Ethernet)的開放式、多供應商、高性能的區域和單元網絡。SIMATIC PLC的工業以太網通信處理器用于將PLC連接到工業以太網；該系統通訊模塊選用CP343-1系列，訂貨號：6GK7 343-1EX30-0XE0/V2.0，CP343-1是用于S7-300的全雙工以太網通信處理器，傳輸速率為10 Mb/s。該系統采用TCP/IP通信協議，模塊的配置數據存放在CPU中，CPU啟動時自動將配置參數傳送到CP模塊。

2.3 交換機

該系統網絡交換機選用菲尼克斯系列優質產品FL SWITCH SF 6TX/2FX，6電口、2光口，滿足系統生產和擴容需要，用于網絡數據交換。

3 PLC系統

3.1 CPU

PLC是控制系統參數設定、設備控制的核心部分。該系統硬件配置采用西門子S7-300作為主站，通過Profibus-DP現場總線方式配帶ET-200M分站的結構模式。CPU選用帶有MPI接口的CPU315-2DP，訂貨號：6ES7 315-2AG10-0AB0，具有中、大規模的程序存儲容量和數據處理結構，對二進制和浮點數運算具有較高的處理能力；具有Profibus-DP主站/從站接口，可用于大規模的I/O配置和建立分布式I/O結構。

3.2 電源模塊

該系統電源模塊采用PS307 5A，訂貨號：6ES7 307-1EA00-0AA0，用于S7-300/ET-200M負載電源，將電源電壓轉換為所需DC24 V工作電壓。

3.3 ET-200M

ET-200M是高密度配置的模塊化I/O站，保護等級為IP20，可用S7-300 PLC的信號功能和通訊模塊擴展。ET-200M是Profibus-DP連接的被動站(從站)，最大數據傳輸速率為12 M位/s。

3.4 輸入/輸出模塊

輸入/輸出模塊統稱為信號模塊(SM)，該系統共用到數字量輸入模塊8塊，訂貨號：6ES7 321-1BL00-0AA0，32點輸入，DC24 V，用于連接標準開關量和二線制接近開關；數字量輸出模塊4塊，訂貨號：6ES7 322-1BL00-0AA0，用于連接電磁閥、接觸器、小功率電機、燈和電機啟動器；模擬量輸入模塊6塊，訂貨號：6ES7 331-7KF02-0AB0，用于連接電壓和電流傳感器、熱電偶、電阻和熱電阻。

3.5 I/O地址分配與接線

整理I/O表，明確各I/O地址對應的現場信號。I/O點數估算時應考慮適當的余量。

主站地址分配如下：5號槽：I0.0～I3.7；6號槽：I4.0～I7.7；7號槽：I8.0～I11.7；8號槽：I12.0～I15.7；9號槽：I16.0～I19.7。

分站地址分配如下：4號槽：Q0.0～Q3.7；5號槽：Q4.0～Q7.7；6號槽：PIW272～PIW287；7號槽：PIW288～PIW303；8號槽：PIW304～PIW319；9號槽：PIW320～PIW335。

4 HMI系統

4.1 操作員站設備選型

操作員站計算機選用了研華最新型的工業PC機一臺。

4.2 操作員站功能及畫面

操作員站HMI作為生產數據監控、設備操作單元，是人機對話的窗口，具有如下功能：主工藝流程畫面顯示；設備控制的操作，所有電機的啟、停、點動和緊急停車控制；操作畫面和報警；設備運行狀態監控；設備故障診斷控制；歷史和報警數據查詢，趨勢曲線顯示、查詢等。

該項目主要采用基于Windows平臺的上位監控程序開發軟件和PLC編程軟件，以PLC作為控制站、以上位機作為操作員站的結構，構成滿足現場生產過程功能要求的控制系統。其中PLC控制工藝設備的運行，檢測系統中各個生產設備的狀態及工藝參數，并按確定的控制原則對各個設備進行控制與調節。操作員站主要功能是操作人員通過上位機的實時動態畫面監控現場的生產狀況，并根據現場實際狀況對生產過程進行必要的控制及干預，還有一定的趨勢分析、報警、歷史趨勢查詢及報表輸出等功能。

5 程序編寫

5.1 程序編寫要求

(1) PLC部分可以實現系統對控制的要求，根據用水量的大小調整水泵開機的數量。可以用流量計或直接根據水泵出水口算出流量，再根據需要的流量大小來確定開啟的水泵數量。開機時，水泵要按照1號、2號、3號的順序啟動。

(2) 水泵和閥門具有聯鎖控制功能，開機時，先開水泵后開閥門；停機時相反，先關閥門后關水泵。

(3) 指定其中任意一臺為備用水泵，當出現故障時，備用水泵能夠自動投入運行，并發出報警。

(4) 每臺水泵和閥門都具有機旁手動和PLC集中操作功能，通過一個兩檔選擇開關來實現切換，即一側為手動，另一側為自動；打到手動為在現場機旁操作，用于檢修或調試；打到集中時在上位機上操作，通過PLC進行控制，作為正常生產操作方式。

5.2 程序編寫

編程軟件采用西門子STEP 7，利用STEP 7的功能對整個控制系統進行組態、編程和監控、調試。

STEP 7主要有以下功能：(1) 組態硬件，即在機架中放置模塊，為模塊分配地址、設置參數；(2) 組態通信連接，定義通信伙伴和連接特性；(3) 使用編程語言編寫用戶程序；(4) 下載和調試用戶程序、啟動、維護、文件建檔、運行和診斷等功能。

該系統PLC程序共包括主程序、組織塊、功能塊、數據塊等部分。采用分塊控制，通過主程序進行調用的編程思想，利用梯形圖語言根據工藝設計和控制要求進行程序編寫，實現工藝控制要求。

6 系統調試

6.1 硬件調試

現場調試前要全面檢查整個PLC控制系統，包括電源、接地、I/O連線等，同時對PLC外部接線做仔細檢查，在保證整個硬件連接正確無誤的情況下方可送電。

系統的調試是整個設計能否實現的關鍵，可以用變量表來測試硬件，通過觀察CPU模塊上的故障指示燈或利用故障診斷工具來診斷故障。硬件模擬法是使用一些硬件設備模擬產生現場的信號，并將這些信號以硬接線的方式連到PLC系統的輸入端，進行測試。

6.2 軟件調試

在模擬調試合格的前提下，將PLC與現場設備連接，將PLC的工作方式置為“RUN”。反復調試，消除可能出現的問題。

使用變量表可以在一個畫面中同時監視、設置和修改用戶感興趣的全部變量，在變量表中可以賦值或顯示的變量包括輸入、輸出、位存儲器、定時器、計數器、數據塊內的存儲器和外設I/O。

基本步驟如下：

(1) 生成新的變量表或打開已存在的變量表，編輯和檢查變量表的內容。

(2) 建立計算機與CPU之間的硬件連接，將用戶程序下載到PLC。在變量表窗口中用菜單命令“PLC”→“Connect to”建立當前變量表與CPU之間的在線連接。

(3) 用菜單命令“Variable”→“Trigger”選擇合適的觸發點和觸發條件。

(4) 將PLC由STOP模式切換到RUN-P模式。

(5) 用菜單命令“Variable”→“Monitor”或“Variable”→“Modify”激活監視或修改功能。

在調試時應充分考慮各種可能的情況，對系統各種不同的工作方式、有選擇序列的功能表圖中的每一條支路、各種可能的進展路線，都應逐一檢查，不能遺漏。發現問題應及時修改梯形圖和PLC中的程序，直到在各種可能的情況下輸入量與輸出量之間的關系完全符合要求。如果程序中某些定時器或計數器的設定值過大，為了縮短調試時間，可以在調試時將它們減小，模擬調試結束后再寫入它們的實際設定值。

6.3 聯動調試

聯動調試是對通過模擬調試的程序進行進一步的在線統調。聯動調試過程應循序漸進、逐步進行，如不符合要求，則對硬件和程序作調整，通常只需修改部分程序即可。全部調試通過后，經過一段時間的考驗，系統就可以投入實際運行了。試運一定時間且系統運行正常后，可將程序固化在存儲器中，做好備份。

7 結語

該項目投運后，實現了PLC控制，滿足了工藝要求，運行可靠；滿足了實際生產要求，保證了整個車間冷卻用水，意義重大，經濟效益可觀。

[1]廖常初.S7-300/400 PLC應用技術[M].機械工業出版社，2005

[2]蘇昆哲.深入淺出西門子WinCC V6[M].第2版.北京航空航天大學出版社，2004

[3]崔堅.西門子工業網絡通信指南[M].機械工業出版社，2008

[4]呂衛陽，徐昌榮.PLC工程應用實例解析[M].中國電力出版社，2007

[5]胡學林.可編程控制器教程(實訓篇)[M].電子工業出版社，2004

2014-11-06

宋杰(1977—)，男，江蘇徐州人，工程師，主要從事電氣傳動及自動化控制、工程和設備管理工作。