工控機和PLC的分布式控制系統在轉爐煉鋼煙氣凈化中的應用

曹偉

摘 要：工礦企業的自動化設備的過程控制，存在著工況條件惡劣、設備分散、過程數據采集量大、人員集中控制的特點，文章就工控機和PLC的分布式控制系統的結合，提供一種高效、經濟的解決方案。

關鍵詞：工控機；PLC；分布式控制系統

現代轉爐煉鋼在吹煉的過程中，會產生約1400～1500℃的高溫廢氣，廢氣中成分復雜，主要由含量高達80%以上的CO氣體和濃度可達150～200g/Nm3粉塵組成，并且粉塵中含有70%以上的全鐵，故此高溫含塵廢氣具有極高的回收價值。這些高溫廢氣經過洗滌冷卻、脫水凈化后，在不具備回收條件時，可在滿足環保指標情況下進行合理的排放。其復雜的成分、高溫、易燃、易爆的特性，決定了控制系統的參數主要為溫度、壓力、流量等，儀表選型必須帶具有防爆特性。基于工控機和PLC控制的分布式I/O系統，為大量的儀表數據的采集、控制柜的布置、現場操作人員的集中控制提供了便利，目前該系統在蘇北某鋼廠煙氣凈化項目上得到了很好的應用。

1 系統組成

該鋼廠的煙氣凈化項目工藝流程由洗滌、降溫、脫水、放散幾部分組成，且其中環縫洗滌塔和脫水器布置在主廠房內標高19.5米至33.5米平臺之間，降溫洗滌后的氣體經風管連接到主廠房外側的風機房內，最后經由放散塔排出。儀表數據的采集和遠程設備的控制分別集中在主廠房和風機房內，設備之間分布距離超過了100米，故采用分布式I/O系統將在很大程度上降低系統布線和調試難度，并有效節約線纜投資。

控制系統由上位工控機和下位PLC站點組成，通過工業以太網相互通訊。上位機為安裝有WINCC監控軟件的工控機，集中進行設備控制、儀表數據的讀取、歷史數據的記錄以及報警狀態的顯示輸出；下位PLC站點由S7-300系列的CPU315-2DP組態為DP控制主站，連接3個DP從站組成。同時作為下位PLC的CPU315-2DP與轉爐主控室CPU417-4建立了基于工業以太網的S7連接，進行現場數據傳送和設備控制信號接收和反饋。

2 站點功能

CPU315主站和地址為3的1#DP從站設置在風機房操作室內。主站掛載的DI/DO模塊，負責采集和輸出風機、放散點火裝置和集水坑設備的運行時的開關量信號，包括合分閘、聯鎖、啟停、閥門啟閉、水位以及故障等。1#DP從站為風機房的儀表從站，由IM153-1模塊作為接口模塊，掛載AI/AO模塊，采集風機運行時各檢測點的模擬量數據，包括風機速度、高壓電機定子溫度、液力耦合器壓力和溫度、風機軸承振動、潤滑稀油站壓力和溫度、循環冷卻水溫度、壓力及流量數據，并將這些數據計入PLC聯鎖保護程序；同時還檢測風機房段管道內煙氣的溫度、壓力、流量的過程數據，作為風機運行工藝調節的參考。由PLC輸出4～20mA信號對液力耦合器的開度進行調節，從而實現風機的轉速調節。

2#DP從站為環縫液壓站，由液壓和電控系統組成，設置在主廠房內標高19.5米設備平臺上。S7-200系列的CPU214作為該從站的控制器，站地址為4，主站CPU315通過EM277與之進行DP通訊。僅在STEP7中對S7-300站進行硬件組態，無需對CPU214進行組態和編程。CPU214將通訊數據集中存放在V值存儲區，與EM277在S7-300的組態從站時的硬件I/O地址相對應，即可進行數據交換，數據交換內容包括液壓電機的啟停、聯鎖、故障、油缸開度等等。環縫液壓系統通過控制環縫文氏管喉口的開度，從而實現對煙氣在爐口的微差壓調節，以及管道內風壓、流量的調節，以滿足工藝要求。

3#DP從站亦為儀表從站，與1#從站硬件組成類似，設置在主廠房內標高24.5米設備平臺上，站地址為5，負責分別采集環縫洗滌塔和脫水器內各檢測點的噴淋水、煙氣兩種介質的壓力、流量、溫度、液位的實時數據。

預裝WINCC監控軟件的工控機作為上位機，放置在風機房的操作室內，與DP主站CPU315通過CP343模塊組態工業以太網進行TCP/IP通訊。監控畫面結構分兩級畫面，一級畫面為系統主體畫面，分別為一次風機畫面和煙氣凈化畫面，畫面中實時顯示各項儀表數據和報警提示信息；二級畫面為單體設備的操作畫面、報警畫面和歷史趨勢。其中單體設備操作分別為風機啟停操作及速度調節、環縫液壓站操作及開度調節、放散點火裝置啟停及狀態指示、集水坑水泵啟停操作；報警畫面中記錄了影響風機正常運行的各項保護值的觸發情況；歷史趨勢以圖表形式實時繪制風機各項保護值的折線圖，以及對生產過程中的各項工藝數據的記錄。

3 需要注意的問題

本系統的CPU315和轉爐主控室CPU417之間通訊，采用的是以太網方式，二者CP模塊之間實際布線長度超過100米，若采用以太網線敷設則可能出現信號衰減，故采用了多模光纖通信，將以太網信號轉換成多模光纖信號，以解決以太網長距離通訊帶來的隱患，同時降低干擾。

本系統的主從站采用的是PROFIBUS-DP協議，主站CPU315和2#從站之間的間距約150米，2#從站與3#從站之間距離約50米，電纜敷設在電纜溝內，同時溝內還混有動力電纜，為保證通信質量，DP電纜敷設采用全程穿金屬硬管并在保證接地良好的情況下，同時將通信波特率調至187.5Kbps。PLC系統接地應當連接至廠區計算機接地系統，同時柜內需設置防雷保護器。

4 結束語

工礦現場設備的具有分散性、多樣性、數據采集連續性、以及監控的集中性的特點，基于工控機和PLC的分布式控制系統為此提供了便捷、高效、經濟的解決方案。本系統在蘇北某鋼廠成功實施一年多來，運行穩定，得到了業主方的認可，同時以文章所闡述的原理進行系統組態的應用，在其他類似項目現場實施。

參考文獻

[1]STEP 7 V5.4編程使用手冊[S].2006.

[2]從WinCC里調用STEP 7 的變量[S].2008.