高爐自動控制系統中的PLC應用研究

白江濤

（河北普陽鋼鐵有限公司，河北邯鄲，056305）

0 引言

高爐自動化控制在很大程度上決定著高爐工作的穩定性以及煉鋼過程中供應合格鐵水的能力，高效的高爐自動控制系統可發揮降低能耗、保證高爐煉鐵工藝連續性、軟硬件方式實現前后工序相互連鎖等功能，為后續煉鋼供應優質原料。在生產過程中，高爐具有密閉性，復雜的工藝流程要求工作人員借助檢測儀表進行內部情況的判斷。基于原料的高需求量、高運輸量、嚴格根據配比及指定順序裝料等要求，高爐自動化控制系統要想達到良好的技術指標就必須自帶自動裝料配料系統與水分補正系統。通過自動監控設備的運行狀態，高爐自動控制系統還可在發現故障先兆時及時采取措施，排除與降低高爐休風率。

1 需求分析

高爐自動控制系統的設計需對以下需求予以滿足：（1）采集與控制高爐本體的溫度、壓力以及流量等數據；（2）按照正確比例配備礦焦，遵循指定步驟將其放入高爐內，控制爐料均勻下降；（3）對熱風爐的燃燒狀態與送風順序進行控制，保證高爐冶煉狀態的整體優質性；（4）完成對布袋的除塵與反吹控制。

圖1 高爐自動控制系統功能模塊圖

2 系統硬件配置

結合高爐監測點與控制設備要求，系統對SIEMENS SIMAT ICS7-400PLC加以應用，設計過程中兼顧系統的最優性價比，借助PROFIBUS-DP實現主站S7-400與從站ET-200M的連接。

2.1 電源

選用PS407 1OA作為電源模板，向SIMATIC S7-400供電，對AC或DC網絡電壓進行轉換，得到所需的5VDC或24VDC工作電壓，輸出電流10A。在安裝時，應將其放置在機架最左端（起始于槽位1），按照具體配置，可對槽1至槽3進行占用。在電源模板的前面板部位，需安裝發光二極管，完成對內部故障的指示工作。

2.2 中央處理器

選用CPU414-2DP作為中央處理器模板，該模板在中等性能應用范圍中要求相對嚴格的場合有較高的實用性，可對程序規模、指令處理速度、復雜通訊等更加高規格的要求予以滿足。通過PROFIBUS-DP接口的集成，模板可作為主線實現與PROFIBUS-DP現場總線的直接連接；程序與數據的存儲用256KB RAM來實現，存貯能力得到了擴展；對多達131072個數字量或81932個模擬量I/O的連接是模板靈活擴展性的體現；利用多接口（MPI），可最多構建32個站的簡單網絡，最大數據傳輸速率為12Mbit/s；此外，模塊中設有模式選擇開關，設計為鑰匙操作開關，開關取下時，會對用戶的數據訪問權限進行限制，除了保護鑰匙操作開關以外，通過在用戶程序中下達保護口令，還可制止非法訪問行為的發生；診斷緩存區亦是中央處理器模塊的組成部分，通過將120個故障與中斷時間保存于FIFO緩存器中，為診斷工作提供數據信息。

2.3 ET200M遠程控制站

ET200M分布式I/O用于現場信號的采集，可實現中央處理器指令向執行機構的傳輸。ET200M使用西門子PS307電源與IM153-1接口，該模板在冗余PROFIBUS-DP系統中有良好適用性，可將ET200M以從站的形式連接至PROFIBUS-DP。

3 系統軟件配置

上位機對研華IPC-810型工控機予以采用，運行WINDOWS操作系統，組態軟件WINCC，可對WINDOWS程序中的現代體系結構與便于使用的圖形設計進行結合，向用戶提供一種可視化的人機界面。作為一種面向對象的32位工業監控組態軟件，WinCC可在Windows環境下向用戶提供人機交互與監控管理服務，在全部自動化控制系統中均可應用。該組態軟件對圖形技術、人機界面技術、數據庫技術、控制技術、網絡技術與通信技術等多技術予以集成，可在控制系統開發人員的軟件設計環節提供便利，使他們只簡單地通過可視化組態方式完成設計工作，這實現了監控畫面開發難度的大幅度降低。基于工具箱、圖形庫與操作向導均十分豐富的優勢，組態軟件可有效避免開發人員在軟件設計過程中進行重復性的工作，保證開發的高效率，縮短開發周期。當前，WinCC已成為自動控制系統中應用的主要開發工具之一。WinCC內含多種PLC驅動軟件，可為PLC同上位機的通信提供極大便利，結合WinCC與STEP7，配置于STEP7中的量表可在WinCC的過程編程中直接應用，大幅縮短工程組態時間。

4 系統通訊網絡設計

系統通訊網絡分為兩層：（1）上位機、S7-400PLC與PLC之間建立以太網連接，以此交換信息。利用工業以太網將設定的工藝參數與電氣設備的動作從人機接口傳送至PLC端，工藝、電氣參數與設備狀態則由PLC傳送至人機接口，通過CRT顯示出來。此外，PLC之間控制數據的傳送也由以太網實現。（2）利用PROFIBUS-DP進行S7-400PLC與分布式I/O站（從站）之間主從式通信網絡的構建，在與PROFIBUS-DP建立連接之時，所用通訊接口模塊為IM153-1。圖2所示為高爐自動控制系統的通訊網絡。

5 結束語

將PLC應用于高爐自動監控系統中，可有效監督與控制生產的全過程，這既能提高高爐的工作效率，又可做好監控工作，向高爐的產品質量與生產效率提供保證，充分做到快捷與穩定的高爐生產，提高高爐生產工藝水平，加快我國工業向可持續發展方向前進的步伐。

圖2 高爐自動控制系統的通訊網絡

自投入運行，系統得到了良好的應用，監控工作及時且準確。在使用過程中，系統可與高爐生產工藝連續不間斷的特征相結合，為生產控制與過程監控創造便利，在提高高爐生產率與產品質量的同時對快捷性、穩定性與準確性的生產要求予以滿足。基于其能夠保證高爐實現高效生產的優勢，系統可得到進一步的應用。

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