淺談PLC在冶煉行業中的應用

潘戰武 ，白康寧

（1.天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741020；2.大型電氣傳動系統與裝備技術國家重點實驗室，甘肅天水741020；3.天水市職業技術學校，甘肅天水741018）

1 引言

PLC可編程控制器之所以成為工業自動化控制領域的核心硬件，在于它可按照既定的、可控的、預期的指令執行規劃好的工藝流程，同時PLC高可靠性、低功耗、免維護的特點，使之成為工廠能持續而穩定生產的一個重要環節。合理的使用和控制，可以提高生產效率和降低生產成本。本文以某冶金行業為例，闡述PLC在工業控制領域的應用。

2 概述

某冶煉廠始建于20世紀90年代。歷經20多載發展，廠區規模逐漸擴大，控制模式也由最初的多人工參與控制模式發展到少人工參與的半自動化模式，經過了數次提升和完善。但是距上次自動化提升已經過去十多年，現有的控制方式已經不能滿足日益增長的規模需求，同時，由于采用的是十多年前的PLC控制器，其控制容量已經接近飽和，無法再進行擴容，其通訊接口也比較單一，自動控制組網的方式不夠靈活。故此，結合廠區現有的發展規模特點及未來的發展需要，本項目中采用了當下主流且控制功能強大的PLC作為該廠的自動控制硬件層的核心。

3 功能

PLC已經廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業。它具備開關量邏輯控制（取代傳統的繼電器回路）、工業過程控制（可以采集和處理溫度、壓力、流量、液位和速度等連續變化的量，通過A/D和D/A電路的轉換和處理，可完成PID閉環控制）、運動控制（用于圓周運動或直線運動的控制，可驅動步進或伺服電機）、數據處理運算（實現各種數學運算：函數運算、邏輯運算、矩陣運算、數據傳送、轉換、排序、查表、位操作等）、通信及聯網（PLC與PLC之間、PLC與帶有通訊接口的設備之間通過相互匹配的接口和協議進行數據的傳輸控制，形成多種通訊拓撲結構的PLC控制網絡）等特性，使之適應于社會的各行各業。

4 項目案例

本項目屬于冶煉行業，廠區擁有4套冶煉爐，每套爐配套有相應的輔助系統。控制系統包括：主爐系統、爐襯系統、爐電極稱重系統、爐冷卻水流量監控系統；凈化車間系統包括：除塵系統、電爐煙氣系統和爐微硅粉氣力輸送系統等。

自控系統由高低壓控制柜、程控柜、直流系統、工業電視監控系統、后臺計算機系統等組成。本文以某冶煉項目為例，簡述冶煉系統組成及自動化系統智能信息網絡的發展趨勢。

本項目中分布了5處控制室：1＆2#爐控制室、1＆2#爐凈化站控制室、4＆5#爐控制室、4＆5#爐凈化站控制室、運配料控制室。

1＆2#爐控制室：設置有1套多組合操作臺，1#爐設置了2套操作員站，互為備用；2#爐設置了2套操作員站，互為備用；并共用了1套工程師站。其作用主要用于主爐系統的控制、爐襯系統、爐電機稱重系統、爐冷卻水流量監控系統。

1＆2#爐凈化站控制室：設置1套多組合操作臺、1套操作員站、1套工程師站。其作用主要用于除塵系統、電爐煙氣系統和爐微硅分力輸送等系統的控制。

4＆5#爐控制室：設置有1套多組合操作臺，1#爐設置了2套操作員站，互為備用；2#爐設置了2套操作員站，互為備用；并共用了1套工程師站。其作用主要用于主爐系統的控制、爐襯系統、爐電機稱重系統、爐冷卻水流量監控系統。

4＆5#爐凈化站控制室：設置1套多組合操作臺、1套操作員站、1套工程師站。其作用主要用于除塵系統、電爐煙氣系統和爐微硅分力輸送等系統的控制。

運配料控制室：設置1套多組合操作臺、1套操作員站、1套工程師站。其作用主要用于原料配送、成品轉運、歸整等控制操作。

4.1 網絡的分層

系統由信息管控層、監控層，數據交換層，硬件控制層四大部分組成。

信息管控層：設置了若干臺監控站，其作用在于采集由系統服務器提供的監控數據，并提取、歸納、分析、總結需要的數據源，形成有效的數據報表，使得決策者及時、準確的調控生產過程和趨勢。

監控層：由監控站、工程師站、視頻監控站等組成，監控站可直觀明了地掌握工藝環節內的所有受控設備的狀態，設備的運行、停止、故障，流量、壓力、液位、特殊表計等實時的數據值，還可對受控設備進行單操或組操動作，通過改變不同設備的控制狀態，調整到預期的工藝流程；系統還能實時記錄、存儲工藝設計中的預期數據，記錄設備報警；存儲的數據形成日報表、月報表、年報表等；工程師可使用工程師站對工藝畫面、工藝流程、邏輯進行更改或完善。通過視頻監控站，監控員可觀察到工藝現場的設備真實運轉情況，有突發狀況發生時，可及時通知相關人員處理。

數據交換層：由多套工業以太網交換機組成，它是硬件控制層和監控層之間的橋梁設備，硬件控制層與監控層通過它實時的進行數據傳輸。

硬件控制層：由高低壓配電柜、PLC控制柜、各類檢測表計（溫度、壓力、流量、電流、電壓等）、視頻監控柜等組成。該層為工藝執行層，所有受控設備均由該層級控制，并將執行的結果實時經由數據交換層傳輸至監控層。

本工程中工業控制網絡采用了百兆工業以太自愈環網，由2套核心交換機和多套分支數據工業以太網交換機組成，使用了光纖作為傳輸介質，5處控制室數據互連互通。網絡中任意一處網絡節點斷開，均不會影響其他節點正常工作。同時還預留了去上層網絡的通訊接口，為MES（制造企業生產過程執行管理系統）系統或其他上層網絡提供生產數據。

圖1 系統組態示意圖

PLC層級網絡上則采用Profinet工業以太網實時總線，總線速率100Mbps。信息管理層網絡與工業控制網絡通過工業防火墻隔離，有效地對工業數據進行安全防護，確保用戶的生產數據的安全與保密。系統組態如圖1所示。

對廠區建立了5個重點視頻監控區域，分布在各區域的網絡高清攝像機實時地將現場的狀態傳至中央集控室內，供生產各環節的監管者查看，掌握生產動態、有效地規避安全隱患的發生。視頻網絡采用千兆級傳輸網絡，5個區域的視頻信息先集中匯總在各自區域的分支千兆交換機后再統一匯總至中央控制室的視頻數據服務器上，通過中控室的骨干交換機，視頻信息可傳輸至廠區任何設立了視頻監控站的辦公區域，如圖2所示。

4.2 系統機構及配置

在工業層控制網絡中，采用了 C/S （Client/Server）結構，即客戶機和服務器結構體系為主，B/S（Browser/Server）結構，即瀏覽器和服務器結構為輔的混合結構方式。滿足不同客戶群體對數據的操作，通過它可以充分利用兩端硬件環境的優勢，將任務合理分配到Client端和Server端來實現，降低了系統的通訊開銷。目前，大多數應用軟件系統都是C/S形式的兩層結構，由于現在的軟件應用系統正在向分布式的Web應用發展，Web和C/S應用都可以進行同樣的業務處理，應用不同的模塊共享邏輯組件；因此，內部的和外部的用戶都可以訪問新的和現有的應用系統，通過現有應用系統中的邏輯可以擴展出新的應用系統。這也就是目前應用系統的發展方向。

本工程案例中，自動化控制的核心硬件采用S7 1500 PLC、S7 300系統產品以及Premium PLC（TSX 57系列）產品。現場總線采用 Profibus DP、profinet、Modbus 總線相結合，并配備工業以太網與上層網絡對接。

在通訊網絡方面，則根據具體現場情況分布采用了有線網絡和無線網絡混合的方式布置。

在控制中心，調度人員可以全局掌握4套冶煉爐及配套輔助系統的所有設備數據；爐溫、爐壓、耗電量、燃料量等數據；實時掌握工藝廠區的所有受控設備的投運狀態、工作電流、電壓、電能、耗電量，決策人員根據此發出合理的調度指令。

圖2 視頻監控網絡示意圖

5 特點

本工程案例中應用PLC技術，結合工業組態技術、通信網絡等對工廠的工藝設備進行實時監視與控制，并在區域范圍內實現全自動化托管，在全局范圍內實現參數微調，由預制好的配方工藝根據全局參數自動調整局域運行狀態，實現最佳的運行效率。

控制系統網絡采用了光纖自愈型環網設置，分支網絡通過有線、無線的方式分布在環網上，任何一個節點發生故障，均不會影響其他網絡的正常運行。

總線網絡采用了 profibus DP、profinet、Modbus相結合的方式。

網絡由信息管控層、監控層，數據交換層，硬件控制層四大部分組成。系統的結構上則采取了C/S和B/S相結合的方式，使得網絡更具擴展性和靈活性，提高網絡的利用效率。

工藝控制方面，將區域工藝有效地整合在一起，形成一個區域自動化控制系統，再由骨干網絡互聯互通，形成整個工業監控工藝網絡，工廠操作員即可對區域工藝進行精確控制，也可由授權允許的信息總控中心進行宏觀調控。分布在各區域工藝段的設備信息、傳感器數據等設備通過其區域段的PLC，將數據統一采集處理，形成數據報表、歷史報表、曲線、報警等信息。提供給信息控制中心。

控制中心對各工藝段的數據集中統一管理，形成能效報表，幫助管理決策者合理的調配資源，通過對信息的采集，分析診斷系統的狀況，及時做出合理的響應，提高產能。

6 設計中需要考慮的因素

在本工程案列中，由于采用了不同廠家的PLC設備，故此在出現不同類型的總線通訊協議；因為環境的因素，采用了有線和無線相結合的通訊方式。

6.1 環境因素

工業工廠的環境往往非常復雜，各個工藝設備分布在廠區的不同區域，但是又有機的結合在一起，所以在電氣控制設計中，需要采用合理的、適用的連接方式，本工程案例中，某區域段的很多溫度測點分布在一個大的旋轉區域上，常規的有線通訊方式不能滿足其特點需要，故此采用高性能的工業無線連接方式，通過固定的無線主機與移動的無線客戶機的數據互通，有效地將該區域的數據上傳給主PLC系統。故此，在PLC自控設計中，需要結合工業環境的情況，因地制宜。

6.2 兼容性、擴展性因素

本工程案例中，由于是老廠升級優化改造的項目，舊有的老系統需要與新增或改進的新系統進行統一有效地結合，將不同類型的網絡通訊通過有效的方式統一整合處理，融合在統一的數據平臺上，并合理地分配網絡的結構，使其在具有很好兼容性的同時又提高了其網絡擴展和有效利用的能力。這個特點也是工廠控制領域，甚至全行業由于不同發展階段系統所形成的共同特點。

這種新舊兼容、優化升級系統的沿用也使得用戶的早期與預期投資價值得到有效的保障，實現穩定、平穩的提升、使用戶的經濟價值投資實現利益的最大化，否則盲目的設計投入只會帶來資源的浪費。

7 結束語

本文通過對PLC在冶煉領域應用的簡要闡述，簡單說明PLC在工業領域的應用的目的和特點。同時，由于當前電子技術的長足發展，PLC技術得到了很大的提升，其在自動化控制領域的作用和地位的重要性不言而喻，借助于它的特性，使其為行業經濟的發展提供有力的保障。同時，為信息化平臺的建設提供強有力的數據基礎。使自動化技術水平朝著管控智能化方向邁進。