礦渣微粉系統的DCS控制開發與應用

朱建峰

（中信重工工程技術有限責任公司 河南洛陽 471000）

礦渣粉磨系統用于粉磨鋼鐵廠高爐產生的礦渣，將礦渣粉磨至合格細度摻入普通水泥中制造成礦渣水泥。經適當調整參數也可用于粉磨水泥熟料。礦渣粉磨生產微粉是集烘干、粉磨、選粉為一體，具有效率高、電耗低的顯著優點。在國家提倡循環經濟，提倡資源高效利用和循環利用為核心的經濟增長模式下，礦渣粉磨系統市場前景廣闊。

1 礦渣微粉工藝對控制的要求

根據江陰興澄特鋼礦100萬t/年渣微粉生產線的工藝設計思路和現場實際情況，全廠總工藝系統可分為以下幾個子系統：

①礦渣輸送；②礦渣粉磨系統；③熱風系統；④礦渣微粉儲存與發運；⑤燃煤儲存。

圖1 江陰興澄特鋼礦渣微粉工藝流程圖

結合工藝中各個設備的實際情況，有效整合各個子系統，控制各設備及子系統實現工藝控制要求如下：

（1）礦渣輸送中要求能根據工況改變定量喂料機的給料量，并能看到實際的瞬時給料量和累積給料量。能按工藝的逆料流順序啟動，按順料流方向順序停機，并在立磨故障或者膠帶輸送機故障時，能立即停止前面的設備，停止供料。

（2）返料部分要求準確計量返料量，并顯示瞬時計量值和累積值，可精確設定返料入磨量，并顯示實際入磨瞬時量和累積量。返料倉滿時要報警。

（3）粉磨系統主要控制好選粉機、減速器和主棍輔輥。選粉機要求能改變轉速，可以根據實際情況調整轉速滿足工況要求，做好軸承的溫度保護。主減速器磨盤的頂起壓力保護，保證潤滑正常，時刻監測滑動瓦的溫度和減速器振動，以保護減速機正常穩定的運行。主輥和輔輥要能根據操作要求升降，并能在研磨時加壓到80MPa左右。

（4）微粉輸送系統要求能收集成品粉塵，根據要求長距離運輸粉塵至碼頭粉灰庫。利用主排風機提供整個系統的負壓，起到收集粉塵的目的。利用管帶機長距離輸送粉塵，做好管道機及空氣斜槽風機的保護，防止堵料。

2 DCS系統配置

2.1 硬件配置

礦渣粉磨系統控制DCS控制器的選擇要結合工藝控制要求及各種DCS的最大I/O容量、最大存儲容量、通訊及網絡能力、運行速度、數據運算傳送功能等決定。最大的保證系統的可靠性和安全性，優化系統配置，降低投資成本。江陰興澄特鋼礦渣微粉系統的電氣控制點數除去立磨設備控制系統外大約有七八百個點左右，I/O點數比較少，再者工廠生產幾年后的技改對點數的增加的要求比較小，因工藝系統的本身特性決定了若再擴建一套控制系統需要，所以對控制器的運算速度和存儲容量的要求不大，考慮到與系統中各個單機的通訊問題和操作工及維修工對硬件的熟悉程度，最終采用西門子的大型S7-400 PLC做為DCS的控制器。為降低投資成本，采用S7-300 PLC的數字量及模擬量模塊采集信號。

2.2 軟件配置

軟件設計的首要目標是對硬件進行管理，充分發揮現有硬件平臺，通過慎密的程序安排，最大限度的滿足被控對象的控制要求；并為用戶提供一個操作簡單、界面友好的人際界面，實現在控制室對設備狀態進行監控。因硬件選用西門子系統，本礦渣微粉下位選用STEP7 V5.4做為編程軟件，上位選用西門子WINCC V7.0作為監控軟件，采用這兩個軟件的最新版本。

2.3 網絡架構

通信網絡是DCS的關鍵和支柱，通信網絡的好壞直接決定了DCS系統的性能高低。結合礦渣微粉全廠工藝，采用工業以太網作為控制器及遠程子站之間及與上位機通訊的主體，充分發揮了工業以太網的高兼容性與高速性。過程級的通訊采用Profibus-DP總線作為通訊主體，實現和遠程I/O站和第三方設備PLC的通訊采集現場開關量和模擬量數據，通過此種通訊采集變頻器控制數據，時刻了解變頻器運行狀態并控制變頻器的啟停及速度。

整個項目的通訊結構設計如圖2所示。

圖2

3 軟件編寫及調試

軟件的設計主要滿足工藝需要，完成既定工藝流程，保護設備的正常運行。在本礦渣微粉控制系統采用LAD梯形圖進行編程，但在工藝中每個設備都有自己的控制數據和控制條件，造成每臺設備的控制程序都不一樣，一旦有一個條錯誤就有可能造成程序的錯亂，且不同的程序編制人員，編制出的程序也不同，程序的易讀性和通用性比較差，遠遠不能滿足礦渣微粉等工程項目激增的需要。

所以本系統采用結構化程序設計，編制通用的電機功能模塊和典型的特定功能模塊。積木式的模塊式的組件程序，大大節省了編程的工作量，并且方便了調試，使整個程序思路更加清晰，更加易懂，有利于調試和后期維護。

以電動閥為例，編制標準程序：

數字量輸入點有：控制電源（或者備妥K）、開反饋、關反饋、開限位、關限位、故障、外部條件、聯鎖開、開/關延時、現場控制、遠控、中控開、中控關、中控停止、現場開、現場關、現場停止、復位；

數字量輸出點有：開驅動、關驅動、條件滿足、故障狀態；

內部變量有：開電動閥、關電動閥、綜合故障、遠控信號丟失、運行信號丟失、故障跳閘、外部故障、外部條件故障等；

圖3 電液動閥上位畫面

在本礦渣微粉工程中還要根據電機和設備的使用情況編制多種自定義功能塊，以滿足總的程序編制的需要，主要有以下幾種：

（1）普通電機啟動功能塊：用于普通電機，單方向運行和單機設備的控制。

（2）正反轉電機：用于帶正反轉限位的電液動閥的電動執行機構電機的控制。

（3）正反轉電機：用于只需要簡單的正反轉，不帶正反轉限位的電機和設備的控制。

（4）模擬量處理塊：用于對模擬量模塊接收到的4～20MA的電流信號進行工程量處理，轉化為設備的所需的相對應工程單位的數據，如電機電流或電壓、風機轉速或振動、管道壓力、風門開度等工程量。

（5）定量給料機專用塊：用于對定量給料機送給中控室的每噸脈沖信號進行累加，顯示和記錄生產噸位，可手動清零也可自動清零。

（6）組起組停塊：可以實現在同一生產線的設備按系統工藝要求進行順序啟停，并具有延時功能，在前一個設備啟動后，根據設定的延時時間啟動下一個設備。此功能塊可以用于各種循序啟停的應用。

在整個下位機程序的編制過程中，主要用到了以上的幾個功能塊，大大方便了程序的編制，編程時根據工藝要求按功能分成各個子程序進行編寫，在OB1中分別調用各個子程序即可，增大了程序的可閱讀性，可移植性。

借助于模塊化的設計方法，根據下位機編程的結構塊，編輯與之相對應的各種電機和輸入輸出模擬量數字顯示畫面匯聚成工藝控制畫面如圖4所示。

圖4

4 總結

為江陰興澄特鋼礦渣微粉系統設計的以西門子S7-400CPU做控制器，以西門子分布式遠程I/O為輸入輸出，以Profibus-DP總線和工業以太網為主體網絡架構的DCS集散控制系統，已經安全、可靠、穩定的運行了多年，效果良好；突出了此套控制系統可靠性強，故障少，維護方便的特點，有較高的技術含量和較好的效率，適用于中信重工眾多礦渣微粉工程的應用，對其它類似工程具有一定的參考價值。