基于西門子S7300PLC的某軋鋼水處理高速過濾器控制系統

摘要：本文對某軋鋼廠的高速過濾器的工藝流程、控制系統硬件、控制系統編程軟件及組態軟件、相關控制邏輯及畫面操作功能等進行了比較詳細的介紹，該基于西門子S7300PLC的某軋鋼水處理高速過濾器控制系統多年的成功運行經驗表明，其控制模式在對高速過濾器控制中具有一定的推廣價值。

關鍵詞：高速過濾器；控制；PLC

某軋鋼廠循環水處理設施按照水處理工藝分為A、B、C三個子系統，主要為軋線加熱爐、空壓站、軋輥和機架等設備提供循環冷卻水。為了節約水資源，保護環境，需要對水進行相應處理以使水質達到循環利用條件，該區域設置了旋流池、平流池、高速過濾器、水泵、濃縮池和脫水機等水處理設施。在過濾工藝環節，共配置了29臺高速過濾器，以濾除水中雜質。過濾清水循環利用，污水則經后續水處理工藝進一步處理，最終壓成泥餅環保利用。其中，A系統2臺，B系統5臺，C系統22臺，另設置了若干數量的過濾泵、反洗泵及反洗風機等水處理工藝設備，組成一套完成的循環水處理工藝流程。

1 高速過濾器工作流程

每臺高速過濾器均設置有7只電動閥，以控制過濾器進水和排水，實現過濾器運行狀態切換和過濾功能再生。7只電動閥按工藝功能編號為：1#閥反洗水出水閥，2#閥過濾水進水閥，3#閥過濾水出水閥，4#閥反洗水進水閥，5#閥初濾水排水閥，6#閥風洗排氣閥，7#閥風洗進氣閥等。并設置有若干流量計及壓力表等，以方便操作人員把控高速過濾器的運行狀態。

高速過濾器有過濾和反洗兩種運行方式，正常運行模式下，處于過濾狀態，當過濾器濾料中的雜質累積到一定程度時其過濾效率和過濾能力會下降，此時需要對其進行反洗，以恢復其過濾能力。有根據差壓和定時兩種反洗模式，現場實際應用時，一般采用定時反洗模式，以便于協調規劃各只過濾器反洗時間，避免出現多只過濾器同時反洗從而對系統水量、壓力等參數造成較大波動等情況。根據水處理工藝過程，在反洗過程中，單臺高速過濾器閥門動作要求為：①過濾狀態轉為反洗狀態信號，過濾器所有閥門關閉。②檢測到所有閥門均關到位后，1#閥反洗水出水閥打開。③1#閥反洗水出水閥關到位后，5#閥初濾水排水閥打開。④經延時5分鐘后，5#閥初濾水排水閥關閉。⑤5#閥初濾水排水閥關到位后，啟動反洗空壓機。⑥檢測到反洗空壓機運行信號后，延時2秒打開7#閥風洗進氣閥。⑦7#閥風洗進氣閥開到位后，延時5分鐘，關閉7#閥風洗進氣閥。⑧7#閥風洗進氣閥關到位后，停止反洗空壓機。⑨反洗空壓機停止運轉后，開啟反洗泵。⑩反洗泵運行5秒后，打開4#閥反洗水進水閥。B114#閥反洗水進水閥開到位后，延時8分鐘，打開6#閥風洗排氣閥。B126#閥風洗排氣閥開到位后，延時5分鐘，停止反洗泵，同時關閉1#閥反洗水出水閥及6#閥風洗排氣閥。B13待上步完成后，延時5秒，關閉4#閥反洗水進水閥。B14待4#閥反洗水進水閥關到位后，打開2#閥過濾水進水閥。B152#閥過濾水進水閥關到位后，關閉5#閥初濾水排水閥，同時打開3#閥過濾水出水閥。B163#閥過濾水出水閥關到位后，結束過濾器反洗狀態，進入正常過濾狀態，待下一個反洗周期，由時序控制循環運行。

2 基于西門子S7300的控制系統介紹

為了實現以上工藝要求，使用西門子S7300PLC控制系統，分別對三個系統的設備進行監視和控制。SIMATIC S7300是西門子公司通用型PLC，能夠滿足一般設備的中、小規模的控制要求，在各種自動化工廠應用范圍廣泛。S7300系列PLC有多種不同型號的CPU，不同型號的CPU具有不同的技術規范和性能參數。其主要技術指標主要包含CPU的內存大小、工作頻率、通訊種類和編程資源等。為了提高CPU工作可靠性，一般在CPU模塊上配置有后備電池。在CPU模塊上，還有一些CPU狀態指示燈，能夠反映CPU的運行情況，維護人員能很方便根據指示燈信息及時發現系統異常并及時處理。S7300系列CPU按照功能，主要分為4種類型：標準型、緊湊型、技術功能型和故障安全型等。現場使用較多的為標準型，通過標準型CPU和ET200組合使用，能達到較高的性價比，同時提高運行可靠性和可維護性。

為了提供人機操作接口畫面HMI，需采用西門子公司WINCC組態軟件，該軟件能為操作員提供友好監視及控制功能界面。該組態軟件主要提供了人機交互（操作員通過畫面點擊鼠標實現對設備的操作）、數據采集及監控（在操作畫面上，很直觀的展示了設備運行狀態及采集到的實時工藝參數）、通訊（與S7300PLC及網絡上其他設備進行數據交換）等功能，是西門子公司全集成自動化的重要組成部分，它為工業自動化過程的運行及維護提供了良好的支持并為操作人員提供了友好的人機交互與數據采集監控，也為管理級和控制級間的信息交互提供了信息交換通道，在全集成自動化體系結構中起著銜接的重要作用。

為了使設備按照規定的工藝過程動作，需要使用STEP7編程軟件。通過該軟件，組態S7300PLC硬件系統及通訊網絡結構，根據工藝系統要求，編制相關設備的控制邏輯，將編譯成功的邏輯程序下載到S7300PLC中CPU中，通過CPU循環掃描和執行相關邏輯程序，控制相關設備的運行，并采集相關儀表等過程數據，參與邏輯運算或者供人機界面HMI顯示。

3 基于西門子S7300的控制系統的實現

在本控制系統中，根據工藝系統A/B/C的劃分，控制系統硬件選用了三套S7300系列3152DP型號CPU，通過接口模塊IM153擴展ET200分布式I/O遠程站，CPU與ET200站之間均采用PROFIBUSDP通訊協議，各閥門、現場設備及現場儀表信號分別接入到各遠程I/O站。各S7300CPU之間通過CP343通訊模塊與其他PLC及操作站組成工業以太網，通過以太網TCP/IP協議，進行相關數據交換。操作站HMI操作系統為WIN7 professional，PLC邏輯編程及硬件組態軟件選用了STEP7 V5.5，HMI操作站組態軟件采用了WINCC V7.3，基于WIN7平臺的各軟件，有著良好的兼容性和可維護性。

本高速過濾器邏輯編程采用了梯形圖編程語言，主要包含三個部分：各高速過濾器間的協調控制、單臺高速過濾器的控制及各PLC系統間的數據通訊。

在各高速過濾器協調控制程序塊中，利用CPU固有的時鐘脈沖，通過累加器的分頻功能，產生1分鐘的時鐘脈沖信號，然后通過累加器對該1分鐘時間脈沖進行計數，與設定的反洗周期進行比較，當該計數值與某系統周期相等時，即觸發該系統過濾器反洗信號。與此同時，通過累加器對反洗次數（反洗信號）進行計數，以確定下一臺反洗的高速過濾器編號。通過時間觸發的反洗信號及反洗高速過濾器的編號，調用相應的高速過濾器程序塊，執行其反洗過程。當反洗到達該系統最后一只時，自動跳轉至第1臺，如此反復執行。為了方便手動干預某臺高速過濾器反洗過程，增加了手動操作功能，當某臺過濾器選擇手動反洗后，其立即進行反洗流程。為了避免手動干預時可能造成的同一系統多臺高速過濾器同時反洗，增加了任何一臺過濾器過濾反洗時，閉鎖其他過濾器反洗的功能。

在單臺高速過濾器的控制程序功能塊中，通過前述產生的反洗信號及對反洗高速過濾器的編號進行判斷，自動執行相關高速過濾器的反洗流程，實現了前述高速過濾器反洗時，相關閥門、反洗水泵、反洗風機等設備按照規定的工藝流程的要求進行動作。在該程序塊中，還設計有對過濾器相關閥門及設備的狀態進行判斷的功能，當某臺高速過濾器狀態不滿足反洗要求時（如有閥門故障），自動終止反洗流程，并產生報警信號。

在各PLC系統間的數據通訊功能程序塊中，采用雙邊編程的方式，各PLC按照約定的數據格式，讀取需要的數據，并給通訊伙伴發送相關數據，以協調各系統間設備的運行，并給下一步工藝流程提供相關數據。

在操作站HMI主畫面上，比較直觀的組態了整個工藝流程圖，通過該流程圖，操作人員能對整個工藝參數及主要工藝設備的狀態進行監視（見下圖）。該畫面通過相關操作按鈕，實現了任何一臺高速過濾器的自動反洗、手動反洗及禁止反洗等功能。在可通過相關按鈕切換的分畫面中，分別組態了相關流量及壓力等儀表信號的趨勢功能，借助此功能，操作人員能對某臺過濾器的運行狀態進行分析，從而比較方便的做出相應操作或者檢修決策。通過組態報警功能，能夠及時記錄相關報警信息，并觸發報警條及相關聲光報警裝置，以提醒操作人員做出正確的響應，并為故障原因分析提供了可靠的依據。

過濾器總覽監視畫面圖

4 結語

通過多年運行經驗表明，該套高速過濾器控制系統運行可靠，維護方便，工藝功能實現合理，作為一套成熟的控制模式，具有一定的推廣價值。

參考文獻：

[1]姜建芳.西門子S7300/400PLC工程應用技術.北京：機械工業出版社，2012.10.

[2]姜建芳.西門子WINCC組態軟件工程應用技術.北京：機械工業出版社，2015.6.

作者簡介：袁顯能（1982），男，本科，工程師，主要從事鋼鐵企業電氣設備技術管理工作。