基于西門子S7300PLC的某軋鋼水處理高速過濾器控制系統(tǒng)

摘要：本文對某軋鋼廠的高速過濾器的工藝流程、控制系統(tǒng)硬件、控制系統(tǒng)編程軟件及組態(tài)軟件、相關(guān)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(tǒng)多年的成功運行經(jīng)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(guān)鍵詞：高速過濾器；控制；PLC

某軋鋼廠循環(huán)水處理設(shè)施按照水處理工藝分為A、B、C三個子系統(tǒng)，主要為軋線加熱爐、空壓站、軋輥和機架等設(shè)備提供循環(huán)冷卻水。為了節(jié)約水資源，保護環(huán)境，需要對水進行相應處理以使水質(zhì)達到循環(huán)利用條件，該區(qū)域設(shè)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(shè)施。在過濾工藝環(huán)節(jié)，共配置了29臺高速過濾器，以濾除水中雜質(zhì)。過濾清水循環(huán)利用，污水則經(jīng)后續(xù)水處理工藝進一步處理，最終壓成泥餅環(huán)保利用。其中，A系統(tǒng)2臺，B系統(tǒng)5臺，C系統(tǒng)22臺，另設(shè)置了若干數(shù)量的過濾泵、反洗泵及反洗風機等水處理工藝設(shè)備，組成一套完成的循環(huán)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(shè)置有7只電動閥，以控制過濾器進水和排水，實現(xiàn)過濾器運行狀態(tài)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(shè)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(tài)。

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(tài)，當過濾器濾料中的雜質(zhì)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(jù)差壓和定時兩種反洗模式，現(xiàn)場實際應用時，一般采用定時反洗模式，以便于協(xié)調(diào)規(guī)劃各只過濾器反洗時間，避免出現(xiàn)多只過濾器同時反洗從而對系統(tǒng)水量、壓力等參數(shù)造成較大波動等情況。根據(jù)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(tài)轉(zhuǎn)為反洗狀態(tài)信號，過濾器所有閥門關(guān)閉。②檢測到所有閥門均關(guān)到位后，1#閥反洗水出水閥打開。③1#閥反洗水出水閥關(guān)到位后，5#閥初濾水排水閥打開。④經(jīng)延時5分鐘后，5#閥初濾水排水閥關(guān)閉。⑤5#閥初濾水排水閥關(guān)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(guān)閉7#閥風洗進氣閥。⑧7#閥風洗進氣閥關(guān)到位后，停止反洗空壓機。⑨反洗空壓機停止運轉(zhuǎn)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(guān)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(guān)閉4#閥反洗水進水閥。B14待4#閥反洗水進水閥關(guān)到位后，打開2#閥過濾水進水閥。B152#閥過濾水進水閥關(guān)到位后，關(guān)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(guān)到位后，結(jié)束過濾器反洗狀態(tài)，進入正常過濾狀態(tài)，待下一個反洗周期，由時序控制循環(huán)運行。

2 基于西門子S7300的控制系統(tǒng)介紹

為了實現(xiàn)以上工藝要求，使用西門子S7300PLC控制系統(tǒng)，分別對三個系統(tǒng)的設(shè)備進行監(jiān)視和控制。SIMATIC S7300是西門子公司通用型PLC，能夠滿足一般設(shè)備的中、小規(guī)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(shù)規(guī)范和性能參數(shù)。其主要技術(shù)指標主要包含CPU的內(nèi)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(tài)指示燈，能夠反映CPU的運行情況，維護人員能很方便根據(jù)指示燈信息及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)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(shù)功能型和故障安全型等。現(xiàn)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W(wǎng)INCC組態(tài)軟件，該軟件能為操作員提供友好監(jiān)視及控制功能界面。該組態(tài)軟件主要提供了人機交互（操作員通過畫面點擊鼠標實現(xiàn)對設(shè)備的操作）、數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控（在操作畫面上，很直觀的展示了設(shè)備運行狀態(tài)及采集到的實時工藝參數(shù)）、通訊（與S7300PLC及網(wǎng)絡上其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)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(yè)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(shù)據(jù)采集監(jiān)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(jié)構(gòu)中起著銜接的重要作用。

為了使設(shè)備按照規(guī)定的工藝過程動作，需要使用STEP7編程軟件。通過該軟件，組態(tài)S7300PLC硬件系統(tǒng)及通訊網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，根據(jù)工藝系統(tǒng)要求，編制相關(guān)設(shè)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(huán)掃描和執(zhí)行相關(guān)邏輯程序，控制相關(guān)設(shè)備的運行，并采集相關(guān)儀表等過程數(shù)據(jù)，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(tǒng)的實現(xiàn)

在本控制系統(tǒng)中，根據(jù)工藝系統(tǒng)A/B/C的劃分，控制系統(tǒng)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(xié)議，各閥門、現(xiàn)場設(shè)備及現(xiàn)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(yè)以太網(wǎng)，通過以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議，進行相關(guān)數(shù)據(jù)交換。操作站HMI操作系統(tǒng)為WIN7 professional，PLC邏輯編程及硬件組態(tài)軟件選用了STEP7 V5.5，HMI操作站組態(tài)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(xié)調(diào)控制、單臺高速過濾器的控制及各PLC系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通訊。

在各高速過濾器協(xié)調(diào)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(chǎn)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(shù)，與設(shè)定的反洗周期進行比較，當該計數(shù)值與某系統(tǒng)周期相等時，即觸發(fā)該系統(tǒng)過濾器反洗信號。與此同時，通過累加器對反洗次數(shù)（反洗信號）進行計數(shù)，以確定下一臺反洗的高速過濾器編號。通過時間觸發(fā)的反洗信號及反洗高速過濾器的編號，調(diào)用相應的高速過濾器程序塊，執(zhí)行其反洗過程。當反洗到達該系統(tǒng)最后一只時，自動跳轉(zhuǎn)至第1臺，如此反復執(zhí)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(tǒng)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(chǎn)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(zhí)行相關(guān)高速過濾器的反洗流程，實現(xiàn)了前述高速過濾器反洗時，相關(guān)閥門、反洗水泵、反洗風機等設(shè)備按照規(guī)定的工藝流程的要求進行動作。在該程序塊中，還設(shè)計有對過濾器相關(guān)閥門及設(shè)備的狀態(tài)進行判斷的功能，當某臺高速過濾器狀態(tài)不滿足反洗要求時（如有閥門故障），自動終止反洗流程，并產(chǎn)生報警信號。

在各PLC系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)格式，讀取需要的數(shù)據(jù)，并給通訊伙伴發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)，以協(xié)調(diào)各系統(tǒng)間設(shè)備的運行，并給下一步工藝流程提供相關(guān)數(shù)據(jù)。

在操作站HMI主畫面上，比較直觀的組態(tài)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(shù)及主要工藝設(shè)備的狀態(tài)進行監(jiān)視（見下圖）。該畫面通過相關(guān)操作按鈕，實現(xiàn)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(guān)按鈕切換的分畫面中，分別組態(tài)了相關(guān)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(tài)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(tài)報警功能，能夠及時記錄相關(guān)報警信息，并觸發(fā)報警條及相關(guān)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(jù)。

過濾器總覽監(jiān)視畫面圖

4 結(jié)語

通過多年運行經(jīng)驗表明，該套高速過濾器控制系統(tǒng)運行可靠，維護方便，工藝功能實現(xiàn)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(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2012.10.

[2]姜建芳.西門子WINCC組態(tài)軟件工程應用技術(shù).北京：機械工業(yè)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(yè)電氣設(shè)備技術(shù)管理工作。