冶金設備電氣傳動系統(tǒng)的智能控制

尹振亭，趙占國

（天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，科技水平提升，我國鋼鐵冶金行業(yè)的競爭壓力逐漸增大，因此企業(yè)在生產(chǎn)中紛紛采取創(chuàng)新模式，通過加大對信息化技術的應用提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率，有利于提高企業(yè)競爭力。PLC技術在電氣自動化控制中的應用非常關鍵，提高了自動化控制水平，因此PLC技術在鋼鐵冶金企業(yè)中的應用具有廣闊的發(fā)展前景，促進了我國鋼鐵冶金行業(yè)的長遠發(fā)展[1]。

1 基本概念概述

1.1 電力傳動系統(tǒng)

對于電力傳動裝置而言，其構(gòu)成部分主要由電動機、傳動機、控制設備，以及電源構(gòu)成，這些部件設計了能量的多種形式轉(zhuǎn)換，使得能量在電能、機械能之間進行密切的交換，進而將能源隨時調(diào)動為自己所需要的能源狀態(tài)，進而完成能量的分配且不會造成額外的浪費。在系統(tǒng)進行能量轉(zhuǎn)換的過程當中，一方面嚴格按照設定的程序進行運轉(zhuǎn)，另外一個方面也會結(jié)合當前自身的狀況做出積極的調(diào)整，起到一個簡要的自我保護機制，避免內(nèi)在能量過于龐大造成自身器件的損傷。而且伴隨著科技實力的逐漸加強，電能的運轉(zhuǎn)效率和運轉(zhuǎn)功率也越來越大，機械的自身屬性也越來越煩雜，技術水平越來越高，這不單單是對于機械自身體積的擴大化演變，更是對于其內(nèi)在構(gòu)造的復雜化和精密化演變。這一切演變的目的，都是為了更好的實現(xiàn)電力的運輸和調(diào)用。

1.2 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)，是基于現(xiàn)代的科技文化水平，從自動化逐步延伸過來的具備一定自我判斷能力的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的好處就在于可以大幅度精簡人工操作的反應時間，實現(xiàn)短時間內(nèi)的迅速反應，輔助人工進行一些復雜工程的實現(xiàn)，通常被運用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、通訊等領域，在冶金領域也有著很廣泛的使用場景。其中PLC就是最為常見的一種智能控制技術，PLC 是可編程邏輯控制器的簡稱，PLC 技術是一種編程技術，通過編程對設備發(fā)出指令，從而可以對機械設備的運行進行操作，通過PLC 技術的應用可以提高鋼鐵冶金行業(yè)的產(chǎn)能，提高機械設備運行的效率，從而實現(xiàn)高效生產(chǎn)。另外通過 PLC 技術的應用可以提高資源的配置率，減少對能源的浪費，保護環(huán)境節(jié)約資源，實現(xiàn)節(jié)約型生產(chǎn)[2]。

2 冶金設備電氣傳動系統(tǒng)的智能控制的具體應用

2.1 信息采集和輸入

基于冶金設備的新型自動化電氣控制技術，其關鍵就是能夠編程的控制芯片，工作人員可以按照應用場所的不一樣而采取不一樣的控制芯片。通常而言，一般會選擇的可編程控制器的芯片，其特征表現(xiàn)為單位面積比較小、重量較輕以及損耗較低。然而有些時候也會參考目前的形勢，工作人員會優(yōu)先選取有著比較快的運算速度以及儲存量比較龐大的控制芯片。基于冶金設備的新型自動化電氣控制技術中的信息采集與輸入是其計算過程的首先階段，在實現(xiàn)編輯指令的控制過程中，對設備工作區(qū)域進行綜合全面的掃描，采集到設備工作區(qū)域詳細的數(shù)據(jù)信息，并對設備工作區(qū)域的具體狀態(tài)進行整合評價與分析。

2.2 發(fā)送指令

在具體的冶金設備控制過程之中，會有諸多的控制變量，比方說壓力等，這些控制變量始終是處于一個動態(tài)環(huán)境之下的，聯(lián)系電氣設備的運行需求，自動化能夠市場的調(diào)改有關的控制變量狀態(tài)，聯(lián)系可編程控制器，能夠最大化的模擬出控制過程中的變量，借助于一定的手段，完成控制變量的轉(zhuǎn)換狀態(tài)，模擬出控制變量的安全性達到預期狀態(tài)，冶金設備對模擬量的運行追蹤，進而提供及時有效的控制手段。在實際的應用過程之中，必須完成對基本功能的設置，用戶選項能夠被系統(tǒng)及時查明出來，之后發(fā)出穩(wěn)定的程序指令，利用全面性的掃描設施，將設備工作現(xiàn)場的狀態(tài)評判出來，根據(jù)設備的基本運行情況，可編程控制器可以完成自動化的計算與評判[3]。

2.3 指令執(zhí)行

技術人員借助于冶金設備的自動化電氣控制系統(tǒng)的操作指令，之后根據(jù)一系列的標準與要求對設備工作區(qū)域進行動態(tài)掃描，并按照現(xiàn)場的實際情況與現(xiàn)場指令要求進行綜合的運算流程與分析。在自動化的電氣控制過程當中，絕對不可以缺少的就是對數(shù)據(jù)的有效控制，這是一種最為基本的控制手段，比方說統(tǒng)計內(nèi)容的控制、數(shù)學運算的控制，僅僅是就數(shù)據(jù)內(nèi)容的控制來說，數(shù)據(jù)的處理速度相應的就會比較高，利用基于冶金設備的新型自動化電氣控制技術能夠自主完成編程規(guī)劃，利用對數(shù)據(jù)內(nèi)容的分析，進一步實現(xiàn)自動化的電氣指令。

2.4 數(shù)據(jù)信號分析

當冶金設備的控制變頻器開啟之后，其速度傳感器就會檢測出目前工作設備的扇風機速度，并立即將信號轉(zhuǎn)變?yōu)?mA～30mA的模擬電流信號，并送進設備的模擬量擴展環(huán)節(jié)中作為實際測速值；冶金設備接收到速度信號以后就會立即和既定的速度值進行對比，同時與底部傳感器測評到的其他參數(shù)進行對比，進而計算出控制量從模擬量擴展模塊輸出值為0V～10V的電壓信號變頻器，變頻器按照輸進電壓信號的變化幅度，控制電動機進行調(diào)整，從而控制處在工作狀態(tài)的扇風機的具體數(shù)目，以及扇風機的運行參數(shù)，進而完成自動化電氣控制。在冶金設備的運行過程中，比較常見的生產(chǎn)原料與產(chǎn)品稱重，是需要同時把獲取數(shù)據(jù)進行有效整合的，這均是目前階段基于冶金設備的新型自動化電氣控制技術在實際應用過程中能夠在短時間完成的，其在一定意義上大大提高了設備的自動化控制程度，從為冶金行業(yè)的生產(chǎn)效率提供了有力保證。

3 PLC在鋼鐵鋼渣處理線系統(tǒng)的應用實例

本文研究的鋼渣處理線主要設備有卷揚機、鏈板給料機、皮帶機、鄂破機、除鐵器、振動篩、振動給料機、棒磨機、回轉(zhuǎn)篩和精選機。其中，由于棒磨機的功率高達500kW，選用了10kV高壓電機，其他電機都是使用380V三相交流異步電機。除了以上設備外，生產(chǎn)線還有一些輔助設備，比如報警器、盤車、水泵、皮帶秤、電動執(zhí)行閥、除塵器等。PLC 系統(tǒng)是整個自動化控制系統(tǒng)的核心部分，也是自動化系統(tǒng)的大腦。控制柜設計及元器件選型是否合理，關系著整個系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運行。

3.1 PLC選型

根據(jù)輸入輸出點統(tǒng)計，本項目需要配置DI數(shù)量為184個，DO數(shù)量為77個，合計共261個點數(shù)。PLC按照點數(shù)可以分為小型、中型和大型PLC，其中小型PLC點數(shù)一般在128點以下，中型PLC點數(shù)在128～2048點之間，大型PLC點數(shù)在2048點以上，所以本項目采用中型PLC。

3.2 PLC硬件配置

西門子中型PLC主要有S7-300系列，CPU模塊主要分為緊湊型、標準型、運動控制型和故障安全型這四種。本項目對運動控制和故障安全沒有特殊要求，支持運動控制和故障安全的CPU成本較高，所有本項目不采用這兩種。本項目采用西門子中型PLC，需配置一路RS485/MPI接口，用于監(jiān)控鄂破機，一路網(wǎng)絡接口，用于編程調(diào)試和中控監(jiān)控，還需配置RS485/MODBUS接口，用于采集儀表數(shù)據(jù)。在對CPU選型時，出于成本考慮，在滿足技術要求的前提下，盡快選用成本較低的方案。通過對緊湊型和標準型CPU進行技術和成本方面對比，本論文CPU模塊選用的型號是CPU 314C-2 PtP，該CPU模塊本體集成了24路數(shù)字量輸入，16路數(shù)字量輸出，5路模擬量輸入和1路模擬量輸出，本體上也集成一個RS485接口和一個網(wǎng)絡接口。按照前面統(tǒng)計的DI/DO點數(shù)，配置了5個32點數(shù)字量輸入模塊和2個32點數(shù)字量輸出模塊，實際DI點數(shù)為184個，DO點數(shù)為80個，該配置滿足需求。CPU 314C-2 PtP本體上集成了一個RS485接口，該接口支持MPI/DP協(xié)議，該接口可以作為鄂破機通信接口。通過MODBUS通信協(xié)議的設備共有52臺，若將52臺設備全部用一個RS485進行采集的話，數(shù)據(jù)更新周期較長，若出現(xiàn)幾臺設備出現(xiàn)通信故障，數(shù)據(jù)更新時間將會更長，考慮到通信掃描周期，配置兩個RS485/MODBUS接口進行采集數(shù)據(jù)。PLC硬件配置如圖1所示。

圖1 PLC硬件配置

本項目采用了兩臺S7-200 SMART作為MODBUS主站，其中一臺專門采集皮帶機數(shù)據(jù)，其余儀表掛在另一臺S7-200 SMART上。CPU本體沒有集成RS485/MODBUS接口，需另外配置模塊，S7-300中通信模塊CP 341支持MODBUS協(xié)議，CP 341可以配置成MODBUS主站或者從站，CP 341模塊加上MODBUS授權(quán)成本突破萬元，出于成本的考慮，在本系統(tǒng)中不考慮這種通信方式。西門子PLC在網(wǎng)絡通信方面比較強大，不同系列的PLC可以通過網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交互，采用西門子小型PLC作為采集數(shù)據(jù)MODBUS主站，可以大大節(jié)省成本，在本系統(tǒng)中采用西門子S7-200 SMART系列 PLC，型號為 ST20，空開、中間繼電器采用施耐德品牌，端子排采用魏德米勒品牌。在 PLC程序編程和組態(tài)畫面設計完成后，可以利用西門子仿真軟件 S7-PLCSIM 進行調(diào)試，可以減少現(xiàn)場調(diào)試時間和成本。

3.3 應用成果

系統(tǒng)調(diào)試完成后，交付給客戶使用，到目前為止，系統(tǒng)穩(wěn)定運行，運行情況良好，基本達到使用要求。

綜上所述，在鋼鐵冶金行業(yè)中應用 PLC 技術可以提高生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，并降低生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的危險系數(shù)，保障工作人員的安全。隨著我國鋼鐵冶金行業(yè)的不斷發(fā)展，PLC 技術的應用領域擴大，在各環(huán)節(jié)中 PLC技術的應用可以發(fā)揮自動化水平，提高鋼鐵冶金的技術，實現(xiàn)系統(tǒng)精準化控制。在未來發(fā)展過程中要加大對自動化控制技術的研發(fā)，完善 PLC 技術的應用，優(yōu)化傳統(tǒng)生產(chǎn)流程，促進我國鋼鐵冶金行業(yè)的長遠發(fā)展。