基于西門子PLC技術的冶金工業自動化控制技術分析

劉俊

方大特鋼科技股份有限公司，江西南昌，330012

0 引言

西門子PLC是產自德國的可編程控制系統，可廣泛應用在化工生產、冶金生產以及印刷生產領域。由于西門子PLC的運行速度快、體積小，可靠性較強，所以，PLC的應用能夠有效提高冶金生產自動化水平，生產效率也隨之提高，生產質量得到保證。隨著計算機技術的快速發展，冶金工業生產在計算機技術的加持下發展迅速，西門子PLC的應用能夠將監控系統、現場總線和工業網絡加以整合，能夠實現對冶金生產重要流程的監控。

1 西門子PLC技術相關介紹

1.1 西門子PLC工作原理

通常而言，應用西門子PLC進行冶金自動化生產管理，PLC技術的應用流程可以劃分為三個階段，來完成生產過程的自動化控制。第一階段為輸入采樣；第二階段為用戶執行程序；第三階段為輸出刷新。以上三個階段組成掃描周期，應用PLC技術依托計算機CPU輸入以上程序。輸入采樣環節，可以利用PLC技術，通過掃描方式，讀取工作模塊、相關數據，存儲于I/O映像區單元。采樣階段完成以后，進入到用戶程序的執行、輸出刷新等階段。后兩階段的運行，即便是采樣階段存在數據狀態方面的變化，也不會對相同時間數據處理、控制結果造成影響。一旦用戶執行程序，需要重點對程序內部特殊指令進行管理。輸出刷新環節，是在用戶掃描信息以后，此時PLC就會重新進入刷新環節，CPU也會結合I/O映像區中的數據，將鎖存電路輸出，通過電路驅動，外部設置連接設備，實現PLC對生產環節的控制[1]。

1.2 PLC技術應用機型選擇

因為西門子PLC應用過程的控制性能各不相同，控制機型也各有不同，分為低檔、中檔、高檔三種。利用低檔類型控制器，其僅具備初級運算和控制等功能，可以滿足冶金生產自控系統效率方面的要求，但是能夠加載模塊的數量相對較少，常見的有S7-200型號。中檔機的編程控制器，無論是運算能力還是控制能力都有一定程度提升，既可以完成簡單的數據計算，又能完成復雜類型三角函數、PID以及指數運算，工作效率較高，可搭載模塊種類、數量均相對較多，常見的有S7-300型號。高檔機的運算能力、數據處理能力都相對較強，可以完成邏輯運算、指數運算、三角函數運算以及PID運算，還能實現復雜矩陣方面的運算。由于其運行速度相對較快，能夠容納或者搭載模塊種類較多，因此，能夠應用于大規模冶金生產流程的控制。高檔PLC設備可以充當主站架構，輔助網絡連接。S7-400就是典型的高檔機型。PLC技術應用階段，組合形式有多種，有疊裝式，也有整體式和組合式結構，能夠實現PLC技術的匹配，滿足從簡單到復雜控制流程方面的需求。按照控制模塊使用需求，對于PLC機型進行選擇。選擇過程，還需要考慮任務數量，模塊的設定應該通過AI/AO、DI/DO點數綜合確定。按照點數相關數據，完成PLC技術組裝、設定管理任務，達到生產環節控制需求。通常來講，控制點數收集數量不足100個，可以選擇低檔的PLC設備；控制點數不足1000個，可以選擇中檔PLC設備；控制點數超過1000個，則需要選擇高檔PLC設備[2]。

1.3 PLC技術應用保養方法

在應用西門子PLC技術階段，對于設備長期保養是延長其使用時間的重要措施。相關人員需要定期對設備采取調整和測試管理，每個季度檢查一次，重點對于PLC柜內部端子的連接情況進行全面檢查，如果發現存在松動的情形，應該重新對其進行固定和連接。PLC柜內部電源的電壓狀態也需要每月測量。季度清掃應該將PLC電源切斷，拆卸輸入和輸出設備以及CPU主板，經過仔細吹灰和清掃，重新安裝恢復原位。針對PLC箱體內部的清理，每三個月進行一次，將電源架位置過濾網更換。檢修以前準備保護裝置、防靜電裝置，及時與調度人員進行溝通，保證檢測環節安全。使用數字電表測量電壓，拆裝RAM模塊需要將PC端電源切斷，如果CPU版QVZ燈亮起，即可拆卸I/O板，預防拆卸過程的靜電。

2 西門子PLC技術在冶金工業自動化控制的應用方向

2.1 應用于物料跟蹤

冶金工業生產環節，原料投入的比例控制對于成品結構、成分組成都會產生一定程度的影響。應用自動化技術對于生產物料進行跟蹤，能夠對原料配比精細化控制。冶金生產反應階段可能由于設備故障和原料質量方面問題導致反應過程不充分。此時，需要針對物料參與反應的流程進行追蹤，明確原料的固、液、氣等狀態變化及分布情況。物料追蹤系統通常是由檢測儀表、記錄裝置等組成。如果要對鋼坯進行追蹤，還需要在軋制線上安裝紅外檢測器，此裝置為西門子PLC。反應加工階段，檢測裝置能夠發射紅外線，對于運動狀態軋件進行掃描，此時，檢測器信號能夠通過計算機方式讀取并傳輸，有兩種結果，分別為0、1，其中“0”表示“無物料”，“1”代表“有物料”，以上信號都能直接傳輸至計算機段，由西門子PLC負責對所有控制參數進行記錄，跟蹤所有軋件編號。

2.2 應用于設備監測

使用西門子PLC對于冶金生產設備的狀態進行監測，監測系統主要由接觸器、電氣電路、按鈕開關、輸入和輸出模塊，還有拓展設備。使用傳感器、開關按鈕、電磁閥共同組成監控電路，利用系統對設備運行狀態進行監測。可以監測設備溫度、流量。比如：冶金生產階段，熱爐內部的風量、溫度存在不可控性，控制系統包括控制器、執行機構，用西門子PLC可以直接控制設備開關，使用PLC編寫程序，控制開關量，按照程序確認設備運行先后順序，同時，運行時長和運行時間也高度可靠，能夠實現順序控制[3]。

2.3 應用于參數控制

冶金生產階段，工藝參數的控制和監測也可通過西門子PLC技術完成。通常而言，壓力參數、濕度參數都是監測重點。如若參數偏離正常值，就會對冶金產品品質造成影響，甚至發生嚴重事故。產品性能、數量和尺寸既可以使用物理手段進行控制，又可以使用機械或者電氣手段控制，PLC的應用就是電氣控制手段，通過預先計算，將工藝參數模擬出來，應對正常狀態浮動范圍加以明確，利用計算機傳遞設備狀態，程序就能自動化運行。如果工藝參數處于特定范圍之內，則工藝能夠正常運行，相反，如果工藝參數超出正常范圍，電路即可自動關閉，停止工藝流程。

2.4 應用于實時控制

通過西門子PLC的運用，能夠以自動化方式對于生產操作進行實時控制，包括分布控制、集中控制兩種情況，由于以上控制方式流程不同，分布控制是每個程序只負責對相同設備編程，集中控制是通過PLC控制特定操作流程。要實現實時控制目標，在西門子PLC的使用之下，技術模塊相對于不同類型電氣元件都有不同類型屏蔽系統，所以需要保證元件質量、電磁輻射屏蔽能力達到要求。所有具備屏蔽功能的程序模塊可向控制中心傳輸信息，工作人員對于操作狀態隨時觀察。因為冶金生產流程必然會產生工業廢渣，廢渣內部含有重金屬，可能對生態環境造成破壞。所以，實時操作的控制還需要關注生產以后處理廢料問題，控制冶金工業對于環境造成的負面影響。

3 西門子PLC技術在冶金工業自動化控制的應用實例

冶金生產，配料環節涉及諸多原料配比，如果利用人工操作對配比進行計算，能夠達到單一設備生產需求。但是，如果生產環境發生變化，物料和數量需要更改，還需要重新稱量計算，過程消耗人力成本較高。選擇西門子PLC（S7-400型），可以利用變頻調速方式打造配料系統，通過人機對話，完成物料輸送、配方設計以及物料輸送，兼具生產管理功能。冶金配料環節，通過PLC系統管理物料，提前設定物料配比，利用電子皮帶秤對皮帶輸送機所輸送物料進行測量，實現對稱重、輸送環節的全程控制。同時，PLC還能檢測系統存在的故障，具備報警功能，將變頻器信號輸出，對于下料系統運行速度和皮帶速度進行調節。以下對于西門子PLC在配料系統中的設計和應用流程進行分析[4]。

3.1 系統原理

配料系統運行過程原理為，對于下料采取閉環控制，通過電子皮帶秤完成物料計量，通過PLC獲取稱重信號、變頻器信號，處理之后變為瞬時的物料量，物料信號利用以太網向工業上位機傳輸，同時，PLC還能通過程序計算得出下料量理論值，利用AO模塊轉換，變為電流信號，向下料變頻器當中傳輸，之后通過變頻調節器的震動，輔助給料機轉動。如果流量增加，給料機的轉速會降低；反之轉速升高，讓物料流量、階段累積量處于合理范圍之內，保證生產質量。

3.2 組成結構

系統組成部分有PLC控制器，上位工控機、變頻器和稱量儀表。進料部分主要是指料倉到設備執行器，可以按照物料特征不同，對于給料設備進行選擇。比如可以選擇電磁振動類型給料機，還可選擇螺旋給料機。系統的稱重部分是由稱重顯示器、傳感器與接線盒共同組成，檢測稱量物料存在的誤差。卸料可以選擇稱重或者卸料設備，組成部分包括給料機、空閥與電動閥，能夠按照現場工藝條件對于材料進行選擇。配料系統由PLC控制器、稱重儀表以及上位機組成。利用校正系統對于計量系統的傳感器進行定期調整，提高計量準確性。

3.3 網絡結構

配料系統通信處理用以太網完成，將處理模塊和工業以太網連接，冶金配料管理系統的總線配備工業級環網交換機，建立以太網環狀架構，環網通信速度能夠達到100Mbit/s。在系統終端配置西門子以太網交換機，可以連接操作站和工程師站，由操作人員對于歷史數據進行記錄，還可記錄物料比更改、事件順序以及報表信息等。在工程師站還配置西門子通信網卡，輔助控制站的現場通信。

3.4 程序監控

冶金系統配料管理選擇西門子PLC（S7-400）系統展開全自動控制，系統中主要程序選擇LAD語言進行編寫，能夠對主要流程進行同步控制。因為LAD語言理解相對容易，有助于維護人員對于控制邏輯的升級和優化。配料系統在運行過程存在聯鎖條件相對較多，并對工藝控制的要求相對較高。系統內部選擇安全程序數量高，確保安全程序、標準程序間能夠相互調用，便于I/O模塊全面采集冶金工藝流程信息，所有數據借助模塊處于安全狀態之下運行[5]。

配料系統配置西門子管理系統，HMI的上位監控軟件選擇Wincc，其可與PLC系統之間緊密結合，組態過程高效簡便。因為配料系統中的畫面可對現場變頻器、電子秤和機電設備運行狀態進行監控，借助操作畫面遠程完成設備全自動控制。由于HMI具備報警程序，通過報警信息欄可以實時獲取現場中的設備狀態，將故障信息顯示出來，能夠維護設備應用的可靠性。冶金配料管理系統的應用，便于操作人員對于生產過程相關設備的運行參數、運行狀態進行全面監控，通過邏輯運算和邏輯判斷，讓設備安裝設定程序展開操作，保證配料系統的使用安全。

3.5 控制流程

物料系統運行階段，加料設備可以傳送物料，將其送至配料皮帶秤，此時利用速度和稱重傳感器可以向皮帶秤儀表發送速度、稱量信號。皮帶秤的儀表在輸送物料的時候可以瞬時顯示流量，還能顯示計量數據，模擬瞬態電流，通過標準化方式向PLC系統當中發送，系統內部設置單回路程序，可以對比設備實際值和定值，輔助PID調節。調節器可以按照測量值、設定值之間的偏差，借助變頻器對于皮帶秤驅動速度進行調整，保證冶金生產過程進料流量的精度。因為使用者可以對下料速度進行設定，能使物料流量達到恒定狀態。同時，因為冶金配料管理系統當中設置單回路調節運行模式，所以如果物料下料有瞬時變化，就會對多個物料配比造成影響，此時，可利用調節器控制，更改下料電機的變頻器運行頻率，改變單個回路控制參數，不斷提高系統控制質量。針對冶金生產物料配比管理，可由編程人員提前在上位畫面當中設置配比方案，并從中選擇一種，此時，系統即可按照設定程序，對于物料的下料過程加以處理。如若生產環節有加入特殊物料，操作員還可對參數進行人為設定，以達到冶金生產環節工況不同對物料配比方面的差異化需求[6]。

4 結語

綜上分析，西門子PLC的應用能夠輔助程序存儲、順序控制以及邏輯運算等功能實現，通過數據模擬，完成數據的輸入輸出，輔助工業生產。因為PLC控制操作相對簡單，且安全性高，因此逐漸取代傳統繼電控制裝置，在PLC快速發展過程中，還可與信號處理、計算機技術融合應用，按照用戶需求，打破邏輯控制局限性，并對生產全程加以控制。冶金企業在生產過程中可以根據需求，選擇和應用西門子PLC，注意機型選擇和保養措施，充分發揮技術優勢，促進冶金行業快速發展。