基于PLC的小型高爐熱風爐控制系統設計研究

史琳蕓

(寶雞職業技術學院，陜西 寶雞 721301)

隨著我國經濟的穩步增長，使鋼鐵產業的規模逐漸擴大。高爐對于鋼鐵產業規模的擴大起到了舉足輕重的作用。但是高爐因爐齡過長，其內部設備易出現老化現象，將傳統高爐與新建高爐相比，傳統高爐內部自動化設備與新建高爐之間的差異性較大，可直接影響高爐鐵水的產量，并且老化的設備易使高爐出現一定安全隱患。為此，本研究提出一種基于PLC的小型高爐熱風爐控制系統設計方案，該方案可改善工人的工作環境，有利于降低工人的勞動強度。

1 基于PLC的小型高爐熱風爐控制系統總體方案設計

本研究為實現對小型高爐熱風爐工藝設備和檢測儀表的監視和控制，充分結合熱風爐生產工藝工序的特點，設計出一套可實現熱風爐生產操作的基礎自動控制系統，并設計出兩套上位機系統，其中一套上位機系統用于小型高爐熱風爐控制系統中，另一套上位機系統作為備用機，兩套上位機系統之間處于相互獨立的狀態。在上位機系統的支持下，可實現高爐熱風爐工藝過程的全面監控，監控畫面最終以畫面的形式呈現給工作人員。為實現網絡的實時在線通信，向熱風爐控制系統內部接入工業以太網，以此構成完善的高爐區域局域網絡系統，工作人員通過高爐主控室即可實現對熱風爐工藝過程的集中監控。

為保證熱風爐控制系統的安全性、可靠性，本研究采用非冗余的設計方案完成熱風爐控制系統的設計。熱風爐工藝操作的控制方式包括4種：全自動、半自動、手動以及檢修操作控制方式，采用手動操作控制方式和檢修操作控制方式對熱風爐進行控制時，便于工作人員對熱風爐控制系統內部設備進行檢修以及開爐、停爐操作[1]。

1.1 全自動操作控制方式

該控制方式主要包括送風時間設定和溫度設定兩種，采用該方式對熱風爐進行控制時，應將系統預先設定的送風時間或爐頂溫度作為主要依據，按照程序或者連鎖方式的順序控制每個閥門的動作，以此實現熱風爐的自動送風換爐。送風時間設定完畢后，等待一座熱風爐送風時間結束，將其轉換為燃燒狀態，并將下一座準備好送風的熱風爐轉換為送風狀態。溫度設定實際上是將熱風爐燃燒到系統需要的拱頂溫度，達到拱頂溫度后將其轉換為送風狀態。為有效防止系統出現熱損失，在熱風爐處于送風狀態時，對熱風爐進行燜爐操作。若熱風爐為直接轉換為送風狀態，需要將該座熱風爐轉為燃燒狀態，并將下一座準備好送風的熱風爐轉為送風狀態[2]。

1.2 半自動操作控制方式

工作人員采用該方式控制熱風爐時，可將現場采集的信號作為依據，以此查看各個熱風爐的燃燒狀態。判斷熱風爐的拱頂溫度或者壓力是否達到換爐條件，通過手動方式實現換爐操作。換爐過程僅需操作員按下操作按鈕即可完成任務，熱風爐的每個閥門動作需要按照程序設定或聯鎖方式執行。采用半自動操作控制方式可最大限度地減輕操作員的工作強度，并有效降低操作員的出錯概率。

1.3 手動操作控制方式

采用手動操作方式控制熱風爐時，需要操作員架構閥門連鎖按鈕達到連鎖方式上，該過程應嚴格遵循操作規程，并按照開閥或者關閥執行熱風爐的送風、換爐等操作。操作員對熱風爐進行操作過程中，需一直保持閥門的聯鎖方式，最大限度地避免操作員出現錯誤操作[3]。

1.4 檢修操作控制方式

該控制方式主要用于熱風爐的檢修和前期調試，采用檢修操作方式控制熱風爐時，操作員應充分結合熱風爐的實際情況，選擇單獨操作一個閥門，操作過程無需受任何閥門之間聯鎖關系的制約。

2 基于PLC的小型高爐熱風爐控制系統硬件設計

2.1 可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器的掃描周期包括3個階段：輸入采樣、用戶程序執行以及輸出刷新。在實際操作過程中，該控制器將3個階段作為一個掃描周期，以此實現熱風爐的循環掃描。由中央處理單元內部CPU完成可編程邏輯控制器的整個工作周期掃描速度的設定，該過程需要反復制定控制器的掃描周期。可編程邏輯控制器組成結構如圖1所示[4]。

圖1 可編程邏輯控制器組成結構圖

本研究對熱風爐控制系統進行設計時，選用S7-400型PLC作為系統的核心設備，有利于提高熱風爐控制系統的運行速度。該控制器具有較高的運行速度、通訊性能以及兼容性等特征，可廣泛應用于中、大型控制系統。為最大限度地降低熱風爐控制系統的開發成本，在S7-400型PLC的基礎上結合ET200M型PLC，將兩個型號控制器充分融合，有利于提高熱風爐控制系統的可靠性。

西門子S7-400型PLC包含多個通訊方式，其中MPI多點接口網絡可作為S7-400型PLC眾多通訊方式中的代表。MPI多點接口網絡可用于編程結構，同時可作為數據通信接口。通常情況下，MPI多點接口網絡主要集成在CPU內，可同時連接編程器、計算機以及HMI系統等。

將S7-400型PLC作為熱風爐控制系統的主站，借助西門子IM153接口模塊擴展控制分站。在PROFIBUS-DP通信網絡的支持下，向熱風爐控制系統內增加ET200M模塊，以此組成分布式S7-400控制系統。ET200M模塊可實時采集系統內數字量信號以及模擬量信號，并將信息發送至現場設備，實現對現場設備的控制[5]。

2.2 西門子STEP7編程軟件

本研究采用西門子STEP7編程軟件完成熱風爐控制系統的程序編寫，該軟件的界面為全英文，具有較強的算數功能、編程簡單、集成度高等特點，可直面于客戶。該軟件內部包括用戶程序的塊結構，用戶快由程序代碼和用戶數據共同組成，可用于處理循環調用。該軟件的編程方式包括三種：線性程序、分布式程序、結構化程序。為最大限度地提升軟件工作效率，需將三種編程方式混合使用，以此增加程序的可讀性。西門子STEP75.5用戶程序的塊結構如圖2所示。

圖2 西門子STEP75.5用戶程序的塊結構

用戶塊結構中OB為周期掃描運行接口，可用于模塊的調用與管理，該組織塊具有節約時間成本的優勢。功能塊FB內部包含存儲區，可用來傳遞參數數據。功能FC不包含存儲器，在實際應用過程中無需帶背景數據塊。數據塊DB在系統中主要負責運行系統所需數據。系統塊在該軟件中不占用程序存儲空間。西門子STEP75.5用戶程序塊類型如表1所示[6]。

表1 西門子STEP75.5用戶程序塊類型

STEP75.5程序循環執行過程為：首先，為執行程序通電，等待啟動塊上電后執行一次掃描，將現場設備的狀態信息以及讀入至映像寄存器中；其次，檢查系統中斷狀態，執行STEP75.5程序，將CPU處理器作為主站，采用全雙工的方式實現通信；最后，執行CPU硬件的自我診斷方式，等待OB塊運行一周后，對CPU的輸出映像存儲區進行輸出刷新，通過相應的輸出模塊控制熱風爐控制系統現場設備。

森圖斯自2002年以來一直從能源部租借K-1600，開展先進鈾濃縮離心機的試驗和示范工作。與此同時，該公司在其同樣位于橡樹嶺的技術和制造中心(TMC)開展離心機的制造、工程和設計工作。

2.3 WINCC監控系統

本研究采用WINCC監控系統組態上位機作為熱風爐控制系統的監控設備，WINCC具有較強的功能性，其內部集成大型數據庫SQL Server，可用于熱風爐生產過程的實時監控。將WINCC應用于熱風爐控制系統中，無需對WINCC的計算機參數進行單獨設置，將其與編程軟件STEP7建立通信連接，即可減輕工作人員的工作量。WINCC軟件內部包含工控機IPC-7120機箱英特爾酷睿22.6G CPU，前置I/O接口，可支持LGA775 PENTIUM4處理器，全部I/O接口均位于前面板上[7]。

2.4 熱風爐控制系統通訊網絡

本研究選用Profibus總線作為熱風爐控制系統的通訊網絡，該通信網絡可實現現場設備的集中控制，有利于避免外界干擾因素對熱風爐控制系統產生影響，實現現場設備向車間管理的轉換。Profibus總線由Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA共同組成，其中Profibus-DP為分布式外圍設備，Profibus-FMS為現場總線報文，Profibus-PA為過程控制自動化。為最大限度地提高熱風爐控制系統的抗干擾能力，選用工業以太網作為該系統的核心網絡。以太網的通用性較強，可適用于多種嚴酷的工業環境，其內部包含處理集成模塊，可實現電信號和光信號之間的轉換，便于程序員完成系統的程序開發。

本研究設計的小型高爐熱風爐控制系統的通訊控制網絡主要包括兩層：第一層為工業以太網，工業以太網主要由交換機和S7-400CPU連接而成，可通過WINCC系統將工藝參數的設定值以及電氣設備的控制狀態上傳至下位機，由WINCC系統監控界面負責實時顯示熱風爐的工作狀態；第二層主要由S7-400PLC組成，通過PROFIBUS-DP與分布式ET200M即可組成主-從系統(單主站)通信網絡，該過程需要借助接口模塊IM153-2。

2.5 熱風爐自動化儀表參數

該系統的儀表參數主要用于實時顯示熱風爐的生產狀態，可為操作人員提供可視化的物理過程參數。對熱風爐控制系統的程序進行設計時，可將熱風爐自動化儀表參數作為主要依據，實現報警參數的設定。為最大限度地提高熱風爐生產效率，可在系統運行參數超過設定范圍時，采用相應的報警模式，提示工作人員對系統的異常狀態進行檢查。熱風爐自動化儀表參數如表2所示。

3 基于PLC的小型高爐熱風爐控制系統軟件設計

本研究對熱風爐控制系統的軟件部分進行設計時，按照層級結構將熱風爐控制系統的軟件部分劃分為4個階段：底層數據交換、控制層面、系統層面以及數據庫層面。不同階段的組成結構各不相同。

3.1 底層數據交換階段

該階段的軟件工具由硬件網關廠家Prosoft開發，可與AB版卡的外形具有一致性，支持直接使用AB背板，具有較強的兼容性，可與Rslogix5000控制軟件之間直接組態。在該階段的支持下，有利于提高熱風爐控制系統的穩定性[8]。

3.2 控制層面

3.3 系統層面

該層面主要由Honeywell Experion PKS控制軟件完成熱風爐控制系統操作畫面的制作，操作畫面制作完畢后，利用Web對熱風爐控制系統的桌面進行遠程訪問及登錄，同時工作人員可通過該層面完成不同用戶權限的設置。

3.4 數據庫層面

該層面主要采用Oracle 11g作為開發環境，由pl/sql developer作為熱風爐控制系統的開發工具。通過該層面可從Experion PKS數據庫中抽取熱風爐的關鍵數據，將熱風爐的關鍵數據添加至高爐總報表上，最后利用報表系統實施顯示熱風爐的運行狀態。

4 結 語

本研究為實現對小型高爐熱風爐工藝設備和檢測儀表的監視和控制，充分結合熱風爐生產工藝工序的特點，設計出一套可實現熱風爐生產操作的基礎自動控制系統。在上位機系統的支持下，可實現高爐熱風爐工藝過程的全面監控，監控畫面最終以畫面的形式呈現給工作人員。為提高系統的可靠性，選用S7-400型PLC作為系統的核心設備，該控制器具有較高的運行速度、通信性能以及兼容性等特征，可廣泛應用于中、大型控制系統。在S7-400型PLC的基礎上結合ET200M型PLC，可降低熱風爐控制系統的開發成本。