基于PLC的LF爐投料控制系統設計

賈莉娜，王道誼

（遼寧科技學院 電氣與自動化工程學院，遼寧 本溪 117004）

以南京鋼鐵聯合股份有限公司4#LF 精煉爐控制系統為背景，根據LF 投料控制系統的控制要求，給出了控制系統總體設計方案。該系統包括基礎自動化級、過程監控和優化管理級?；A自動化級應用西門子公司S7-1500PLC 進行控制，上位機監控系統采用WINCC 軟件設計了計算機監控系統，包括投料設定、投料系統和報警畫面等，該項目已于2021 年底開始運行。

1 工藝及控制功能

LF 爐投料是LF 爐冶煉中的一部分。在LF 爐冶煉中，為了能高質量地進行冶煉，需要將各種原料按照一定的重量和比例準確地添加到LF 爐中。傳統的鋼廠配料控制系統設備陳舊、精度低，不僅造成原材料的浪費，更為嚴重地是導致許多工程質量不合格，因此需要一種高精度動態配料控制系統。LF 爐冶煉中所需要的原料有很多，但工藝要求它們要以準確的重量和配比加到LF 爐中，才能確保LF爐反應以高質量進行[1]。配料過程是否準確完成，在一定程度上從開始決定了LF 爐生產能否順利進行。所以，準確、快速、靈活地進行配料，對LF 爐冶煉來說具有重大的意義。南京鋼鐵聯合股份有限公司4#LF 爐投料系統工藝流程如圖1 所示。

圖1 LF爐投料控制系統工藝圖Fig.1 Process diagram of LF furnace feeding control system

具體工藝流程可由圖1 體現，物料的流通方向用箭頭表示。工藝流程為：料→料倉→料倉下電磁振動給料機→稱量斗→稱量斗下電機振動給料機→2 號RBC 可逆式皮帶→3 號HBC 斗提皮帶→4 號BC 皮帶→電磁閥→LF 精煉爐。

2 LF投料控制系統的硬件構成

整個LF 精煉爐控制系統上位機主要由1 臺工程師站與3 臺操作站組成，下位機主要由上料PLC 系統、LF 本體系統、電極控制系統、LF 投料系統、底吹系統和喂絲系統組成。

LF 投料系統利用稱重模塊進行重量信號檢測，檢測到的重量信號經稱重模塊進行運算處理，重量控制由PLC 的控制信號進行皮帶運轉控制。光電傳感器用于實現傳送帶間的調控，電磁閥與皮帶的配合用于卸料的功能實現，觸摸屏用于實時顯示現場運行參數、控制執行數據及過程。LF 投料系統主要由1 臺S7-1500PLC 和2 臺ET-200MP 以及1 臺TP900 面板組成PROFINET 網[2]，由S7-1500 和1臺ET-200M 組成PROFIBUS-DP 網，通過光電轉換器把部分信號傳遞至上料PLC 系統中，LF 投料系統連接如圖2所示。

圖2 系統結構圖Fig.2 System structure diagram

本系統采用SIMATIC S7-1516 3PN/DP 為主控制器，訂貨號為6ES7516-3AN02-0AB0。此CPU 是西門子新推出的產品，它的功能十分強大，廣泛應用于各種應用場合，通信方式也在工業上得到廣泛應用[3,4]。從站1 主要由2 個DI 模塊，1 個DQ 模塊和3 個AQ 模塊組成，主要作為采集皮帶、振動給料機反饋信號及發出控制指令。從站2 主要由3 個DI 模塊，1 個DQ 模塊和3 個TM 稱重模塊組成，主要作為皮帶、振動給料機的操作按鈕、旋鈕及各種指示燈和稱量斗稱量處理。從站3 主要由2 個DI 模塊、1 個DO 模塊和3 個AI 模塊組成，主要作為卸料車位置、料倉高低料位及料位采集。主站從站1、2 均采用訂貨號為6EP1333-4BA00 的電源模塊供電，從站3 采用訂貨號為6ES7307-1EA01-0AA0 的電源模塊供電。兩個ET-200MP 從站1 和2 訂貨號為6ES7155-5AA00-0AC0、ET-200M，從站3 訂貨號為6ES7153-1AA03-0XA1。本系統需135 路數字量輸入通道，16 路模擬量輸入通道，63 路數字量輸出通道及16 路模擬量輸出通道。由于LF 投料控制系統需要控制的變量較多，輸入輸出均選用最大32 路的數字量模塊、8 路的模擬量輸入輸出并且進行總體模塊的統一編址。SM 1521 數字量輸入模塊采用SM 1521 DI 32 x 24 V DC 型，訂貨號為6ES7521-1BL00-0AB0，32 路數字量輸入。SM 1522 數字量輸出模塊采用SM 1522 DQ 32 x 繼電器型。訂貨號為6ES7522-1BL01-0AB0，32 路數字量輸出。SM 1532 模擬量輸出模塊采用SM 1532AQ8 x U/I 型。訂貨號為6ES7532-5HF00-0AB0，8 路模擬量輸出。根據所選擇的拓展模塊進行排列并且對整體控制系統的主機、從站、輸入輸出模塊，進行統一規范的IO 編址。軟件編寫過程中，根據實時數據庫中已經建立的地址及符號、電氣名稱進行調用與關聯。其中，從站1 I/O 為I0.0 ～I7.7，Q0.0 ～Q3.7，QW512 ～QW558； 從站2 I/O 為I32.0 ～I43.7，Q32.0 ～Q35.7；從站3 I/O 為I200.0 ～I207.7，IW960 ～IW1006。本系統稱重傳感器選擇德國西門子稱重傳感器_SIWAREX WL260 SP-S AB 傳感器，該傳感器為應變片式稱重傳感器，可應用于靜態和動態稱重測量，可以覆蓋很寬的量程范圍，從3kg ～280t。作為標準產品，西門子每款稱重傳感器都是依據OIML R60 標準滿足C3 精度等級。稱重模塊采用西門子WP522雙通道型稱重模塊，基于電阻應變片式傳感器，適用于S7-1500 系統，具有RS485 和以太網接口[5]。SIWAREX WP522 ST 具有以下主要優點：SIMATIC S7-1500 系統標準統一的設計工作和相互兼容的通訊技術。通過TIA Portal 進行統一組態，無論SIMATIC CPU 是否有故障都可正常運行。通過以太網接口，可直接連接操作面板（Modbus TCP/IP），以最高±4ppm 的高精度和100Hz/120Hz 的測量速度測量重量或力。借助于HMI/CPU 或PC 軟件SIWATOOL V7 通過以太網接口可方便地進行調試，可進行自動校準，無需校準砝碼，可更換模塊，無需重新對稱進行調整，每個通道可連接最多8 個350Ω 稱重傳感器。

3 LF投料控制系統的軟件構成

PLC 主要邏輯控制部分，系統的主要控制程序由OB1調用來完成。如圖3 所示，各個FC、FB 塊以及部分DB 塊用于實現各個子系統的功能。FB1552 及其DB 塊用于實現稱量模塊信息采集和稱的調試，博圖V16 提供了標準的稱量功能模塊。LF 投料系統既要求下料過程中稱值穩定，又要求其精準度與靈敏度高，WP522 稱重模塊可滿足本次設計要求。由于此次設計共有4 個稱量斗，需要分別對其用此系統塊控制。

圖3 系統程序結構圖Fig.3 System program structure diagram

LF 爐投料控制系統中包括兩種控制方案：手動控制和自動控制，手動控制方式和自動控制方式可以進行切換。在精煉投料過程中，應當切換到自動控制方式將由PLC 自動完成整個稱量與投料控制單元的調節過程控制；當需要手動控制稱量或投料過程時，可以直接切換手動控制方式由操作者在HMI 上對各個部分進行人工控制操作。LF 投料控制系統分為稱量和投料兩部，通過1500PLC 的數字量輸入/輸出，模擬量輸入/輸出模板及CPU 單元來實現的。首先，將在HMI 上切換為自動模式確定好設備都在集中模式后，設定預計下料值并點擊稱量按鈕；設定下料值的料倉下電磁振動給料機開始把料振入稱量斗中，PLC 中進行算法控制計算，然后通過PLC 的模擬量輸出模板進行D/A轉換，轉換結果為4mA ～20mA 電流信號來控制電磁振動給料機的振幅，從而控制下料速度。當下料量到達指定數值（畫面可更改）后，改為低速下料來保證下料值的準確性，當下料值等于設定值時振動給料機停止振動。稱量斗數值由WP522 模塊處理完傳遞給所調用系統塊對應的DB塊中。在畫面中勾選要投料的稱量斗（可多選），點擊投料按鈕，電磁閥開啟，延遲一段時間后4 號BC 開始轉動，數秒后3 號HBC 開始轉動，然后2 號RBC 也開始延遲啟動正轉。隨后勾選中的稱量斗下電機振動給料機開始振動下料（如果多勾選，則按順序振動），當稱量斗中的值趨近于零時（小于設定誤差值）延遲停止振動給料機振動，數秒后2 號RBC 停止轉動，一段時間后3 號HBC 停止轉動，隨后4 號BC 延遲停止電磁閥關閉投料結束。延遲時間由現場而定，可隨時更改程序。投料結束后，在HMI 中會計算各種料的下料量，料倉慣性裕量等。圖4 為LF 投料控制系統流程圖。

圖4 LF投料控制系統流程圖Fig.4 Flow chart of LF feeding control system

4 LF投料控制系統的監控畫面

系統監控主界面主要由LF 爐系統中各個部分所構成，界面主要包括主界面、液壓系統、高壓系統、冷卻水、投料系統、投料設定、喂絲系統、底吹系統、報警記錄、趨勢曲線、操作記錄和通訊診斷[6,7]。其中，投料包含投料系統和投料設定。為了便于操作和更好地監視系統狀態和數據，系統在投料系統界面中顯示了各料倉料名，料倉上設定下料量，顯示實際下料值和偏差，會出現高低限位報警并顯示料倉料位。電磁振動給料機顯示運行狀態和速度百分比，稱量斗上顯示數值，電機振動給料機顯示運行狀態。3 個皮帶電機和皮帶上都會顯示運行狀態，皮帶上部會顯示皮帶打滑與跑偏，在手動下可以打開振動給料機和皮帶電機的小窗口進行手動操作，會在畫面下方計算每次鋼包車投入所有料數量，每個設備正常運行均為綠色，出現故障變為紅色，閃爍表示故障狀態。投料設定中可根據更改料號改料名，設定電磁振動給料機速度變化位置和顯示每個料倉下料完成后的慣性裕量。點擊畫面上的按鈕可以實現相應的操作命令，投料系統監控界面如圖5 所示。

圖5 LF投料系統監控畫面Fig.5 LF Feeding system monitoring screen

5 結論

該控制系統于2021 年底在南京鋼鐵聯合股份有限公司投入運行，計算機自動化系統實現了所有的數據通信任務，生產報表[8]，人機界面交互，為生產操作人員提供了及時的實時數據和預報數據，具有更為便捷的操作，具備一定的自動化水平，保證了整個系統的安全、穩定運行。從實際運行效果來看，符合標準，整體效果令人滿意。