PLC和WinCC系統在環形加熱爐中的應用

本文采用了西門子S7-300系統和WinCC系統及模糊控制技術設計了環形加熱爐的軟硬件控制系統，運行表明，系統設計合理有效。

環(huan)形加(jia)熱(re)爐是(shi)無縫鋼管生產的(de)第一(yi)環(huan)節，其加(jia)熱(re)質(zhi)量(liang)直接影響(xiang)到(dao)鋼管的(de)質(zhi)量(liang)，其能耗和氧(yang)化燒結直接影響(xiang)鋼管的(de)成本。因(yin)此，保證(zheng)環(huan)形加(jia)熱(re)爐的(de)最(zui)佳生產狀(zhuang)況(kuang)和爐溫(wen)自動控制是(shi)關鍵。

由于該爐體控(kong)制變量較(jiao)多，用常規的(de)控(kong)制控(kong)制方法(fa)很難達(da)到要求。鑒于此(ci)，我們采用基于PLC的(de)模糊控(kong)制技術(shu)，以德國西門子公司的(de)S7-300PLC作(zuo)為控(kong)制器，其穩定可靠功能強大。

以西門子公司WinCC軟(ruan)件為平臺(tai)開發的監(jian)(jian)控系(xi)統(tong)，能(neng)夠及時監(jian)(jian)控系(xi)統(tong)的運行并(bing)做出反饋顯(xian)示。整個(ge)系(xi)統(tong)自(zi)動化程度高，運行穩定。本文就此控制系(xi)統(tong)的軟(ruan)硬件組成予(yu)以介紹。

1 環形加熱爐工藝流程及控制要求

1.1 主要工藝流程：

（1）管(guan)坯(pi)首先在爐(lu)前(qian)輥道上進行稱(cheng)重定(ding)位(wei)，滿足裝(zhuang)鋼條件時，爐(lu)門打開，裝(zhuang)料(liao)小車(che)將管(guan)坯(pi)夾起(qi)送到(dao)爐(lu)內指定(ding)位(wei)置，升起(qi)返(fan)回，爐(lu)門關閉(bi)，爐(lu)底旋轉一個料(liao)位(wei)角，然后準備裝(zhuang)下根(gen)料(liao)。坯(pi)料(liao)經(jing)過預熱(re)(re)段(duan)，加(jia)熱(re)(re)一段(duan)，加(jia)熱(re)(re)二(er)段(duan)，均(jun)(jun)熱(re)(re)一段(duan)，均(jun)(jun)熱(re)(re)二(er)段(duan)之后，滿足要求(qiu)后出(chu)料(liao)，出(chu)料(liao)小車(che)將管(guan)坯(pi)取出(chu)，環形爐(lu)工作完成。

（2）溫度(du)采(cai)用(yong)模糊(hu)控(kong)制系統建立反饋(kui)模型來實現，采(cai)用(yong)前(qian)饋(kui)和反饋(kui)相(xiang)結合(he)方法，使它們的配(pei)比接近燃(ran)燒(shao)的最佳(jia)空(kong)燃(ran)比，如圖1所(suo)示。

圖1 加熱(re)爐空氣燃料比尋優(you)控(kong)制系統示意圖

1.2 環形加熱爐的控制要求

（1）裝出料小車(che)定(ding)位(wei)——精(jing)確的(de)小車(che)定(ding)位(wei)才能精(jing)準的(de)夾取坯(pi)料。本例中我們選(xuan)取西門子6ES70系列變(bian)頻(pin)器和增(zeng)量式(shi)編(bian)(bian)碼器來(lai)給小車(che)定(ding)位(wei)。由于小車(che)慣性(xing)較(jiao)大限位(wei)開關能起到(dao)的(de)作(zuo)用有限，必(bi)須結合軟件提前(qian)減速。還因(yin)為坯(pi)料長度不定(ding)有2m、2.5m、3m、3.8m，所以(yi)定(ding)位(wei)比較(jiao)復雜，當坯(pi)料改變(bian)長度時(shi)，必(bi)須由上位(wei)機(ji)寫進(jin)從而(er)選(xuan)定(ding)所需要的(de)編(bian)(bian)碼器讀數。

（2）爐(lu)(lu)底(di)(di)(di)傳動(dong)裝(zhuang)置——爐(lu)(lu)底(di)(di)(di)由支(zhi)承輥支(zhi)撐，定心輥對活動(dong)進行固定，防止爐(lu)(lu)底(di)(di)(di)跑偏；爐(lu)(lu)底(di)(di)(di)傳動(dong)采用液壓(ya)推動(dong)。爐(lu)(lu)底(di)(di)(di)關鍵是(shi)控制(zhi)旋轉角(jiao)度是(shi)否是(shi)預設(she)的料(liao)位(wei)角(jiao)角(jiao)度，必須保(bao)證出料(liao)小車在大量取料(liao)之后還(huan)能精(jing)確定位(wei)。我們(men)采用的是(shi)與(yu)環(huan)爐(lu)(lu)齒輪同步的減速盤(pan)上裝(zhuang)有增量式編碼器，預以(yi)精(jing)確定位(wei)。

（3）爐(lu)溫爐(lu)壓的(de)控(kong)制(zhi)——爐(lu)溫控(kong)制(zhi)系統的(de)主要(yao)目的(de)是將爐(lu)溫控(kong)制(zhi)在(zai)允許范圍(wei)內，并保(bao)證燃(ran)燒的(de)合理(li)性，力求達到最佳燃(ran)燒狀態。爐(lu)膛壓力控(kong)制(zhi)也是一個重要(yao)參(can)數，壓力過高，煙會(hui)大量(liang)冒出，使(shi)大量(liang)熱散失，增加損耗；爐(lu)壓過低會(hui)吸入大量(liang)冷風，可(ke)能引起燒鋼。爐(lu)溫爐(lu)壓必須控(kong)制(zhi)在(zai)一定范圍(wei)之內。

2 系統硬件設計

2.1系統結構及特點

控(kong)(kong)制系統(tong)設計(ji)本著(zhu)結合(he)實(shi)際，便(bian)于操(cao)作和(he)維(wei)護，最大限度的(de)滿足環形加熱爐(lu)工(gong)藝流程需求的(de)原則，采(cai)用(yong)PLC的(de)集中控(kong)(kong)制加上(shang)(shang)上(shang)(shang)位機的(de)過程及參數監控(kong)(kong)。我們(men)采(cai)用(yong)西門子公司(si)的(de)S7-300系列(lie)PLC（CPU為315-2DP）,上(shang)(shang)位機采(cai)用(yong)研華(hua)工(gong)控(kong)(kong)機IPC610L，并配有UPS，采(cai)用(yong)工(gong)業以(yi)太網通(tong)訊(xun)方式進行PLC與(yu)上(shang)(shang)位機間的(de)通(tong)訊(xun)。

熱工(gong)控(kong)制設(she)一臺上位(wei)機作(zuo)為操(cao)作(zuo)員(yuan)站(zhan)，爐體機械(xie)控(kong)制設(she)一臺操(cao)作(zuo)員(yuan)站(zhan)，另外集中設(she)一臺工(gong)程師站(zhan)用于(yu)進行數據庫的生成、生產流(liu)程畫面的產生，連(lian)續控(kong)制回路(lu)的組(zu)態(tai)和順(shun)序控(kong)制的組(zu)態(tai)等。

該(gai)系(xi)統體系(xi)結(jie)構具有以下特點：

（1）系(xi)(xi)統(tong)包括了(le)PLC控制(zhi)站(zhan)(zhan)、操作員站(zhan)(zhan)、工(gong)程(cheng)(cheng)師(shi)站(zhan)(zhan)等子系(xi)(xi)統(tong)。PLC控制(zhi)站(zhan)(zhan)完(wan)成對生(sheng)產(chan)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)數據的采集、處(chu)理(li)、設(she)備的順控與調節。操作員站(zhan)(zhan)實現(xian)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)參(can)數顯示、監控和(he)設(she)置。工(gong)程(cheng)(cheng)師(shi)站(zhan)(zhan)實現(xian)系(xi)(xi)統(tong)的控制(zhi)程(cheng)(cheng)序編制(zhi)、調試、修改、維護(hu)及(ji)生(sheng)產(chan)管理(li)等功(gong)能(neng)。

（2）該(gai)系統是(shi)由PROFIBUS-DP構成主從(cong)結構。SIEMATIC PLC S7-300,上位機Wincc作(zuo)(zuo)為主站，變頻器及其(qi)遠(yuan)程I/O ET200M作(zuo)(zuo)為從(cong)站。全系統各(ge)站聯網協調工(gong)作(zuo)(zuo)，整個系統都是(shi)一個聯網的大系統。先(xian)進可靠數據分布(bu)合理、操作(zuo)(zuo)速度快(kuai)、使用方(fang)便。

2.2 上位機配置

上(shang)位機(ji)采用(yong)臺灣(wan)研華工控機(ji)IPC610L（CORE雙核2.66/2GDDR/160GHDD/1000M網(wang)卡）配以明(ming)基19寸(cun)顯示器。共設3臺，其中(zhong)操作員(yuan)站2臺、工程師(shi)站1臺。上(shang)位機(ji)與S7-300PLC構成分布控制(zhi)系統(tong)，通過以太網(wang)與PLC通信。

2.3下位機配置

下(xia)位機采用西門子(zi)S7-300功能強大(da)、處理速度快、可靠(kao)性高，模塊化設計(ji)使其擴展(zhan)靈活，是本控制系統的核心。

本系統(tong)中，爐體外(wai)部機(ji)械控制一臺(tai)PLC，熱(re)工(gong)技術控制一臺(tai)PLC。每(mei)臺(tai)PLC的(de)硬件(jian)模塊配置如圖2所示。

圖2 硬件模塊配置

電源(yuan)模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)采用PS 307 2A；CPU用315-2DP模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)；由PROFIBUS-DP構成主(zhu)從結(jie)構。西(xi)門子S7-300，上位(wei)機WinCC作為(wei)主(zhu)站(zhan)，6ES440變(bian)頻(pin)器，6ES70（6臺）變(bian)頻(pin)器及其遠程(cheng)I/O ET200M作為(wei)從站(zhan)；CP343-1通信模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)；數字輸入輸出模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)各一塊(kuai)(kuai)。

另(ling)有，FM350-2高速計數(shu)模(mo)塊，作為簡單計數(shu)任務的單通(tong)道智(zhi)能模(mo)塊以(yi)及(ji)直接連(lian)接增量式編碼器。熱工控制(zhi)模(mo)塊如圖3。

圖3 硬件模塊配置

電源模(mo)塊(kuai)(kuai)采(cai)用PS 307 5A的模(mo)塊(kuai)(kuai)共(gong)3塊(kuai)(kuai)；CPU也是315-2 DP模(mo)塊(kuai)(kuai)；IM360/IM361連接模(mo)塊(kuai)(kuai)連接三個(ge)導軌；CP 343-1通信(xin)模(mo)塊(kuai)(kuai)；以及(ji)模(mo)擬輸入(ru)輸出(chu)，數字輸入(ru)輸出(chu)模(mo)塊(kuai)(kuai)。

3 系統軟件設計

控制系統的軟件包(bao)括下(xia)位機(ji)(ji)和上(shang)位機(ji)(ji)兩部分(fen)。下(xia)位機(ji)(ji)PLC的組態編程(cheng)在西(xi)門(men)子STEP7 V5.4實現(xian)，上(shang)位機(ji)(ji)人機(ji)(ji)界面采用西(xi)門(men)子WinCC V6.0來完成。

3.1 下位機軟件設計

PLC的(de)控制(zhi)軟(ruan)件來完成工藝要(yao)求的(de)全部任(ren)務，該部分的(de)設(she)計是本(ben)控制(zhi)系統的(de)設(she)計的(de)關鍵。我們在西(xi)門子STEP7 V5.4開(kai)發平臺上，采用結構化編(bian)程，將系統中的(de)相對(dui)獨立的(de)功能(neng)編(bian)寫成功能(neng)FC，然后在主程序OB1調用，這樣減少了重(zhong)復編(bian)程工作量，簡化了程序的(de)組(zu)織，且增加了可讀(du)性可維護性。

本系統控制的塊有：

（1）組織塊(kuai)。OB1主(zhu)程(cheng)序塊(kuai)。OB35循(xun)環中(zhong)斷(duan)(duan)組織，OB82診斷(duan)(duan)中(zhong)斷(duan)(duan)，OB83插(cha)入取出模塊(kuai)中(zhong)斷(duan)(duan)，OB84 CPU硬件故障，OB85優先級錯(cuo)誤(wu)(wu)，OB86機(ji)架故障或分布I/O的(de)站(zhan)故障，OB87通(tong)信(xin)錯(cuo)誤(wu)(wu)，OB121編程(cheng)錯(cuo)誤(wu)(wu)，OB122 I/O訪(fang)問錯(cuo)誤(wu)(wu)。

（2）功能。FC1報(bao)警(jing)顯示，FC2換向閥控(kong)(kong)制(zhi)，FC3調節閥控(kong)(kong)制(zhi)， FC5鼓風(feng)機(ji)控(kong)(kong)制(zhi)，FC6引風(feng)機(ji)控(kong)(kong)制(zhi)，FC7摻冷風(feng)機(ji)控(kong)(kong)制(zhi)，FC8快(kuai)切閥手動控(kong)(kong)制(zhi)，FC9換向閥到位檢測(ce)，FC10 TC_SCALE,FC11 PER TO PQW,FC12 LMN輸出轉(zhuan)換，FC13 RDO_SCALE,FC20爐(lu)(lu)膛壓力控(kong)(kong)制(zhi)，FC21加熱一段(duan)(duan)爐(lu)(lu)溫(wen)控(kong)(kong)制(zhi)，FC24加熱二段(duan)(duan)爐(lu)(lu)溫(wen)控(kong)(kong)制(zhi)，FC27均熱段(duan)(duan)爐(lu)(lu)溫(wen)控(kong)(kong)制(zhi)，FB10模糊控(kong)(kong)制(zhi)算法模塊。

（3）數(shu)據(ju)塊(kuai)(kuai)。DB1上(shang)位通(tong)訊數(shu)據(ju)，DB2傳(chuan)動通(tong)訊數(shu)據(ju)，DB10編碼器通(tong)訊數(shu)據(ju)。DB11至DB15為模糊控制算法數(shu)據(ju)塊(kuai)(kuai)，DB20模糊控制算法模塊(kuai)(kuai)。

在(zai)(zai)本(ben)控制系(xi)(xi)統(tong)中(zhong)，環形加熱(re)爐(lu)內(nei)溫(wen)度(du)(du)是被控量(liang)，煤氣(qi)的(de)(de)流(liu)量(liang)是調節量(liang)。爐(lu)內(nei)影響溫(wen)度(du)(du)的(de)(de)因素(su)很多，比如(ru)：進(jin)料(liao)的(de)(de)數量(liang)，空(kong)氣(qi)流(liu)量(liang)，煤氣(qi)流(liu)量(liang)濃度(du)(du)等等。因此，該系(xi)(xi)統(tong)屬于多變(bian)量(liang)、強(qiang)耦合的(de)(de)系(xi)(xi)統(tong)。傳(chuan)統(tong)的(de)(de)控制方法很難以控制，所以本(ben)例中(zhong)采用較先進(jin)的(de)(de)模(mo)糊控制進(jin)行控制，具體在(zai)(zai)功(gong)能塊FB10中(zhong)實現。

圖4 模糊算法流程圖

3.2 上位機軟件設計

上(shang)位機人機界面(mian)（HMI）的開(kai)發采(cai)用(yong)組(zu)態軟件西門子(zi)視(shi)窗中(zhong)心SIMATIC WinCC ，WinCC V6.0采(cai)用(yong)標準Microsoft SQL Server 2000數(shu)據庫進行生產數(shu)據歸檔，同時具(ju)有Web瀏覽(lan)器(qi)功能，可(ke)使經(jing)理、廠長在辦公室(shi)內看到生產流程的動(dong)態畫(hua)面(mian)，從(cong)而更好地調度指揮生產。

并且確(que)保(bao)與S7-300PLC連接的(de)(de)方便和通訊的(de)(de)高(gao)效；WinCC與STEP7編(bian)程軟(ruan)件的(de)(de)緊密結合縮短了項(xiang)目開發的(de)(de)周(zhou)期(qi)。WinCC畫面(mian)如圖5所示。

圖5 WinCC畫面

我們根(gen)據具體的生(sheng)產要(yao)求與條(tiao)件，設(she)計了(le)以下(xia)幾個(ge)畫(hua)面(mian)：

（1）系統(tong)總貌。主要監視環形(xing)爐爐溫(wen)、爐壓以(yi)及(ji)(ji)一(yi)些重要的(de)(de)生產數據以(yi)及(ji)(ji)生產狀況進行動(dong)態顯(xian)示。這部分(fen)功能(neng)由WinCC的(de)(de)圖形(xing)編輯(ji)器來實現。啟(qi)(qi)動(dong)WinCC后隨即啟(qi)(qi)動(dong)此畫面。畫面下方設有歷史(shi)記錄、歷史(shi)曲線、分(fen)段(duan)顯(xian)示、參數設置(zhi)、煙氣溫(wen)度、報警畫面幾(ji)個功能(neng)選項(xiang)按鈕。

（2）歷史記錄。

（3）歷史曲(qu)線。通過該(gai)畫(hua)面顯(xian)示每時刻(ke)的(de)爐溫(wen)曲(qu)線，以至于直觀的(de)分(fen)析溫(wen)度的(de)變化情況。

（4）分段顯示。

（5）參數設(she)置。在爐體外部機(ji)械主(zhu)畫面(mian)中，所需設(she)置的參數有：入(ru)口輥道、進出料小車、爐底傳動(dong)頻率，此(ci)外還(huan)有布料角度(du)、班組(zu)、鋼(gang)種和工藝(yi)參數的錄入(ru)畫面(mian)；熱(re)工主(zhu)畫面(mian)中，包括鼓風機(ji)、引風機(ji)、摻冷風機(ji)設(she)置、調節閥數值和反饋量(liang)以及燒嘴(zui)情況以及每個分(fen)段的溫度(du)。

（6）煙(yan)氣溫(wen)(wen)度(du)(du)。顯(xian)示當前的煙(yan)氣溫(wen)(wen)度(du)(du)，以(yi)便于(yu)做良好的調(diao)節。

（7）報(bao)警(jing)畫面。報(bao)警(jing)記錄(lu)負責(ze)采(cai)集(ji)和歸(gui)檔報(bao)警(jing)消息，當控制系統檢(jian)測到設備(bei)不能正常(chang)運行的信(xin)息，就會產生報(bao)警(jing)，報(bao)警(jing)一般來自(zi)設備(bei)的超(chao)溫超(chao)壓等。

結語

利用PLC作控制系(xi)統(tong)(tong)(tong)不(bu)僅節省(sheng)了大(da)量的(de)人力物力，而且保證了系(xi)統(tong)(tong)(tong)運(yun)行(xing)的(de)穩(wen)定(ding)性。WinCC具有方便直觀(guan)的(de)系(xi)統(tong)(tong)(tong)圖形，以及(ji)強大(da)功(gong)能的(de)報表(biao)與(yu)記(ji)錄系(xi)統(tong)(tong)(tong)。操作人員只需要通過WinCC監控與(yu)管理就可(ke)以掌控生(sheng)產過程以及(ji)記(ji)錄數據。目前該系(xi)統(tong)(tong)(tong)運(yun)行(xing)穩(wen)定(ding)可(ke)靠，達到了預(yu)期(qi)目的(de)。