PLC在焦炉自动配煤控制系统中的应用

　　CP342-5 作为Profibus-DP主站时，最多可链接 124个从站，和每个从站最多可以交换244个输入字节（Input）和244个输出字节（Output），与所有从站总共最多交换2160个输入字节和2160个输出字节，但其DP通信编程与S7-300 CPU所集成的DP站有所不同，CP342-5为主站其模块内部的数据寄存器与从站的I/O数据区的通讯过程是自动进行的，但必须填写CP342-5模块的硬件起始地址参数，使CPU能寻址到CP342-5位置，这个起始地址就是16进制的CPLADDR参数，它表示硬件组态的PZD起始地址，可在OB1程序中调用功能块“DP_SEND” FC1和 “DP_RECV” FC2，来完成CPU经CP342-5数据寄存器对PKW、PZD的数据交换；本例中CP342-5模块所连接的DP从站为SIEMENS 6SE70变频器 + CBP2总线适配器，MASTERDRIVES/DC MASTER CBP2 DPV1其PPO（参数过程数据对象）类型共有以下5种：

　　图4：CBP2 5种PPO类型

　　本例中根据实际情况选择类型PPO 4，此类型没有参数数据PKW，只有6个字的过程数据PZD，过程数据主要包含：起、停命令、电流反馈、速度给定及反馈、运行和报警状态等设定值和状态值；但随着今后的发展趋势，西门子将会取消PPO类型，代之以标准报文或自由组态，这样一来参数数据PKW就可以采用非循环方式来访问（DPV1功能），非循环访问不需要组态，用SFC58/59以读/写数据包的形式读/写参数，而过程数据PZD还是采用循环方式传送，这样可大大减轻整个DP网的通信负荷。另外在通信编程必须注意以下几点：

　　·DP从站 I/O端口映射的I和Q存储区起始地址必须从0开始；

　　·各个从站I/O端口地址应连续，相互之间不可有空隙；

　　·功能块FC1和FC2中的发送及接收的数据字节应全部覆盖各个从站的PZD长度；

　　本项目中MASTERDRIVES 与S7 300 DP通信编程步骤依次为：硬件组态（插入从站）、选择数据格式（PP0类型）、I/Q address分配、创建DB数据块、调用功能块FC1（“SEND”）和FC2 （“RECV”）。见下图功能块调用：

　　图5：FC1和FC2功能块调用

（3）WINCC应用

　　运行于Microsoft Windows XP下的Windows控制中心─WinCC V6.0为过程自动化领域中的领导者，作为基础自动化系统重要组成部分，它将人机界面（HMI）系统、监控管理系统和数据库技术集成为一体，它采用标准微软SQL Server 2000数据库进行数据归挡存储，并提供了SIMATIC MES/ERP的高效连接通道。利用WinCC可根据配煤炼焦生产工艺要求与控制内容，方便地制作配煤工艺流程界面、配方管理界面、各工艺和控制参数监测界面、网络通信状态界面、各设备顺序控制界面、报警指示和记录界面、趋势图记录界面等功能模块的设计，系统的各种控制参数、工艺参数及生成的数据库均可自动存储，实时查询，同时自动生成年、月、日报表供打印和预览。并启用WinCC中的VBA脚本语言（Script）来实现对数据库接口的ADO访问应用功能，从而能满足系统的扩展要求。

　　采用SIMATIC Step7+WinCC V6.0组合，可大大地降低系统开发的成本，缩短项目实施的周期，它具有应用灵活、规模可伸缩、使用简便、功能强大等特点。另外，在本项目中充分利用 WinCC和Step7集成环境下的系统全局数据库技术，在变量的操作、存取、修改和逻辑块直接调用方面都给编程过程带来了极大的方便，这种面向对象的编程技术特性在今后的功能扩充、方案更改、系统优化和维护方面都具有很大的实用性，同时提高了整个控制系统的稳定性、灵活性和可扩展性，是分布式SCADA系统及工厂基础自动化层次的理想选择。

　　本例中根据系统工艺要求，应用WinCC所开发的监控系统界面，采用树型结构，具有多种画面调用手段，以方便操作者使用，我们设计了以下几个主要的功能画面：

　　图6 ：HMI监控系统功能图

　　工艺流程界面─在画面中通过编程实现模拟显示各个自动配煤工艺段的全流程，在各流程界面上动态地显示各台给料机的设定流量、瞬时量、负荷率、仓料位、电机转速、电流反馈、配比、水份、小计累积量、总累积量、总流量、总设定量等等，以方便操作者能及时准确的掌握当前的工艺状况，能够对现场设备的故障进行实时诊断。以下是配煤流程界面图之一：

　　图7 ：HMI配煤监控流程画面图之一

　　故障报警界面─对于自动配煤中的一些重要的参数进行实时报警和自动生成故障记录表，并根据设备的故障性质，系统自动诊断并采取相应的处理，故障诊断报警内容包含：称重传感器故障、测速单元故障、负荷率过载、速度上下限、流量上下限、缺料、皮带断裂/跑偏、网络故障、偏差超限、电机过流/缺相/欠压/过压/短路等信息。

　　趋势与统计界面─实时显示主要变量的变化趋势并形成历史记录，供今后可以查找过去的过程数据记录，通过对各台给料机的历史趋势数据比较，进而可以为配比统计分析提供依据，从而进一步预测和提高焦炭的质量。

　　流程监控与操作界面─实现生产过程中各设备的顺序逻辑控制和系统协同操作运行，根据系统工艺流程的需求来确定运行方式、选择流程控制模式和相应配方。系统操作根据控制方式可分为手动、半自动和全自动，根据操作地点可分为现场就地操作、控制室操作、上位HMI集中操作，从而覆盖整个焦化配煤的工艺要求。

　　其它如系统调试工具、网络通信管理等界面主要为系统诊断、调试、网络状态分析、网络SNMP管理时所使用，限于篇幅就不再详述了。

　　5．变频器驱动的选型及参数设置

　　基于综合因素的考虑，本次配煤皮带/圆盘给料机驱动单元选用SIMOVERT MASTERDRIVES全数字多功能技术的电压源型变频器SIEMENS 6SE70，该装置具有结构紧凑、可靠性高、功率因数高、输出纹波小、32位CPU全数字控制、故障自诊断处理、电机参数自动辨识、组态功能丰富等特点，功率单元采用IGBT组件，具有良好的驱动性能，它采用先进的转子磁场矢量控制策略，可以达到同直流传动系统相媲美的动、静态性能。可实现在低速状态下的平滑运行和高力矩输出、高精度的速度、力矩控制，以满足焦化配煤工业的恶劣现场环境要求。它同时具有强大的通讯功能，其驱动通讯可以分为四种协议：Profibus-DP、USS、CAN、SIMOLINK。本例中是选择CBP2通讯板来实现Profibus-DP开放式的现场总线的通讯控制。

　　MASTERDRIVES 6SE70变频器部分参数设置如下：

　　上述参数设定方法有以下几种途径：

　　·装置自带的参数设定器（PMU）

　　·操作面板（OP1S）

　　·计算机（带SIMOVIS软件）

　　·SIMATIC自动化单元（带CBP2）

　　MASTERDRIVES 6SE70变频器接线图如下所示：

　　图8 ：圆盘变频器驱动回路图

五、 系统控制功能

　　1．称重测控单元功能

　　称重测控单元担负着整个配煤的煤量采集计量作用，也是整个配煤系统数据采集的基础，其控制核心为CFC-200仪表，它是集调节与演算为一体的多功能计量控制器，其内核为16位摩托罗拉68KCPU，它以Yamato出众的计量设计技术为基础、具有性能稳定、测量精度高、抗干扰性能强、功能齐全、接口多样化、故障自诊断、参数自整定及智能PID调节等功能特长，它主要完成负荷、流量、累积量的采集，CFC-200仪表通过Profibus-DP接口与西门子PLC溶合为一体，达到数据无缝、透明共享的预期效果。

　　2．PLC实现的功能

　　实现各台配煤给料机的流程启动和停止；故障诊断报警；仓料位、圆盘电机、给料皮

　　带电机的流程联锁和逆向启动、顺向停车的顺序控制；各台设备/各工艺段之间的安全联锁；各变频器的频率给定和速度控制；总配比流量的在线调整等功能。PLC按工艺要求完成系统的四种控制方式（现场就地控制、单台手动控制、单套联动控制、全自动控制）；另外，S7-300PLC作为Profibus-DP的网络主站，起着整个系统的控制核心作用，是确保系统内所有设备的协同运行的前提条件，并完成与上位机交换系统的所有过程参数和数据的任务。

3．上位机实现的功能

　　实现煤料配合比例工艺流程的自动监控；管理生产过程参数和状态；处理反映各种过程报警和历史报警；浏览各实时/历史趋势画面；生成各种报表供浏览/查询/打印；建立实时数据库及归档数据，为企业决策者提供工厂现场层实时过程数据、曲线及统计分析表。利用WinCC中的Ｃ语言脚本（Script）及提供的各类应用函数，来灵活地完成系统复杂的控制要求，并将配煤系统的前后工艺段有机地组合起来。

　　以上三者相辅相成，构成一套完整的自动配煤解决方案，整个配料系统综合精度优于0.5%。

　　4．项目中的难点问题及实施办法

　　配煤炼焦有2大工艺段，每个工艺段有12套，合计共有24套给料机，其配比的准确和稳定是焦炭质量保障的关键。

　　后备PID调节：但在实际运行中配煤系统的配比会受到外界多种因素的影响，如煤质、含水率、环境温湿度、粘度、粒度等因素，从而直接引起下料不畅通、结块、粘料等现象，影响配煤比例的恒定。针对上述情况，我们采用两套PID自动调节回路方案，正常情况下由CFC-200来执行调节，当上述情况造成流量震荡或偏差超限时，系统自动切换由PLC来完成后备PID调节，而此刻后备PID调节是根据所发生不同情况下的同种煤流量总和为目标对象进行闭环调节，从而优化了过程控制的性能和效果。

　　后备计量切换：系统在正常情况下，其计量功能是有称重测控单元来完成，它主要由UB2电阻应变式传感器和CFC-200仪表组成，一旦称重测控单元中的任何一方故障都将导致称重计量失败。因此，我们采用了后备容积计量功能，当一旦发生计量失败情况时，系统自动切换到容积计量模式，其设计思路为：在系统正常情况下由PLC对CFC-200所输出的煤流量进行密度逆运算，得出其在预置时间跨度内煤的瞬间密度，并不断进行跟踪刷新和存储，当进入容积计量模式后，PLC将根据所记忆的瞬间密度，进行流量运算和控制调节，而不影响系统的正常进行。

六、 项目运行

　　2006年8月15 日上午，中国第一炉─山西太钢7.63米焦炉（年产焦碳115万吨／

　　座）顺利投产了。整个配煤系统运行可靠、性能稳定、操作方便、自动化程度高、配煤准确率和焦炭质量稳定率都得到大幅度的提高，不尽降低了煤耗和能耗，还大大地提高了生产效率，达到了预期的效果，为太钢不锈钢年产能达到300万吨，成为全球产能最大的现代化不锈钢企业打下了基础。

七、 应用体会

　　通过自动配煤项目设计、实施，进一步加深了对西门子SIMATIC自动化产品的了解。系统采用了工业以太网和Profibus-DP现场总线，实现了现场仪表、PLC、分布式I/O、操作站/工程师站、变频驱动器之间的相互通信，提高了数据传输的可靠性和抗干扰性，减少了大量线缆，现场安装、调试的工作量也大大降低，缩短了项目实施周期，更提高了工作效率和项目质量。

　　另外深有体会的一点是：西门子SIMATIC自动化产品的产品链长、性能超群、覆盖面广、普及率高、网站内容丰富且更新快、各类文档资料齐全、客户技术服务响应快等等，这一切都为我们的实际工作带来了极大的便利和广泛的认可，预祝以SIMATIC品牌为代表的自动化产品在今后创新道路上再创辉煌。

　　附件： 生产现场照片

　　储煤槽外景照 控制柜内部照

　　控制室一瞥 变频柜内部照