SIEMENSPCS7在高炉喷煤控制中的应用———SIEMENSPCS7在高炉喷煤

　　
  前言：宣钢9#高炉喷煤控制系统采用德国西门子的PCS7系统, 该系统融传统的DCS与PLC优点于一体，并支持多种国际现场总线标准。工程设计人员选用工业以太网与现场总线技术结合，完成现场数据采集、控制，与其它过程站的通迅，数据的存贮、归档、显示。

  1、硬件配置
        宣钢9#高炉喷煤控制系统硬件采用德国西门子的PCS7系统，系统为冗余控制系统，支持热插拔。当主CPU由于故障停机时，从CPU无条件的切换成主CPU，对生产不会造成任何影响。控制系统电源采用PS407 10A，CPU采用CPU 414-4H，通信处理器模块为CP443-1，I/O通信模件为ET200，使用I/O模件完成数据采集及设备控制。
       操作员站选用西门子工控机2套，操作员站和CPU之间采用10MB的工业以太网进行连接，组成以TCP/IP协议为通讯基础的工业控制以太网，满足过程监视、控制及管理自动化的要求。
喷煤PCS7系统硬件配置如图1:
  喷煤PCS7系统硬件配置图1
1.2电源模板（PS407 10A）
      电源模板（PS407 10A），用于对SIMATIC S7-400的供电，将AC或DC网络电压转换为所需的5V DC或24V DC工作电压，输出电流为10A，电源模板安装在机架最左面（从槽位1开始），根据配置，它们可占用槽1到槽3。
1.3中央处理器模板（CPU 414-4H）
    CPU414-4H适用于中等性能应用范围中有较高要求的场合，能满足对程序规模和指令处理速度及复杂通信的更高要求，支持冗余，集成的Profibus-DP接口使它能够作为主站，直接连到Profibus-DP现场总线；扩展的存储能力，256KBRAM分别用于程序和数据存储；灵活的扩展性，可连接多达131072个数字量或81932个模拟量的I/O；多点接口（MPI），用MPI最多能够建立32个站的简单网络，其数据传输速率最大为12Mb/s。
1.4通信处理器模块（CP443-1）：
      CP443-1是SIMATIC S7-400用于工业以太网总线系统的通信处理器，它有自己的微处理器，因而能减轻CPU的通信任务和进一步扩展连接，通过CP443-1，S7-400可以实现与编程设备、计算机、HMI设备的通信。
1.5 I/O通信模件为ET200
      ET-200作为从站连接到Profibus-DP，适用于冗余系统。每个ET200后面带有所需的数字量I/O模块和模拟量I/O模块。接收来看现场的信号，通过Profibus-DP总线连接到CPU，供CPU处理。
1.6I/O模件
     本系统用的I/0模件均为300的卡件，仅此一项，就可节约费用上万元。I/O模件用于接收现场的信号。主要有数字量输入模件DI，数字量输出模件DO，模拟量输入模件AI，温度处理模件RTD和TC。
1.7操作员站
  1.8工业网络构成
    过程站、操作员站、工程师站通过工业以太网实现通讯，符合工业以太网标准IEEE802.3,采用TCP/IP协议,32位数据总线,每秒100Mbit。传输介质为光纤，网络结构单环网，网络上任一处的断裂，而不会影响网络的通迅。我厂工程技术人员准备改造网络为光纤双环网，这样就使网络的通迅更加的稳定。

   
  2、软件配置
     高炉喷煤工控机上装有Windows 2000英文版操作系统，组态软件为西门子公司PCS76.0英文版。
它是集组态(包括硬件配置、控制策略、HIS即人机接口等组态)、工程调试和诊断功能为一体的工具软件包。系统通过多屏图形卡可以将最多四个过程监视器连接在一起来 扩展工作区，使得组态更为简便。工程系统的系统软件可以根据过程对象的数量来扩展，根据需要，其数量可以随时使用 PowerPack 升级包来增加。在程序编制中，编程人员主要用了CFC编程，SFC编程。监控软件，主要应用WinCC6.0。
2.1连续功能图 CFC编程
     CFC是一种用于图形化组态连续自动化功能的工具。通过功能强大的自动布线 和集成报文组态，预定义的块可以在 CFC 中定位、进行参数化和互连。在生成一个新的CFC 时，可以根据图名 生成一个顺序组。所有安装在顺序图中 的块可以自动添加到该顺序组。在编译时可对顺序进行优化。根据算法先确定最佳的块顺序，然后是组顺序。
2.2顺序功能图SFC编程
      SFC可用于图形化组态批量生产的顺序控制。每个 SFC 都具有用于控制和用于状态信息的输入及输出。如果需要的 话，SFC 可直接在 CFC 中定位和互连。 只需简单的操作，即可选择所需的 CFC 块连接，并连接到定序器的步或过渡点。符合标准 ISA S88 的状态管理允许每个 SFC 最多组态8个单独的顺序链，用于特殊操作，例如保持或放弃状态、安全状态或各种操作模式。对于 SFC 组态，提供有简便的编辑功能，以及功能强大的测试和调试功能。
2.3工业监控组态软件
      工业监控组态软件WinCC是一个集成的人机界面系统和监控管理系统，它是在Windows环境下，面向对象的32位工业监控组态软件，适合任何自动化控制系统。该组态软件集成了图形技术、人机界面技术、数据库技术、控制技术、网络与通信技术等，使控制系统开发人员不必依靠某种具体专业的计算机语言，只需通过可视化的组态方式，就可完成监控软件设计，降低了监控画面开发难度。组态软件拥有丰富的工具箱、图形库和操作向导，使开发人员避免了软件设计中许多重复性开发工作，可提高效率，缩短开发周期，它已经成为监控系统主要软件开发工具之一。
      采用西门子Wincc6.0软件设计监视画面，对操作界面汉化，进行制煤、喷煤的主要操作及状态显示；能根据生产需要实现参数修改，包括故障报警显示及查找等。上位机管理系统要完成对喷煤数据的管理工作，通过控制系统与上位机的双向通讯。其优点有：上位机在汉化的操作界面下管理着操作者的所有输入，并以输入内容做出检查，避免出错，操作非常容易；避免操作人员直接与控制系统接触，可防止因误操作而破坏程序。
本系统主要有以下操作画面：
原煤储运系统工艺流程模拟画面；
制煤系统工艺流程模拟画面；
喷吹系统工艺流程模拟画面；
加热炉系统工艺流程模拟画面；
喷煤系统工艺流程模拟画面；

  3喷煤工艺控制
3.1原煤储运系统
       配煤系统包括三台圆盘给料机和三台皮带称。圆盘给料机采用变频器控制，通过控制变频器的频率，达到控制其转速的目的，从而调节圆盘给料机下料量的多少，达到所需的重量和煤种之间配比的要求。
3.2制粉系统
      制粉系统主要包括一台中速磨机、粗粉分离器和布袋收粉器三部分。煤在中速磨中磨成煤粉，煤粉经粗粉分离器被主抽风机抽到布袋收粉器中，煤粉被收集到煤粉仓中。
制粉系统的主要控制有：
3.2.1磨煤机入/出口温度控制
     煤粉输送气体。由于热风炉废气温度变化较大，因此用加热炉产生高温烟气与热风炉废气混合，为磨煤机提供一定的干燥和温度稳定的气体。磨煤机入口温度可通过比值调节实现，即调节加热炉产生高温烟气与热风炉废气的混合比值来控制入口温度。在制粉系统中磨煤机出口粉温度要比入口温度重要，由于受磨煤机负荷及原煤干湿程度的影响，磨煤机出口风粉温度较难控制，因此可将磨煤机入口温度控制作为副环，出口风粉温度作为主环构成串级，这样,减少了滞后，提高了抗干扰能力。
3.2.2中速磨机负荷控制
    中粗磨机是整个制粉系统的核心部分，负荷自动控制就是在保证喷吹要求的前提下，使中速磨机在最经济的工况下运行。磨煤机负荷自动控制通常都是通过调节给煤机给煤量来实现，通过变频器控制给煤皮带的速度，从而控制给煤量。
3.2.3磨煤机前负压控制
   在使用中速磨制粉时，由于煤粉的细度与通风量之间是比例关系，因此保持磨煤机的风量不变，则煤粉的细度不变。保持磨煤机前负压的稳定，便能达到风量稳定的目的。实际上负压控制就是煤粉细度的控制，同时也能防止煤粉外泄。
3.3 喷吹系统
     喷吹系统主要是向高炉输送煤粉，细煤粉利用自重从煤粉仓落到喷吹罐中，并用氮气充压。每座高炉都设计有两个喷吹罐，当一个喷吹罐装满煤粉并充压到压力设定值后，开始喷煤，喷空后，另一个装满煤粉的喷吹罐就与煤粉输送管道接通，经过短暂的过渡，喷空的操作罐开始卸压、装煤粉和再充压。
    为了保证喷吹量的稳定，需保持喷吹罐内压力的稳定，通过调节补压调节阀的开度可保持罐压在设定范围之内。补压设定值与罐压实测值比较运算后，通过罐压调节画面设定输出补压调节阀的开度。功能框图见图2。
   图2 喷吹罐PID调解功能框图
         在一定的喷吹压力下稳定流化氮气量和压缩空气补气量，改变输煤阻力和固气比。人工设定喷吹率设定值和罐压，通过调节补气调节阀来调节喷吹率，补气调节阀根据采样数据，将设定喷吹率与实际喷吹率相比较，当设定值大于实际值时，阀位开大，反之，阀位开小。
      阀门的控制分为自动和手动两种方式，在自动方式时，根据自动倒罐的条件，自动顺序开关相应阀门。手动方式又分为单动和联动两种方式，根据工艺要求，单个控制阀门的开、关不受其他条件的限制；在联动方式下，需在满足联锁保护条件和阀门开关顺序的情况下才能操作。
    紧急停喷和阀门故障时均发出报警信号，提醒操作人员及时准确定位处理。
3.4热炉系统
        该系统为制粉系统提供干燥原煤和输送煤粉的干燥气。干燥气是热风炉废气与烟气炉烟气的混合气体，主要采用热风炉废气，不足热量由烟气炉烟气补充。为了保证磨煤系统所需的一定温度及流量的一次混合干燥气，必须实现干燥气流量和温度的动态调节，使出口温度处于规定值内，并通过磨煤机出口温度变化情况进一步控制和调节磨煤机入口的热风炉废气调节阀的开度。当高炉煤气压力高于高定值或低于低定值时，系统自动关闭高炉煤气切断阀。冷空气调节系统由操作人员根据中速磨所需热风的温度的高低，通过计算机手动调节阀门开度来混兑冷空气。
高炉喷煤控制系统的操作员站由两台西门子工控机组成，一台用来显示喷煤系统主画面，另一台用
来显示生产操作技术参数，两台互为热备份。工控机具体配置为P4处理器，2.4GHz主频，1G内存，80GB硬盘，Windows 2000英文操作系统，19英寸SVMSUNG CRT。

  4、结束语
      以上介绍了SIEMENS PCS7开放系统的硬件系统的构成、宣钢9＃高炉喷吹系统控制方案，在程序设计中始终贯彻安全第一的思想。该系统自投运以来，高炉在生产正常的情况下，相比同等类型的高炉，利用系数高出0.2左右，收到了可观的经济效益。另外，更重要的是，也说明自动化系统的初投资，能从生产中不断取得经济效益，这是值得人们关注的问题。
  作者信息：王春元  2004年毕业于内蒙古科技大学自动化专业，助理工程师。
工作单位: 河北省宣化钢铁公司炼铁厂
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