袁曉紅1, 趙明2, 趙春娜1
( 11 首都師范大學(xué) 信息工程學(xué)院, 北京 100048; 21 遼寧科技大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院, 遼寧 鞍山 114051)
摘 要: 以唐鋼原料場為例, 介紹了大型原料場的工藝流程和控制方式,對常用的控制模式和實現(xiàn)方法進行了詳細論述, 介紹了控制系統(tǒng)的架構(gòu)和硬件、軟件設(shè)計。將工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)結(jié)合,應(yīng)用到大型綜合原料場控制系統(tǒng), 解決了遠程、強干擾、大容量復(fù)雜的系統(tǒng)數(shù)據(jù)和信息傳輸控制問題。
關(guān)鍵詞: 原料場; 控制模式; 可編程控制器; 現(xiàn)場總線; 工業(yè)以太網(wǎng)
1 前 言
原料場是鋼鐵企業(yè)的重要組成部分, 主要工藝設(shè)備包括: 螺旋卸車機、給料機、膠帶機、破碎機、振動篩、卸料小車、堆取料機等, 以及相關(guān)的水泵站和除塵設(shè)施。通常, 一個大型原料場要承擔(dān)燒結(jié)廠、煉鐵廠、煉鋼廠、石灰廠等生產(chǎn)部門所需的礦粉、石灰石、焦炭和煤炭等原料的受卸、存儲、混勻和轉(zhuǎn)運等任務(wù), 以滿足鋼鐵企業(yè)正常生產(chǎn)的需要。由于其作業(yè)特點, 生產(chǎn)現(xiàn)場難免會有大量的粉塵和水汽, 采用自動控制系統(tǒng)能極大地減輕現(xiàn)場操作人員的勞動強度,改善其的工作環(huán)境( 避免在高粉塵環(huán)境下工作), 提高生產(chǎn)效率。在原料場控制系統(tǒng)設(shè)計中, 把工業(yè)現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)結(jié)合在一起, 提高了整個系統(tǒng)的可靠性, 同時可以隨時增加控制系統(tǒng)規(guī)模, 提高了系統(tǒng)組態(tài)的靈活性。
2 被控對象工藝流程
綜合原料場通常包括以下控制項目: 火車受卸料系統(tǒng)( 模式 A) 、汽車受卸料系統(tǒng)( 模式B) 、地下受料倉 A 系統(tǒng)( 模式 C) 、地下受料倉 B系統(tǒng)(模式D)、儲料場AB列系統(tǒng)(模式 E)、儲料場CD 列系統(tǒng)(模式 F)、混勻系統(tǒng)(模式 G)、高爐供料系統(tǒng)(模式H)、高爐返礦系統(tǒng)(模式 J)。
2、1 控制模式
1) 火車受卸料系統(tǒng)( 模式 A)
模式 A 主要是從火車受料倉 1#~ 10#至儲料場 A、B 列、儲料場 C、D 列、高爐焦槽以及燒結(jié)配料室膠帶機的原料輸送模式, 它包括 A1~A5 五個模式, A01~ A09 九個控制流程。
2) 汽車受卸料系統(tǒng)( 模式 B)
模式 B主要是從汽車受料倉 1#~ 8#至儲料場 A、B列、儲料場 C、D 列以及燒結(jié)配料室膠帶機的原料輸送模式, 它包括 B1~ B3 三個模式, B01~ B05 五個控制流程。
3) 地下受料倉 A 系統(tǒng)( 模式 C)
模式 C主要是從地下受料倉 A1#~ A4#至儲料場 C、D 列以及燒結(jié)配料室膠帶機的原料輸送模式, 它包括 C1、C2 兩個模式, C01、C02 兩個控制流程。
4) 地下受料倉 B 系統(tǒng)( 模式 D)
模式 D 主要是從地下受料倉 B1#~ B4#至高爐礦槽、預(yù)留高爐礦槽、混勻配料室以及石灰窯原料庫膠帶機的原料輸送模式, 它包括 D1~D4 四個模式, D01~ D12 十二個控制流程。
5) 儲料場 AB 列系統(tǒng)( 模式 E)
模式 E 主要為從儲料場 A、B列至混勻配料倉1#~ 8#以及高爐礦槽、焦槽的原料運輸模式, 它包括 E1~ E4 四個模式, E01~ E07 七個控制流程。
6) 儲料場 CD 列系統(tǒng)( 模式 F)
模式 F 主要為從儲料場 C、D 列至混勻配料倉1#~ 8#及高爐礦槽、預(yù)留高爐礦槽、石灰窯原料庫的原料運輸模式, 它包括 F1~ F4 四個模式, F01~ F06 六個控制流程。
7) 混勻系統(tǒng)( 模式 G)
模式 G 主要為從混勻配料室至混勻料場A、B 堆及混勻料場至燒結(jié)配料室膠帶機輸送模式, 它包括 G1~ G2 兩個模式, G01~ G02 兩個控制流程。
8) 高爐供料系統(tǒng)( 模式 H )
模式H 主要為從煤氣廠篩分室, 成品燒結(jié)礦膠帶機和配煤倉 1#~ 3#至高爐礦槽、焦槽及高爐噴煤制粉站運輸模式, 它包括 H1~ H5 五個模式, H01~ H05 五個控制流程。
9) 高爐返礦系統(tǒng)( 模式 J)
模式 J 主要為從高爐返礦返焦倉至儲料場C、D 列運輸模式, 它包括 J1~ J4 四個模式, J01~ J06 六個控制流程。
2、2 控制系統(tǒng)基本功能
原料場控制系統(tǒng)的主要功能有: 1 集中自動/ 集中手動運行方式的切換; 0各流程自動順序起動或自動順序停止的控制; 上位機 PLC的數(shù)據(jù)交換; 1/4卸料小車等移動設(shè)備的自動定位控制; 1/2流程狀態(tài), 設(shè)備狀態(tài)的生成及顯示; 3/4事故狀態(tài)信號處理, 事故報警, 預(yù)告報警及過程報警; ¿各流程的緊急停車;Á料倉料位的動態(tài)顯示; Á 水泵站內(nèi)泵的控制及工作狀態(tài)顯示;Â噴淋水閥的自動切換及工作狀態(tài)顯示; lv除塵風(fēng)機的控制及工作狀態(tài)顯示; lw給料機的換倉; kv各數(shù)據(jù)庫的建立。
3 系統(tǒng)構(gòu)成
大型綜合原料場一般由幾十條膠帶輸送機、螺旋卸料機、堆取料機、混勻堆取料機和卸料小車、物料料倉、中間轉(zhuǎn)運站圓盤給料機等組成。其特點是場區(qū)范圍大, 被控對象分散, 控制信號傳輸距離遠, 電磁干擾大(大量的大功率電機啟停)。因此, 要求控制系統(tǒng)必須具有很好的抗干擾能力, 保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。系統(tǒng)遠程數(shù)據(jù)和信息傳輸采用光纖介質(zhì), 近端數(shù)據(jù)和信息傳輸采用高等級屏蔽電纜, 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。
3、1 硬件配置
控制系統(tǒng)選用西門子公司的 S7- 400 系列可編程序控制器作為主控系統(tǒng), 遠程數(shù)據(jù)和信息采集系統(tǒng)選用西門子 S7- 300 系列可編程控制器模板。根據(jù)工藝流程的劃分, 配置兩套主控 PLC 系統(tǒng), 由西門子 S7- 400 組成, 每套系統(tǒng)配置一塊 CP443- 1 工業(yè)以太網(wǎng)通訊卡。1#主控系統(tǒng)控制 1#~ 5#ET200 遠程數(shù)據(jù)和信息采集站, 主要控制原料系統(tǒng)的受料模式; 2#主控系統(tǒng)控制6#~ 8#ET200 遠程數(shù)據(jù)和信息采集站,主要控制由儲料倉開始至物料輸送終點的原料輸送模式。ET200 遠程站通過 Profibus- DP 現(xiàn)場總線與主控系統(tǒng)連接, 主站與遠程站的數(shù)據(jù)和信息采用光纖介質(zhì)傳輸。同一個模式的信息和數(shù)據(jù)盡可能進同一個主控 PLC 系統(tǒng), 跨區(qū)域的必要聯(lián)鎖數(shù)據(jù)和信息通過工業(yè)以太網(wǎng)在兩個主控 PLC系統(tǒng)之間傳輸。
系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機, 它是原料場所有數(shù)據(jù)和信息交換的主要通道。系統(tǒng)通過雙絞線端口將兩臺主控 PLC、兩臺操作員站、一臺工程師站、一臺網(wǎng)絡(luò)打印機和兩臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器連在一起, 構(gòu)成整個系統(tǒng)的控制中心。
3、2 軟件配置
1) 編程軟件
控制軟件主要的控制功能包括: 所有控制模式的智能邏輯控制算法; 控制模式申請、啟動、停止、故障處理及模式解除控制; 原料卸料小車運行、停止和定位以及附屬設(shè)備的啟停。系統(tǒng)編程軟件采用西門子公司的STEP7 軟件, 兩臺主控 PLC 之間通過工業(yè)以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)和信息傳輸, 智能邏輯控制程序框圖見圖 2。
2) 監(jiān)控軟件
對于任何一個工業(yè)過程控制系統(tǒng), 上位機監(jiān)控系統(tǒng)包括如下畫面: 生產(chǎn)管理畫面、主菜單、主畫面、子畫面或輔助畫面、趨勢曲線畫面、報警畫面、歷史數(shù)據(jù)查詢畫面、生產(chǎn)報表畫面。各畫面頂部信息條為報警信息條及時間、日期等顯示, 各畫面底部為畫面切換或退出功能按鈕, 該按鈕可定義鍵盤快捷鍵。系統(tǒng)采用西門子公司的 WinCC 監(jiān)控軟件, 完成整個系統(tǒng)的監(jiān)視和控制任務(wù)。
4 系統(tǒng)功能
原料場的控制主要分為兩大部分: 一部分為原料的輸送控制; 另一部分為原料堆取設(shè)備運轉(zhuǎn)控制。原料場主要設(shè)備包括: 輸送皮帶機、給料機、定量給料裝置、高爐粉倉下的給料閥門、各類給料機、分料裝置、卸料小車、犁式卸料器以及位于加工系統(tǒng)的振動篩、破碎機等。這些設(shè)備組成幾十個生產(chǎn)流程, 將不同的原料按生產(chǎn)需要輸往不同的生產(chǎn)車間。這些生產(chǎn)流程均由中央電氣室集中控制。系統(tǒng)運轉(zhuǎn)方式有模式自動、集中手動以及機旁手動三種。其中機旁手動方式主要用于單體設(shè)備的調(diào)試和檢修,不進主控 PLC系統(tǒng)。
4、1 集中手動運行方式
因特殊需求系統(tǒng)需要集中手動操作時, 可在系統(tǒng)操作站上選擇集中手動運轉(zhuǎn)方式, 根據(jù)生產(chǎn)需要確定原料輸送起始點和終點目標(biāo)后,輸入流程選擇指令, 計算機畫面將顯示該原料輸送流程所涉及的設(shè)備, 自原料輸送流程終點的設(shè)備開始, 逆原料輸送方向依次順序手動啟動設(shè)備。停機時, 自原料輸送流程的起始端設(shè)備開始, 順原料輸送方向手動依次順序停機, 并保證每臺設(shè)備上的原料排空后才停車。
4、2 模式自動運行方式
在中央電氣室通過 CRT 可選擇集中模式自動運行方式, 并可實現(xiàn)自動/ 集中手動運轉(zhuǎn)方式切換。當(dāng)選擇模式自動運行方式時, 通過操作站進行操作, 各系統(tǒng)的流程狀態(tài)以及設(shè)備狀態(tài)、報警信息均可在 CRT 上顯示。
模式自動運行控制是在集中自動狀態(tài)下,根據(jù)受料和供料的需求, 為原料輸送轉(zhuǎn)運設(shè)置傳輸路徑, 每一個控制模式對應(yīng)一個智能邏輯程序模塊( 即原料輸送流程), 完成一個指定原料輸送轉(zhuǎn)運過程。
原料輸送流程的選擇與解除: 根據(jù)生產(chǎn)需要確定原料輸送的起始位置和終點目標(biāo)后, 輸入原料輸送流程選擇指令, CRT 畫面將顯示輸入的原料流程運行路徑和該路徑上所有的設(shè)備。如果因選擇的原料流程中涉及的設(shè)備有故障或其它原因, 導(dǎo)致原料流程選擇失敗, 計算機畫面上將提示失敗的原因, 如設(shè)備故障或某些設(shè)備正在被其它流程選用, 并做報警提示。
原料輸送流程選擇完畢后, 如果出現(xiàn)特殊情況(如更改原料輸送目的地) 或發(fā)現(xiàn)錯誤( 如輸送目的地或路徑錯誤) , 系統(tǒng)可輸入原料輸送流程解除命令, 解除被選流程。
1) 原料輸送流程選擇成立條件: 所有被選設(shè)備的運行方式轉(zhuǎn)換開關(guān)處于聯(lián)動位置; 所有被選設(shè)備處于完好狀態(tài); 被選流程中的設(shè)備未被其它流程占用(未處于其它流程的聯(lián)鎖準(zhǔn)備或運轉(zhuǎn)狀態(tài)) 。
2) 聯(lián)動系統(tǒng)的聯(lián)鎖: 系統(tǒng)啟動時, 自原料輸送流程的終點設(shè)備開始, 逆原料輸送方向依次順序延時啟動該流程所用的設(shè)備, 延時時間由該流程所涉及設(shè)備的特性決定。系統(tǒng)停機時,
自原料輸送流程的起始端設(shè)備開始, 順原料輸送方向依次延時停止該流程所用的設(shè)備, 延時時間由每個設(shè)備上的物料全部排空所需時間決定。
3) 系統(tǒng)故障停機: 當(dāng)該流程某一設(shè)備故障導(dǎo)致該設(shè)備停機時, 以該故障設(shè)備為基點, 系統(tǒng)來料方向的所有設(shè)備立即同時停機, 該故障設(shè)備后面的設(shè)備繼續(xù)運行, 直至每臺設(shè)備的原料全部排空為止, 系統(tǒng)全部停車。
4) 系統(tǒng)緊急停機: 在中控室和每臺設(shè)備旁裝有緊急停機開關(guān), 一旦發(fā)生緊急情況, 按下該開關(guān), 系統(tǒng)所有聯(lián)動設(shè)備同時停機。
4、3 機旁手動方式
機旁手動方式主要用于整個系統(tǒng)單體設(shè)備的調(diào)試、測試和檢修。機旁手動方式具有最高控制權(quán)限, 系統(tǒng)進入該方式后, 其它任何操作都被禁止, 只能在現(xiàn)場手動操作單體設(shè)備。
5 結(jié)束語
該原料場控制系統(tǒng)已在唐鋼原料場投入運行, 通過合理使用先進的現(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù), 實現(xiàn)了料場原料輸送更為先進、復(fù)雜的控制管理功能, 保證了各個生產(chǎn)部門所需原料的供給, 使生產(chǎn)管理水平得到很大提高, 取得了明顯的經(jīng)濟和社會效益。同時, 為企業(yè)傳統(tǒng)生產(chǎn)控制管理模式的改進提供了可借鑒的方式。
參考文獻
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