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PLC在转炉电气控制系统中的应用及改进
随着时代的发展,当今的技术也日善、 竞争愈演愈烈;单靠人工的操作已不能满足于当前的制造业前景,也无法保证更高质量的要求和高新技术企业的形象.
人们在生产实践中看到,自动化给人们带来了极大的便利和产品质量上的保证,同时也减轻了人员的劳动强度,减少了人员上的编制.在许多复杂的生产过程中难以实现的目标控制、 整体优化、 最佳决策等,熟练的操作工、 技术人员或专家、 管理者却能够容易判断和操作,能够获得满意的效果.人工智能的研究目标正是利用计算机来实现、 模拟这些智能行为,经过人脑与计算机协调工作,以人机结合的模式,为解决十分复杂的问题寻找最佳的途径
”PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用能够编制程序的存储器, 用来在其内部存储执行逻辑运算、 顺序运算、 计时、 计数和算术运算等操作的指令, 并能经过数字式或模拟式的输入和输出, 控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体, 易于扩展其功能的原则而设计。”
PLC的特点
灵活通用: 在实现一个控制任务时, PLC具有很高的灵活性。首先, PLC产品已系列化, 结构形式多种多样, 在机型上具有很大的选择余地。其次, 同一机型的PLC, 其硬件构成具有很大的灵活性, 用户可根据不同任务的要求, 选择不同类型的输入输出模块或特殊模块, 组成不同硬件结构的控制装置。再者, PLC是利用软件实现控制的, 在软件编制上具备较大的灵活性。在实现不同的控制任务时, PLC具有良好的通用性。相同硬件构成的PLC, 利用不同的软件能够实现不同的控制任务。在被控制对象的控制逻辑需要改变时, 经过修改PLC程序能够很方便地实现新的控制要求, 而利用一般继电器控制线路则很难实现。
安全可靠: 为满足工业生产对控制设备安全可靠性的要求, PLC采用微电子技术, 大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成, 选用的电子器件一般是工业级的, 有的甚至是军用级的, PLC的平均无故障时间在两万小时以上。PLC完善的自诊断功能, 能及时诊断出PLC系统的软、 硬件故障, 并能保护故障现场, 保证了PLC控制系统的工作安全性。
环境适应性好: PLC具有良好的环境适宜性, 可应用于较恶劣的工业现场。例如, 有的PLC在电源电压AC220V.电源瞬间断电10ms的情况下, 仍可正常工作, 具有很强的抗空间电磁干扰的能力, 能够抗峰值1000V、 脉宽10us的矩形波空间电磁干扰; 具有良好的抗振能力和抗冲击能力; 对环境温度湿度要求不高, 在环境温度零下二十度到六十五度情况下都能够正常工作的。
使用方便、 维护简单: PLC的用户界面什么友好, 给使用者带来了很大的方便。PLC提供标准通信接口, 能够很方便地构成PLC网络或计算机-PLC网络。PLC控制信号的输入输出非常方便, 对于逻辑信号来说, 输入输出均采用开关方式, 不需要进行电平转换和驱动放大; 对于模拟信号俩说, 输入输出均采用传感器、 仪表的标准信号。PLC程序的编制和调试非常方便, PLC的编程语言一般采用梯形图语言, 与继电器控制线路很相似, 即使没有计算机知识的人也很容易掌握; PLC具有监控功能, 利用编程器或监视器能够对PLC的运行状态、 内部数据进行修改或监视, 增加了调试工作的透明度。PLC控制系统的维护非常简单, 利用PLC的自诊断功能和监控功能, 能够迅速查找故障点, 及时予以排除。
速度较慢、 价格较高: PLC的速度与单片机等计算机相比相对较低, 单片机两次执行程序的时间间隔能够是毫级秒, 一般的PLC两次执行程序的时间间隔是10ms级。PLC的一半输入点在输入信号频率超过十几赫后就很难正常工作, 为此, 有的PLC设有高速输入点, 可输入频率数千赫的开关信号。PLC的价格也较高, 是单片机系统的2-3倍。可是, 从整体来说, PLC的性能价格比试令人满意的。
PLC的基本功能
逻辑控制功能: 逻辑控制功能实际上就是位处理功能, 是PLC的最基本功能之一。PLC设置有”与”、 ”或”、 ”非”等逻辑指令, 利用这些指令, 根据外部现场( 开关 按钮或者其它传感器) 的状态, 按照指定的逻辑进行运算处理后, 将结果输出到现场的被控制对象( 电磁阀、 电动机等) 。因此, PLC能够代替继电器进行开关控制。完成触点的串联、 并联、 串并联、 并串联等各种连接。另外, 在PLC中一个逻辑位的状态能够无限次地使用, 逻辑关系的修改十分方便。
定时控制功能: PLC中有许多能够提供用户使用的定时器, 其功能类似于继电器线路中的时间继电器。定时器的设定值( 定时时间) 能够在编程时设定, 也能够最喜爱运行过程中根据需要进行修改, 使用方便灵活。程序执行时, PLC将根据用户用定时器指令指定的定时器对某个操作进行限时或者延时控制, 以此来满足生产工艺的诸多要求。
计数控制功能: PLC为用户提供了许多计数器, 计数器计数到某一数值时, 产生一个状态信号, 利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。计数器的设定值能够在编程时设定, 也能够在运行过程中根据需要进行修改。程序执行时, PLC将根据用户用计数器指令指定的计数器对某个控制信号的状态改变次数( 如某个开关的闭合次数) 进行计数, 以此完成对某个工作过程的计数控制。
步进控制功能: PLC为用户提供了若干个移位寄存器, 能够实现由时间、 计数或者其它指定逻辑信号为转步条件的步进控制。即为一道工序完成以后, 在转步条件控制下, 自动进行下一道工序。有些PLC还专门设置了用于步进控制的步进指令和鼓形控制操作指令, 编程和使用都极为方便。
数据处理功能: 大部分PLC都具有数据处理功能, 能够实现算术运算、 数据比较数据传达、 数据转移、 数制转换、 驿马编码等操作。大、 中型PLC数据处理功能更加齐全, 能够完成开发、 PID运算、 浮点运算等操作。还能够和CRT、 打印机相连, 实现程序、 数据的显示和打印。
通信联网功能: 许多PLC采用通信技术, 实现远程I/O控制、 多台PLC之间的同位链接、 PLC与计算机之间的通信等。例如日本立石公司开的PLC, 利用双绞线或光纤, 能够链接多个远程从站, 每个从站可达到数百个I/O点。利用PLC同位链接, 能够把数十台PLC采用同级或者分级的方式连接成网络, 使各台PLC的I/O状态相互透明。采用PLC与计算机之间的通信连接, 能够用计算机作为上位机, 下面连接数十台PLC作为现场控制机, 构成”集中管理、 分散控制”的分布式控制系统, 以此完成较大规模的复杂控制。
监控功能: PLC设置了较强的监控功能。利用编程器或监视器, 操作人员能够对PLC有关部分的运行状态进行监视。利用编程器, 能够调整定时器、 计数器的设定值和当前值, 并能够根据需要改变PLC内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容, 为调试和维护提供了极大的方便。
停电记忆功能: PLC内部的部分存储器所使用的RAM设置了停电保持器件( 如备用电池等) , 以保证断电后这部分存储器中的信息能够长期保存。利用某些记忆指令, 能够对工作状态进行记忆, 以保持PLC断电后的数据内容不变。PLC电源恢复后, 能够在原工作基础上继续工作。
故障诊断功能: PLC能够对系统构成、 某些硬件状态、 指令的合法性等进行自诊断, 发现异常情况, 发出报警并显示错误类型, 如果严重错误则自动停止运行。PLC的故障自诊断功能, 大大提高了PLC控制系统的安全性和可维护性。
在了解了PLC的基本功能和特点后, 我们也来了解下PLC的应用范围, 当前PLC已经广泛的应用于冶金、 化工、 机械、 电力、 电子、 轻工、 建筑建材、 交通灯几乎所有的工业控制领悟。可是, 不同档次的PLC又有其不同德应用范围。低档小型PLC能够广泛地代替继电器控制线路, 进行逻辑控制, 适用于开关量较多、 没有或只有很少几路模拟量的场合。中档PLCk能够广泛应用于具有较多开关量、 少量模拟量的场合。高档PLC适用于具有大量开关量和模拟量的场合。
现代工业中, 转炉控制要求十分精密的, 而且转炉相对于其它的而言比较危险, 环境比较恶劣, 而PLC正好适用于这个。安钢100t转炉 3月26日投产, 年设计生产能力120万t, 面对生产任务及工艺的要求, 此转炉存在的问题在生产中逐渐暴露出来。经过控制系统硬件上的改造和软件上的优化控制、 功能完善和补充, 其稳定性和实行性都比以前要更先进一步, 而且设备维护也更加简单方便。

1 电气自动化控制系统的组成及原理
1.1 转炉本体控制系统设备组成
转炉系统由6台S7-400 PLC组成主干环网, 使用CP443-1模板、 4台OSM、 光纤与双绞线等设备, 建立工业以太网网络; 6台PLC分别为复吹、 氧枪倾动、 汽化系统、 上料系统、 投料系统和二次除尘系统。操作员站、 工程师站、 OPC服务器等计算机经过以太网卡、 CP1613等连接至OSM上, 安装有STEP7、 WINCC等软件。
现场总线为Profibus-DP网络, 由PLC Dp口( CPU 416-2 DP) 、 CP443-5 Ext、 图尔克远程站模板构建.6个系统有各自的DP网络, 远程站为各现场操作箱、 接线箱、 变频器等。远程站数目少的为2处, 最多的为氧枪倾动系统, 有,3路Profibus-DP总线, 共计三十余处远程站。
1.2电气控制系统的主要功能
1.2.1氧枪倾动系统
炉体倾动功能完成: 由PLC控制4台变频器驱动4台75kW交流笼型电机, 经过减速机, 使转炉能够360°旋转; 电动机端部均装有测速编码器, 反馈转速给变频器, 构成闭环控制; 为保证4台电机转矩同步, 4台变频器组成SIMOLINK环, 由一号或二号为主; 4台电机平时全部投用, 但允许使用3台工作, 这样当一台设备有故障时, 生产不受影响; 4台抱闸液压推杆装置由变频器控制打开, 保证制动功能可靠; 转炉耳轴处装有角度编码器, 实时给出炉体角度, 其值可经过0°机械限位来校正。
氧枪有横移和升降运动功能。氧枪的高度检测与控制是转炉设备的核心, 有3套装置: 编码器、 凸轮开关和机械限位。凸轮开关使用不便, 每次换绳都需调整, 而调整过程又比较繁杂, 因此一般使用编码器控制, 它不但可靠、 使用方便, 还能给出连续量变化的高度值。氧枪编码器使用图尔克的终端设备, 作为一个远程站在DP网上, 在STEP7程序中设计, 可使用机械限位对其进行校正。氧枪升降电机为一台75kW交流电机, 由一台西门子变频器驱动, 同样装有测速编码器, 氧枪升降电机的抱闸控制更严格, 必须给出预转矩后才能打开。
1.2.2顶底复吹系统
此系统PLC( 远程站) 有大量模拟量模板, 检测各气体、 液体流量压力等, 给出正常信号。收到倾动PLC给出的生产指令后, 打开相应阀门。顶吹即为氧枪的气体阀门、 水阀门等的控制; 底吹是指炉底接有6个支管, 吹出氩气或氮气保证冶炼时充分搅拌。
1.2.3汽化系统、 除尘系统
转炉冶炼时产生大量烟气, 由汽化除尘系统设备除去, 包括一文、 二文、 汽包、 除氧器等。6台供水泵和循环泵使用有2台西门子变频器、 4台软启动设备, 阀门使用常规电气控制。终端为6kV一次风机两台一用一备。二次除尘系统与汽化系统不同的是, 它主要除去来自上料、 投料、 炉口等处的灰尘, 没有有害气体, 有一台 kW风机, 有布袋除尘器设备。
1.3网络组成
交换机使用西门子产品OSM TP62, 能够连接6个以太网口, 2个光纤口, 光纤连接可达3000m, 能够监视网络状态并输出报警。以太环网含有50个OSM, 当冗余管理器检测到两侧网络断线时, 它重建网络结构的时间不大于0.3s。使用交换机的port7和port8两个光纤口, 连接成环网, 同时把某一个OSM设置为冗余管理器, 实现冗余控制。

PLC机架上使用CP443-1模板。CP443-1模板是siemens s7-400 PLC 连接工业以太网的模板, 支持多种协议的通信, 工作稳定可靠, 可最多连接48个s7或64个TCP。
在各个Profibus-DP网络, PLC为主站, 从站为远程IO站操作箱、 变频器、 编码器等等。设计原则是充分利用分布式现场总线网络灵活、 方便、 节约资金的优点, 同时尽量避免其缺点( 网络通信故障易导致相当多一部分设备不能工作) 。
1.4 HMI系统与OPC服务器
一级自动化级的HMI为5台工业PC机, 工控机上使用CP1613或普通以太网卡, 安装WINCC监控软件。操作人员经过画面输入有关工艺操作数据, 向PLC下达控制命令。另外, HMI经过PLC可采集生产过程中的各种检测数据, 并以数据文件或生产流程图等形式在CRT上显示, 用于监视生产过程和设备运行状态, 还可对生产过程中的数据进行报表打印和事故报警打印, 并存储主要工艺参数的历史趋势图。
Opc服务器安装有simatic net软件, 经过网络读取PLC中变量信息, 再用VC做成第三方软件实现监控和报表功能的功能, 完成物流跟踪。可同时安装另一块网卡连接办公网, 实现生产信息的发布与交换。
2主要存在问题及改进优化措施
( 1) 现场总线通信系统的改造。
主PLC机架上增加CP443-5模板,优化、 分散所带通信节点, 或把关键站点如摇炉操作台、 倾动变频器、 编码器等单独列出, 以达到保证关键设备可靠使用的目的。新增CP443-5模板所带通信节点为地面车辆操作台、 变频器和倾动编码器。原兑铁操作台从第一路分离出, 编入第二路, 这样第二路节点只有6台关键变频器和1个摇炉台, 能够保证可靠使用。优化后的通信线路如下:
1路: PLC-5( CPU416-2DP) —出钢操作台( 7) —炉后门操作箱FZLC32( 11) —出渣操作台( 6) —主操作台( 4) —卷帘门操作箱FZLC33( 12) —炉前门操作箱FZLC31( 10) —横移小车操作箱FZLC35( 14) —锁定缸操作箱FZLC36( 15) —2#氧枪操作箱( 9) —2#氧枪编码器( 17) —1#氧枪操作箱( 8) —1#氧枪编码器( 16)
2路: CP443-5—1#倾动变频器—2#倾动变频器—3#倾动变频器—4#倾动变频器—1#氧枪变频器—2#氧枪变频器—兑铁水操作台( 5) 。
3路: 最右侧CP443-5—( 2#氧枪变频柜内接头) —倾动编码器—钢包车变频器—出渣车9CT( 61) —钢包车1CT( 67) —出渣车7CT( 63) —出渣车8CT( 62) —钢包车2CT( 68)
这样改造的优点: 保证主体设备的运行; 大大的节约故障排除时间; 缩短DP通信线路, 有利于信号的传送。
( 2) 转炉各皮带及加料除尘阀门站通信网络配置改造及优化措施。
转炉二次除尘在辅原料系统、 铁合金系统共16个料仓安装有16个除尘阀门, 在现场分布8个操作箱, 使用了8个远程站, 不但站点多、 线路长, 占用模板通道多, 还有可能影响网络前段加料系统正常工作。在生产初期, 为了保证正常生产, 此部分动作功能没有投用, 为满足除尘效果, 现场阀门处于常开状态, 风机负载加大, 电耗居高不下。为此, 对整个除尘系统进行了电气控制改造。
首先把现场8个控制箱简化为2个, 在现场辅料、 合金料处各保留一个电控箱。在控制箱内使用统一的远程/就地切换按钮, 把其余操作按钮、 指示灯等全部去掉, 操作直接经过现场限位点经由PLC通信来完成, 在远程站模板上只保留必须的阀门限位点, 这样节省了大量I/O通道, 原来的多个操作箱得以最大简化。另外, 在PLC程序中修改控制功能, 设定为完全自动控制, 整个除尘系统无需人员操作, 当上料车到某个料仓, 而且皮带运行确实加料时, 其除尘阀门自动打开, 而其余15个不用的除尘阀门全部关闭, 这样, 不但大大提高了风道压力, 提升了除尘效果, 还大大降低了二次风机2500kW电机的动力电耗。
( 3) 转炉氧枪提升事故系统的改造。
转炉氧枪提升系统抱闸原设计为单个液压抱闸, 在使用过程中易出现因液压抱闸磨损或调整不到位等因素而引发的下滑溜枪现象。改造方案是增加一套液压抱闸, 但控制系统仍由原来的控制系统完成, 这样动作同步而且安全可靠。增加一套事故提升系统, 即在主电机或氧枪变频器及速度编码器出现故障导致氧枪不能提升或溜枪时, 生产工可经过开启事故电机来提升氧枪, 从而能够保证顺利更换氧枪小车, 而且经过事故操作联锁切断氧枪变频器电源, 完全避免了恶性事故的发生。此项改造A、 B氧枪主要增加设备有: 西门子UPS电源控制柜一套; 电池柜一套; 事故电机( 带电磁抱闸) 每枪一台。
( 4) 转炉底吹系统的改造。
底吹系统是炼钢的关键设备, 主要由氮气和氩气2个切断阀及6个支管调节阀及自动设定组成。原设计是根据炼钢时间段不同 2个切断阀按PLC程序设定自动打开关闭。随着所炼钢种的增多, 这种单一的自动控制模式, 不能满足生产工艺的要求, 易造成支管堵塞, 影响底吹效果, 而且氩气浪费相当严重, 与低成本运行不符。原系统缺点: 氮气氩气切换时间不能控制, 固定为吹炼10min后切换, 而且在整个搅拌过程中氮气和氩气气体流量设置单一, 造成适合的钢种比较单一, 而且气体不能充分利用。从PLC程序上入手, 重新编写程序, 共分4套自动控制模式( A、 B、 C、 D) ,操作工可根据钢种分类及冶炼时间段自动选择其中一种模式。改造完毕后, 4种模式对应气体切换的不同时间, A模式为开始吹炼5min后由吹氮气切换为吹氩气, B、 C模式分别对应8min和10min切换, 而D模式为冶炼期间全程吹氩。不论哪一种模式, 在兑铁、 倒渣、 出钢摇炉期间均使用低流量吹氮, 保护气体管路; 在冶炼的期间, 吹气流量依照吹炼时间不同进行调节, 经过与工艺人员的配合、 实践, 确定分别为每分吹气80m3、 50 m3、 40 m3; 对应炉底的6个不同支管, 根据位置的不同, 对流量要求进行了优化, 对炉底中间的3、 4号透气管流量适当开大。 达到的效果: 工艺方能够根据钢种不同灵活选择合适的流量设定值与切换时间, 在冶炼调铝钢种时还能够全程吹氩, 能够发挥顶底复吹转炉的设备优势。这样不但方便了操作, 而且大大降低了低压氮气和氩气的气体消耗, 减少了钢水中氮的含量, 大大提高了钢水质量。
( 5) 氮气密封装置的控制改造。
炉氮封系统分为两大部分, 即炉口活动烟罩氮封系统和转炉加料斗及溜管氮封系统。氮气密封装置主要设备为氮气气动切断阀, 在转炉冶炼过程中, 氮气气动切断阀始终处于打开状态, 连续向加料管中吹入氮气。转炉吹氧枪的氧气切断阀与氮气气动切断阀联锁, 活动烟罩氮封在冶炼时常开, 流量 m3/h。加料系统氮封包括3个氮气管路, 其中的2个用于加料斗密封, 在加料斗打开时氮气阀门打开, 防止散装料粉末飘散, 防止冶炼时炼钢产生的烟、 火上升损坏设备; 较大的,1个氮气管路与阀门用于加料斗下部和2个加料溜管的冷却密封, 在整个冶炼期间必须保证效果, 否则必然损坏溜管。系统工作时氮气流量达6000 m3/h, 全天24h工作, 耗气量极大。
设备人员的重复推敲试验, 将炉口活动烟罩氮封系统的管路整个改为压缩空气密封, 大大节省了低压氮气消耗。对于加料系统氮封, 由于其溜管必须保持干燥, 不能改用压空, 于是只能对电气联锁和气体流量进行重复试验与推敲。原阀门联锁为当氧阀打开时开氮封阀门, 事实证明, 在溅渣期间或是在炼钢间隙等待验样结果时, 由于炉口朝上, 烟气依然上涌, 容易导致设备损坏, 在生产初期曾大量出现溜管和料斗液压缸损坏事故。将PLC程序修改为炉口向上是开氮封, 但这样反而增加了氮气消耗, 于是在此基础上, 准备使用流量调节的方式。整个过程是在节约气体成本与保护设备、 节约设备成本之间寻找最佳平衡点, 为了不增加设备成本, 没有加装调节阀, 对氮气管路进行了修改, 使工作流量一步步降低到3000 m3/h, 在节约大量气体成本的基础上完成设备保护功能, 而且有效提高了氮气的使用率, 节能效益十分可观。
由于工业生产对自动控制系统需求的多样性, PLC的发展方向有两个:
一是朝着小型、 简易、 价格低廉方向发展。单片机的出现, 促进了PLC向紧凑型发展, 体积减小, 价格降低, 可靠性不断提高。这种PLC能够广泛取代继电器控制系统, 应用于单片机控制和规模比较小的自动化控制。
二是抄着大型、 高速、 多功能方向发展。大型PLC一般为多处理系统, 由字处理器、 位处理器和浮点处理器等组成, 有较大的存储能力和功能很强的输入输出接口。经过丰富的智能外围接口, 能够独立完成位置控制、 闭环调节等特殊功能; 经过网络接口, 能够级练不同类型的PLC和计算机, 从而组成控制范围很大的局部网络, 适用于大型自动化控制系统。
总的发展趋势是CPU处理速度进一步加快, 控制系统将分散化, 可靠性进一步提高、 控制与管理功能一体化。
从PLC的发展趋势来看, PLC控制技术将成为今后工业自动化的主要手段。在未来的工业生产中, PLC技术、 机器人技术和CAD/CAM技术将成为实现工业生产自动化的三大支柱。PLC作为一门控制技术在中国已有近二十年的应用, 并已从工业控制逐渐向其它行业扩展, 相信随着其本身性能的不断提高, 其应用领悟将不断拓宽, 了解及掌握这一技术, 将是中国的自动化控制技术得到更广泛的营养和发展。