S7—300PLC、MM440变频器在铁水脱硫喷吹系统中的应用设计

［编辑简介］：S7—300PLC、MM440变频器在铁水脱硫喷吹系统中的应用
［摘要］：S7—300PLC、MM440变频器在铁水脱硫喷吹系统中的应用
［关键词］：S7—300 PLC MM440 变频器 铁水脱硫 喷吹系统 应用
　　
S7—300PLC、MM440变频器在铁水脱硫喷吹系统中的应用
　 　　
　　1 系统简介
　　1.1 系统工艺、设备简介
攀枝花钢铁集团公司铁水预处理脱硫工艺主要包括粉料储存系统、供气系统、喷吹系统和除尘系统。其中粉料储存系统主要是将脱硫剂粉料从料仓送出并经旋转给料器进入分配罐，供气系统主要对作为工作气源和载体气源的氮气进行预处理，除尘系统对铁水喷吹过程中产生的烟尘进行处理排放。
　　整个工艺的关键是喷吹系统，主要由分配罐、喷抢和防溅罩3部分组成分配罐的功能是向喷枪管道提供具有一定压力的粉气混合流体，即铁水脱硫剂粉料和氮气。喷枪的功能是按工艺要求将粉气混合流体喷送到不同深度要求的铁水中，使脱硫剂在上浮过程中与铁水充分接触，脱去铁水中的硫。防溅罩的功能则是降低喷吹过程中产生铁水飞溅到铁水罐外的可能性。
　　1.2 系统电气控制要求  
系统的电气控制要求及动作顺序如下，各动作之间具有严格的连锁关系及转换条件：
　　（1）高炉铁水罐车到达脱硫位。
　　（2）分配罐自动加料结束、加压结束。
　　（3）防溅罩下降到下极限。
　　（4）脱硫喷枪下降到其中极限位，暂停5 8后打开下料球阀、流态化阀和助吹阀开始喷吹，之后喷枪依次下降到下限1、2、3位，并在各点依次喷吹3 min，然后上升到下限2等待。
　　（5）当“喷吹结束信号”到，喷枪上升到中极限暂停，关闭下料球阀和流态化阀，5 S后关闭助吹阎，最后喷枪上升到其上极限位停车。
　　（6）防溅罩上升到上极限后通知现场操作人员开出铁水罐车。
　　另外，为了保证喷吹效果及安全，系统将实时检测分配罐及喷吹管的压力，当分配罐压力低于O.50 MPa时，加压阀将自动打开加压，直至压力高于O.58 MPa后关闭。在喷吹过程中。当喷吹管压力小于O.45 MPa，或分配罐压力低于O.4oMPa时，系统将延时5 8自动提枪（也可手动）并紧急停车、报警。
　　
　　2 控IlIl系统的网络结构及配置
　　2.1 控制系统的网络结构
攀枝花钢铁集团公司以前的铁水炉外脱硫系统共有两套，各由一台低档的PLC来完成简单的电气动作控制，传动电机也只是作简单的正反转运行，自动化程度较低。
　　针对新的工艺及控制要求，新系统采用了先进的西门子PROFIBUS—DP现场总线网络结构。S7—300PLC作为DP主站，通过其远程分布式I／O从站ET200M对现场所有DI／DO、AI／AO设备进行连接与控制。同时，主站通过DP总线与MM440变频器进行通讯，实现了对传动电机的远程控制。
　　另外，通过PROFIBUS—DP，两套系统的实时运行状况、各I／O设备及变频器的实时参数都可送至主站PLC，再由上位机pC的人机界面HMI（WinCC V5.1编写）实现对两套系统全面、直观的监控。主站PLC 还可通过通讯处理器CP341—1与其他系统的主站PLC进行工业以太网级的通信，从而实现全厂自动化网络的互连与互通。
　　2.2 控制系统的具体配置
主站PLC：由于系统的控制规模不大，故选用q7—300PLC（315—2DP ceu）。
　　分布式I／O：选用模块化的ET200M DP从站，带IM153.1 DP接口模块。
　　总线传输介质：光纤、RS一485总线连接器。
　　变频器：选用西门子MICR．ｍａｓｔｅｒ44o（MM440）变频器，带PR0nBUS模板和制动电阻。
　　传动设备：选用带电子制动器的鼠笼异步电机，以及减速箱、卷筒和动滑轮。
　　主要1／O设备：电磁阀、压力变送器、限位开关、按钮、指示灯及控制柜显示表盘等。
　　
　　3 系统的PLC程序设计
　　系统的PLC程序设计主要用Step7（V5.2）软件来完成，step7是SIMATIC s7—300／400 PLC组态和编程的基本软件包，用于PLC的项目管理与编程，以及各种网络通信设置。
　　PLC程序设计采用了“结构化”的编程方式，即按照系统任务和设备划分为若干个功能块（耶），按照控制要求相互配合并为主循环程序（oB1）调用。这些FB中的程序是用“形参”来编写的，由于没有针对具体的i／o地址，因此可作为通用程序块在具体使用时，两套喷吹系统都可以调用这些FB块，且只需要将各自的实际i／o地址（实参）来代替相应FB块中的“形参”即可，这样就大大减轻了程序编写的工作量。
　　这些FB块具体包括自动程序、控制台／机旁两地手动与检修程序、PLC 与变频器通信程序、显示报警程序、主要执行设备定期检修提示程序以及系统初始化与复位程序。
　　当然，程序设计中最为关键的是自动程序，它是一个典型的顺序控制。按照系统的工艺及控制要求，自动程序的各步序之间都有严格的转换条件和连锁关系，以确保系统工艺的顺利完成。
　　
　　4 系统的变频器控制设计
　　4.1 变频器的选择 由于系统的传动对象都为典型的位能负载，所以传动装置必须具有很大的启动转矩、平滑的启动／停车曲线以及良好的制动、定位性能。
　　西门子MM440变频器适用于各种变速驱动装置，也非常适用于吊车和起重系统。选择MM440对电机进行一对一的控制，并通过其PROFIBUS模板实现与主站PLC 的DP通信，将是一个很好的传动改造方案。
　　通过对负载转矩及电机容量的计算，选择了带有电子制动器的三相鼠笼异步电机，包括喷枪电机（15 kw／6极）两台和防溢罩电机（11 kw／4极）两台。加以一定的裕量，选择了3AC380—44）O V 18.5 kW和15 kW 的MM440变频器各两台。
　　4.2 电机运行特点分析 变频器参数设置根据异步电机的机械特性，当位能负载提升时，电机处于止向电动状态，工作于第一象限。当负载下降时，在很大的负载转矩作用下，电机将从反向电动状态最终过渡到再生发电制功状态，工作于第四象限。
　　由于MM440变频器内置了制动单元，只需要选择适当的制动电阻就町防止电机因再生发电制动而产生的过电压，并将其产生的能量通过制动电阻释放，达到良好的电气制动效果。
　　为保证负载启动、停车安全，选择了带有电子制动器的相鼠笼电机，由变频器的一个继电器输出控制电机的制动器，并在电机启动前的最小频率（3 nz）时延时0.5 s释放抱闸，在电机停车前的最小频率（3 Hz）时投入抱闸并延时1 s，从而达到了良好的机械制动效果，保证了提升机构的安全。
　　另外，MMd40还设置了s型加速曲线，使电机的启／停过程更加平滑、稳定，从而大大减少了对负载的机械冲击，提高了定位的准确性。
　　在变频器参数的具体设置时，首先要根据电机的铭牌，对变频器进行快速参数化，之后根据具体的控制特点，再进行更详细的参数设置。
　　4.3 MM440与主站PI 的PROFIBUS—DP通信要实现MM440与主站PLC的PROFIBUS—DP通信，需要完成以下两个步骤：
　　（1）在MM440中设置通信参数，如表2所示。（注：cB为PROFIBUS通信模板。）（2）在Step7软件中进行硬件组态，选择MM440的PPO类型（例如都为PPO1：4 PKW／2 PZD），设置各变频器的总线站地址（4、5、7、8）。建立数据块DB1 DB4分别与各MM440的PkW、VZD对应，用以存储各自的通信数据。最后调用DP读／写专用系统功能块SFC14／SFC15来完成PLC与各MM440之间“控制字／状态字、主给定／主实际值”的通信。
　　当然，还可通过两门子传动控制软件DriveMoniter在上位机Pc上进行变频器的参数设置与监控。总之，控制方式较为灵活。
　　
　　5 结束语
　　PLC、变频器以及现场总线技术在铁水预处理脱硫喷吹控制系统中的应用，大大提高了系统的自动化装备水平，使系统生产的连续性、准确性、可靠性大幅度提高，使系统的传动性能有了较大的改善，并有效地减小了电机启动电流对电网的冲击，同时还实现了对生产过程和现场设备的HMI远程监控，构建了较为完善的自动化网络结构。通过对旧的自动化系统的成功改造，配合炉内脱硫的先进工艺，使铁水预处理脱硫的产量和质量都匕了一个新台阶，取得了良好的技术、经济效益。在近期的三期改造中，采用了改进工艺的新喷吹系统即将建成投产。