PLC、变频器、组态软件WINCC在武钢烧结厂环冷小车系统自动控制中的应用

[摘要]应用西门子S7-400PLC、WINCC组态软件及变频器通过对环冷小车系统的改进，实现环冷小车的自动定位、自动开阀、智能故障判断及报警，并通过人性化智能设置使操作方式灵活、方便。
[关键词]PLC 变频器 自动定位 自动开阀 智能故障判断 人性化智能设置
一、武钢烧结厂四烧车间环冷小车的工艺简介及现状
　　武钢烧结厂四烧车间环冷卸灰系统是将环冷工序中鼓风机吹出的小颗粒矿石和粉尘通过22个灰斗和22个双层卸灰阀卸到环冷小车上，然后再将小颗粒矿石和粉尘运至指定位置的皮带运输通道上。其工艺过程如下：
　　环冷小车分别经过22个矿槽位置（从751至772），当到达某个矿槽位置时，环冷小车停止?打开上矿槽阀下料?打开下矿槽阀下料?完成一个矿槽的下料过程，然后到达另一个矿槽位置同上完成下料过程，当三个矿槽的下料过程完成后环冷小车返回750下料口。
环冷小车改造前的状况：由于硬件、软件不合理，环冷小车自投运以来一直不能自动卸灰，而且在投运之初还烧了两块计算机模块，环冷小车的电气控制方式为手动定位、手动开阀、机械极限定位，故障率较高、作业率低，劳动强度大。这些问题一直困扰着武钢烧结厂四烧车间的生产，给武钢烧结厂四烧车间的生产组织带来了不利的影响。
二、武钢烧结厂四烧车间环冷小车系统改造内容、硬件构成及硬件改进
　　改造内容：将所有的小车位置机械极限更换成磁感应极限，既减少了日常的维护又增加了定位的可靠性，并将小车位置极限及上下阀极限引入PLC输入作为故障显示、报警及相关小车位置、阀门的控制，将变频器的二级速度控制改成八级速度并由PLC控制，同时将变频器的状态引入PLC输入，所有的阀门输出均由PLC控制，通过编写S7-400PLC程序、应用组态WINCC软件及设定变频器实现环冷小车系统的自动定位、自动开阀、智能故障判断及报警。
　　环冷小车电气系统硬件构成：其硬件构成框图如图（一）：

　　本系统采用西门子S7-400系列PLC，CPU采用412-2 DP并通过CPU412-2 DP直接与上位机WINCC组态软件进行通讯，输入模块采用32点24V直流输入模块共计128点，输出模块采用32点24V直流输出模块共计64点，变频器采用富士G11通用型变频器。
通过现场调查发现环冷小车不能自动卸灰有如下几种原因：1、计算机模块容易烧损：环冷小车改造，PLC采用的是SIMATIC S7-400系列产品，输入模块，接收的是24V电源信号，而在改造前现场用的是220V电源，而且现场的双层卸灰阀的动力电源也是220V，这样PLC的24V输入信号和卸灰阀的220V电源在一个现场操作箱内，就容易混线，从而致使计算机模块烧损。2、环冷小车轨道不规范，偏差较大，导致小车22个到位极限损坏的非常频繁，到位极限只要一个有问题则环冷小车就不能自动放灰。3、由于环冷小车电机在最初设计时马达容量过小，经常出现烧马达现象，马达容量为1.1KW、变频容量为1.5KVA。4、PLC程序编制不合理，致使小车不能正常运转。
硬件改进：针对以上环冷小车不能自动卸灰的具体原因，我们进行了改造：
1、彻底解决计算机模块烧损的问题，将现场的电压等级由24V转变为220V，也为下一步小车极限改型创造条件，具体改造方法是将现场的电压等级用220V，这样保持现场操作箱的电压等级相同，然后在电磁站PLC柜内做一块转换盘，把220V电压输入信号通过继电器隔离转变为24V输入计算机。
2、环冷小车到位极限改型，由原来撞针式极限改为磁感应式极限，解决了小车到位极限容易损坏的问题。
3、将马达和变频器增容，马达由原来的1.1KW现改为2.2KW，变频器容量由原来的1.5KVA改为5.5KVA，这样避免了马达烧损。
4、PLC重新编制程序、组态软件WINCC结合PLC程序重新开发、实现自动定位、自动开阀、智能故障判断、人性化智能设置，满足了工艺要求。
三、武钢烧结厂四烧车间环冷小车软件程序
　　PLC程序：首先对整个系统故障复位，然后自检各极限、变频器故障并通过WINCC组态画面显示故障。对于下料过程只要不是同时打开上下阀形成堆料并且变频器没有故障，则可启动变频器使小车到达指定位置。
　　按操作方式可划分成手动、半自动、全自动。手动操作方式保持原操作方式不变，只是环冷小车定位极限由机械极限改成磁感应极限，增加了小车定位的精度和可靠性。打开上下阀的控制由现场手动控制改为计算机画面控制，减轻了劳动强度及工作环境，其框图如图二。

　　本文重点论述如何实现环冷小车的自动定位、自动开阀、智能故障判断及报警，其框图如图三

其部分程序如图四

　　在全自动操作方式下，可根据现场料的多少通过上位机设定N（2—8）个矿槽的下料过程及起始点（通常为751）。当全自动启动后则按照上述设定执行，其步骤如下：环冷小车首先按照设定的起始点（例752位置）向前走行至该位置，感应位置极限小车停止，同时将2赋值至MW208实际位置， MW200初值为1则MW208减MW200得MW204为0，当MW204为0时表示该位置极限无故障，然后将MW208赋值至MW202设定值，接着判断该位置上下阀极限是否有故障，如果没有故障则等待3秒后置位开上阀信号，上阀开4秒后复位开上阀信号，等待3秒后置位开下阀信号，下阀开5秒后复位开下阀信号，完成一个矿槽的下料过程，等待3秒后将MW202加1使小车向下一位置（753）走行。如果该位置开启上下阀过程中有故障则立刻关闭上下阀同时将MW202加1使小车向下一位置（753）走行。
当MW204为1时表示上一位置极限故障，当MW204大于1时表示上上一位置极限故障，如果该位置的极限有故障则小车会自动走行至下一位置。
　　重复执行上述步骤并比较MW202与设定的N的结束值，当MW202与设定的N值相等时小车向后运行至750下料口下料。等待10秒后将MW202值加N+1、将N加N重复第二轮循环，将MW202值加N+1、将2N加N重复第三轮循环，将MW202值加N+1、将3N加N重复第四轮循环……。当小车行至终端位772执行完下料过程后，无论MW202与设定的N值是否相等小车均向后运行至750下料口下料，并将复位自动启动信号及相关数据等待下一次启动，完成22个矿槽（751至772）的下料过程。
四、武钢烧结厂四烧车间环冷小车系统监控画面简介
（如图五）

　　环冷小车系统的主画面显示了该系统的工艺流程情况。整个画面是由中心的操作台以及环绕其四周的小车行走路线分布图所构成。小车的行走路线分布图侧重显示小车的运行状态、现场开关阀状态以及阀门故障报警；而中心的操作台则主要起到控制的作用。以下将作具体说明：
1、小车行走路线分布图
小车运行的路线由750位置到772位置形成了一个圆环。750是卸灰点。小车无论是在前行还是返回过程中，旁边均有箭头指示其运行的方向。每个位置的上、下阀开启时有指示灯显示为绿色；关闭时指示灯显示为红色；有故障时指示灯显示为黄/紫红色闪烁。
2、中心操作台
　　“操作台”是一个模拟的操作台平面俯视图。上面分别设有：启动电源按钮和关闭电源按钮、自动/半自动/手动操作选择方式按钮、自动启动按钮、急停按钮、系统复位按钮；另外，还有两处只在选择自动方式时需要设置的内容，一个是“全自动自动放灰次数设定”，另一个是“全自动起始位置设定”。具体操作如下：
1）．“启动电源”——按下该按钮，小车走行变频器的电源将会开启。按钮呈现被按下状态（绿色），同时按钮左边的电源开关图标显示开启状态。
2）．“关闭电源”——按下该按钮，小车走行变频器的电源将会关闭。按钮呈现被按下状态（绿色），同时按钮左边的电源开关图标显示关闭状态。
3）．“自动”——选择小车的运行方式为自动时，按钮呈现被按下状态（绿色），同时选择开关图标显示指向自动。在自动方式下，小车将按照程序的设定行走。在自动方式运行之前，请务必对“全自动自动放灰次数”和“全自动起始位置”两个参数进行设定。“全自动自动放灰次数”是设定小车自动运行一个来回所放灰的次数（范围：2～5）；“全自动起始位置”是用户可以自由设定小车自动运行时的开始位置（范围：751～771）。例如：“全自动自动放灰次数”设为3，“全自动起始位置”设为755，则小车从750一直开到755，从755开始依次经过755、756、757三个位置自动放灰（若其中一个位置极限有故障，如757，则系统会跳过该处，前往758），放灰完毕后自动返回750卸灰。接着下次就依次经过758、759、760……以此类推。当小车到达某个放灰点时，等待2秒后，系统自动开关上下阀，其中开上阀4秒，关上阀，等待5秒，开下阀4秒，关下阀，等待3秒，小车走行。当小车返回卸灰点750时，卸灰等待10秒后小车走行。
4）．“半自动”——选择小车的运行方式为半自动时，按钮呈现被按下状态（绿色），同时选择开关图标显示指向半自动。半自动方式可以自由选择小车停放的位置（用鼠标单击某处的“位置”按钮选择），自由决定小车放灰的次数（只要现场情况允许）。当小车到达某个放灰点时，等待2秒后，系统自动开关上下阀，其中开上阀4秒，关上阀，等待5秒，开下阀4秒，关下阀，等待3秒，小车停在原位等待命令。
5）．“手动”——选择小车的运行方式为手动时，按钮呈现被按下状态（绿色），同时选择开关图标显示指向手动。手动方式也可以自由选择小车停放的位置，自由决定小车放灰的次数（只要现场情况允许）。当小车到达某个放灰点时，需要操作人员在画面上操作上下阀的开启或关闭，有相应对话框提示。
6）．“自动启动”——当选择了自动方式操作后，需要按下该按钮，才正式启动自动运行。请注意在按下该按钮之前，需要对“全自动自动放灰次数”和“全自动起始位置”两个参数进行设定。
7）．“急停”——为安全起见，当突然发生意外情况或严重故障时，方可按下该按钮，所有设备立即停止运行。
8）．“系统复位”——若系统出现不正常情况或急停时，按下该按钮，小车无论当前处于哪个位置，都会返回750初始点；无论在那种操作方式，都会处于无选择方式状态；急停后，必须将故障解除，系统复位才有效。
五、存在的问题
　　由于每个下料矿槽的上下阀为两位一通阀，受气压压力及气质的影响会造成开关阀不到位的现象，从而产生极限假故障影响正常使用，解决的办法是提供高质量及稳定的气源。另外由于磁感应极限对铁粉有一定的吸附作用，需经常对极限进行清理，以保证正常使用。
六、结束语
　　经过半年多的使用，武钢烧结厂四烧车间环冷小车系统运行稳定、可靠，小车定位准确运行速度平稳，各上下阀开启正常，达到了自动定位、自动开阀、智能故障判断及报警、人性化智能设置的自控效果，满足了生产工艺要求，并且大大降低了故障率、降低了劳动强度，提高了作业率，现场的工作环境得到了根本的改善，解决了一直困扰着武钢烧结厂四烧车间生产的问题，得到了用户的一致好评。