S7-400与WinCC在轧钢厂循环冷却水控制系统中的应用

1  引言
    工业自动化技术是一种运用控制理论、电控设备、仪器仪表、工业计算机以及信息通信技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，可分为工业基础自动化、过程自动化和管理自动化。
    在轧钢厂的生产过程中需要大量的工业冷却水，将使用后的冷却水进行回流集中，通过清除杂质、化学除污、散热冷却等过程进行循环使用。整个循环水处理系统设备多，控制范围较大，同时冷却循环水直接参与轧制过程中的温度控制、设备降温等生产过程，因此必须采用可靠性高、自动化程度高的控制系统。本文以某轧钢厂循环水处理系统为例，介绍采用s7-400PLC和wincc组成的控制系统及其功能。
2  工艺流程
    根据循环冷却水处理系统各部分功能和地域的不同，划分为旋流池区域、化学除油器区域、冷水池区域、热水池区域、污泥池区域共5个部分。
    循环冷却水处理系统工艺流程及各部分的联系如图1所示。

图1  循环冷却水处理系统工艺流程
    含有油污及杂质的污水通过冲渣沟进入漩流池，污水经沉淀后进入漩流池吸水井，吸水井的一部分水通过冲渣泵送至冲渣点，大部分污水通过漩流池提升泵经管道进入混和器，自动加药装置将药剂添加进混和器，污水和药剂在此充分混和后由分配槽送至各化学除油器。污水在化学除油器内进行化学反应，污泥沉入化学除油器泥斗，并通过阀门排出，清洁的循环水则从顶部溢出流入热水池。经冷却塔冷却后的循环水进入冷水池，通过利用高压供水泵、低压供水泵加压送至各用户。
3  控制系统组成
    循环冷却水处理控制系统主要控制水泵和阀门；水泵和阀门的开闭具有一定的逻辑关系；同时，相同功能的多台水泵之间要求具有工作和备用的关系；水泵与液位存在连锁。此外，还有大量管道压力、流量、液位、温度等模拟量的检测。因此，采用plc作为控制器可以较好的完成所需控制功能。
    整个循环水处理系统控制的区域较大，电控设备距离较远，为简化控制系统，节省电缆，采用网络控制方式。上位机、编程器通过工业以太网与plc通讯，远程i/o通过profibus与cpu通讯。plc选用西门子公司的s7-400，远程i/o选用et200m，组态软件选用wincc6.0，控制系统组成及网络结构如图2所示。

图2  控制系统组成结构
4  控制系统软件编程
    控制系统软件编程包括两部分：上位机的监控界面、历史数据曲线、故障报警等编程；plc的控制程序，数据采集等编程。
4.1 上位机软件编程
    循环冷却水处理控制系统操作界面包括七个一级操作画面和30个二级操作画面。一级操作画面：主画面、旋流池、污泥池、热水池、冷水池、曲线图与报警表。在每个画面当中的最下面有一行按扭，点击按钮会进入对应的画面。一级操作画面实例如图3所示。

图3  一级监控操作画面
    重要参数（电流、液位，压力）的数值显示于画面当中，同时当池中的水位发生变化时，画面中的蓝色的棒状图的高度会发生相应的变化。设备的运行状态通过动画显示。当泵的颜色变绿时，表示该泵已启动，变红表示停止，含有软启动的泵（冲渣泵、低压供水泵）在变绿时，仅表示软启动，当泵的叶轮旋转时，才表示为正常运行。对于直接启动的水泵，在开泵后，变绿的同时叶轮会旋转，表明已经运行。阀门有三种状态：开到位、关到位与中间状态。当阀门的颜色变绿时，表示开到位；变红时，表示关到位；变黄时，处于中间状态。当泵、阀闪动时，表明产生故障。
    二级操作画面是泵、阀等设备的操作画面。点击泵、阀的图标，会弹出相应的操作画面，可以对设备的运行状态进行监控和设定。二级操作画面实例如图4所示。

图4  二级操作画面
4.2 下位机控制系统软件设计
    控制系统plc程序采用结构化编程方式，即按照工艺区域划分和处理功能划分，分别编写程序功能fc，并在组织块0b1中调用，包括模拟量数据处理功能块、各区域设备控制功能块、报警功能块等。
    水泵控制程序主要有泵阀联动的控制和备用泵的自动投入控制。上位机通过选择开关设定自动/手动操作方式。在手动方式下，可以分别控制水泵电机的启停和阀门的开闭。在自动方式下，实行泵阀联动，即首先启动水泵电机，延时一定时间后，自动开启阀门，在阀门到达开极限位后停止阀门电机；要停止水泵时，首先关闭阀门，当阀门关到极限位后停水泵电机；从而减小水锤效应对水泵和阀门的破坏。
    系统共有8台化学除油器，化学除油器的排泥阀有手动排泥和自动排泥两种方式，均通过上位机界面设置。手动排泥可根据需要任意操作任何一台排泥阀。自动排泥为在上位机启动排泥操作后，依此从1#至8#自动开启排泥阀一定的时间，排泥完毕后自动关阀，同一时间只有一台排泥阀工作。排泥时间根据实际工矿通过上位机设定，以毫秒为单位，将时间转换为整数，将设定值送至设定的db块数据区，调用系统功能fc40将设定值转换为s5时间格式。将设定时间通过定时器产生脉冲，在脉冲上升沿启动排泥阀，在脉冲下降沿关闭排泥阀。化学除油器排泥时间控制程序如图5。

图5  化学除油器排泥时间控制程序
5  结束语
    系统的设计采用plc为控制器、利用组态软件设计操作界面，通过以太网和profibus两层网络进行数据通信，实现了轧钢厂循环冷却水的基础自动化。plc对现场参数进行采集，并接受上位机的控制指令，完成对设备的控制；现场数据通过通信线路上传给wincc，可实现显示、记录以及故障报警等功能。循环冷却水系统实现了集中可视化监控，操作性灵活，稳定性和可靠性高，节约了人力资源、减少了设备故障及故障诊断时间。
作者简介
    梁  开（1973-）  讲师/硕士，研究方向为计算机控制技术。
参考文献
    [1] 张同庄. 西门子s7-300/400 plc编程[m]. 北京:人民邮电出版社,2007.
    [2] 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团. 深入浅出西门子wincc[m]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2005.
    [3] 付旭. 利用profibus dp和ethernet组建工业控制管理网络[j]. 冶金自动化,2003.5:62-64.