西门子S7-300软冗余系统在高炉喷煤制粉中的成功应用

摘要：本文章主要介绍西门子S7-300 PLC软冗余系统在高炉喷煤制粉中的应用，通过人机界面和PLC实现电气设备的启停、自动控制和仪表参数监控等。
关键词：可编程控制器(PLC) 软冗余 过程监控 组态软件
一、项目概述
         天津天铁冶金集团公司热力厂煤粉车间担负着为高炉制喷煤粉的重要任务，直接关系到高炉生产的稳定、节能降耗和提高经济效益。随着生铁产量的不断提高及高炉喷吹煤粉能力的大幅度增长，为满足高炉紧张的喷粉量的需求，需要将制粉和喷煤进行自动化改造，提升设备自动化操作水平，提高效率，保障设备长周期安全生产。在高炉喷煤制粉工艺中应用计算机系统控制实现浓向送粉，安全可靠性高，经济效益显著，已是各企业改造的必由之路。
       计算机PLC监控系统的作用是通过对制粉和喷煤系统中各种设备、介质在运行过程中的状态参数的实时监测，为操作人员提供直观形象的动态数据画面，并能够实现对主要设备远程自动控制，大大减少工人的劳动强度，提高企业的自动化水平。
二.系统组成
        针对本项目对控制系统要求比较高，同时也为了节约成本，我们采用了西门子S7－300系列的PLC,设计软件冗余系统，保证系统的安全可靠性。CPU与I/O站ET200M之间采用PROFIBUS现场总线通讯，I/O模块支持带电插拔，两CPU之间采用MPI连接方式来保持数据同步，有故障时实现冗余切换，PLC与上位机之间采用工业以太网通讯。

         上位机监控系统设一台工程师站和两台操作员站，选用原装研华工业控制计算机，每台机器上装有网络通讯卡CP1613，它们各通过工业以太网与PLC通讯处理器CP443-1通讯口连接，实现了数据交换。上位监控软件采用西门子公司的WINCC6.0组态软件，它运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监控画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。
三、控制系统功能
3.1 软冗余功能
        软冗余系统由A和B两套PLC控制系统组成。开始时，A系统为主，B系统为备用，当主系统A中的任何一个组件出错，控制任务会自动切换到备用系统B当中执行，这时，B系统为主，A系统为备用，这种切换过程是包括电源、CPU、通讯电缆和IM153接口模块的整体切换。系统运行过程中，即使没有任何组件出错，操作人员也可以通过设定控制字，实现手动的主备系统切换，这种手动切换过程，对于控制系统的软硬件调整，更换，扩容非常有用。
系统工作原理
        在软冗余系统进行工作时，A、B控制系统（处理器，通讯、I/O）独立运行，由主系统的PLC掌握对ET200从站中的I/O控制权。A、B系统中的PLC程序由非冗余（non-duplicated）用户程序段和冗余（redundant backup）用户程序段组成，主系统PLC执行全部的用户程序，备用系统PLC只执行非冗余用户程序段，而跳过冗余用户程序段。软冗余系统中PLC内部的运行过程如下：

冗余功能切换我们也成功的进行了测试，完全能满足要求。
3.2 制粉控制
实施改造后，制粉实现全面自动调节、自/手动切换及自动检测，并能长期、可靠、稳定、安全运行。自动系统包括以下内容：
? 热风炉：实现热风炉送风、煤气、热风的操作及燃烧自动控制，达到最佳经济燃烧；
? 制粉输煤：实现输煤皮带系统的电气自动化控制监控，给煤量采集与监控；
? 制粉：实现磨煤机、排风机及其工艺系统的仪表、电气监控与联锁；
? 磨机：实现磨机出入口温度、前负压和负荷控制；
? 布袋除尘系统：实现布袋压力、差压、温度的监控，反吹风机、除尘电磁阀的监控及反吹风机、除尘电磁阀的手动和自动控制。


3.3 输粉控制
3.3.1自动送粉
当任一高炉需要输送煤粉时，计算机控制系统根据高炉所对应的输粉管线而进行输送煤粉。输粉的整个顺序是按照工艺要求而进行的，具体的送粉操作程序如下：


输粉过程的各个泵切换根据各个泵的设定（检修、运行）和各个泵的装粉重量而进行。
3.3.2自动装粉
当计算机机控制系统检测到某一个仓式泵在运行状态而没有煤粉时，煤分仓自动对该仓式泵进行装粉。装粉顺序过程是按工艺要求而进行的。具体的装粉操作程序如下：

仓式泵的称重信号和仓式泵的状态设定（检修、运行）决定仓式泵是否装粉。自动装粉既有吨位限制，又有时间限制（在规定时间内达到规定吨位可以送粉，在规定时间内达不到规定吨位可以送粉）。
3.3.3手动输粉
当遇有特殊情况时，为不影响给高炉正常输粉，操作人员可以在特定的手动画面进行操作。操作顺序按工艺要求进行操作。


四、 结束语
        该SIEMENS S7-300软冗余系统已在生产中得到实际使用，自投产以来一直运行稳定,为企业带来了可观的经济效益，用户很满意。在该项目中PLC系统的应用得到了充分的展示，这种冗余配置解决方案为广泛的推广到其它行业应用提供了一定的参考价值。