西门子SIMATIC 400在包钢转炉自控系统中的应用

包钢220吨转炉自动化控制系统包括氧枪、炉本体、散料铁合金、汽化冷却、烟气回收(OG)、地下料仓、煤气加压站和副枪共八个子系统。每个子系统用一个西门子SIMATIC 400站进行控制，这八个站通过西门子通讯模块CP443挂在一个工业以太网——SIMATIC H1网上。同时还有八套工业微机通过西门子网卡CP1613也挂在同一个SIMATIC H1网上，作为人机界面完成转炉自动化控制系统的监视和控制。二级管理系统包括一套服务器和一套工业微机，完成对转炉系统的管理任务，及时下达炼钢的计划和命令。
　　
　　1、 硬件组成
　　包钢转炉自动化控制系统的硬件包括：8个西门子SIMATIC 400站（每个站包括1个电源模块、1个CPU、1个CP443通讯接口模块和数量不等的模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出模块）、8套研华工业微机、8个西门子CP1613网卡。
　　2、 软件组成
　　包钢转炉自动化控制系统的软件包括：Windows NT 4.0中文版操作系统、Intellution FIX 7.0监控软件、STEP 7西门子编程软件。
　　3、 系统配置（见附图）
　　包钢转炉自动化控制系统中8个SIMATIC 400站通过西门子CP443接口模块挂在一个SIMATIC H1工业以太网上完成控制功能，同时8套研华工业微机也通过西门子CP1613网卡挂在同一个SIMATIC H1工业以太网上完成监视和操作功能。其中，转炉本体控制系统的SIMATIC 400站通过现场总线Profibus DP网与转炉倾动控制系统的SIMATIC 300站交换数据；氧枪控制系统的SIMATIC 400站通过现场总线Profibus DP网与氧枪提升系统的两个SIMATIC 6RA24交换数据，并且在同一个Profibus DP网上挂了一个工业键盘PP17-II对氧枪的现场设备操作；散料铁合金控制系统的SIMATIC 400站通过现场总线Profibus DP网挂了两个工业键盘PP17-II对散料和铁合金的现场设备操作；烟气回收（OG）控制系统的SIMATIC 400站通过现场总线Profibus DP网挂了两个工业键盘PP17-II对OG的现场设备操作。
　　4、 硬件评估
　　SIMATIC H1网是德国西门子公司开发的一种基于TCP/IP协议的标准以太网，它的优点是连接简单、便于扩展、速度快、兼容性好。包钢转炉自动化控制系统采用粗的同轴电缆作为SIMATIC H1网的连接介质，有效地实现了工业以太网数据传输过程中的抗干扰功能，保证了系统运行的可靠性；SIMATIC Profibus DP网是西门子公司开发的一种基于现场总线技术的设备网，它的特点是可以在PLC（可编程序控制器）与现场设备（如变频器、工业键盘、智能仪表、分布式I/O站等）之间交换数据。包钢转炉自动化控制系统采用屏蔽双绞线作为Profibus DP网的连接介质。SIMATIC 400站是西门子公司的拳头产品，无论在控制速度、控制精度还是抗干扰性、灵活性各方面讲都处与PLC产品的领先地位，研华（ADVANTECH）工业微机是最早得到推广使用的工业微机，因此包钢转炉自动化控制系统选用了这两种产品。
　　　
　　包钢转炉自动化控制系统配置图
　　5、 软件评估
　　Windows NT是美国Microsoft微软公司最出色的产品之一，也是世界上应用最为广泛最可信赖的软件平台，因此包钢转炉自动化控制系统选用Windows NT 4.0中文版操作系统。Intellution公司是美国一家专门生产工业监控软件的软件公司，它的产品广泛应用于世界各大工厂，它的数据库、画图、显示、历史趋势、配方紧密结合，不但可以画出逼真的图形，还能将现场数据快速显示在屏幕上；它可以在屏幕上制造出按钮来取代真正的按钮完成对现场设备的操作；它能将数据库的数据按时间存放在数据文件里供历史趋势文件调用显示，这样就能把几小时、几天、甚至几个月前的数据用数据曲线的形式展示给工程师们，以便分析事故和改进工艺；它可以利用Windows DDE（动态数据交换）功能把FIX数据库的数据传送到Office Excel文件和Office Access文件，从而实现报表打印和数据查询功能。STEP7是西门子公司为S7-400和S7-300系列PLC设计的编程软件，它能完成庞大的逻辑控制和复杂的调节控制；它的组织块、功能块、数据块相结合的编程思想可以随心所欲地实现各种控制要求；它的时间中断组织块可以实现短到10ms长到5s的快速中断请求；它的符号表（Symbol）可以输入中文方便进行程序注释。因此，Windows NT 4.0、Intellution FIX 7.0和STEP7可以说是包钢转炉自动化控制系统中的“三剑客”，共同完成了对转炉系统的监视控制任务。
　　6、 疑难与解答
　　1） 数据通讯。
　　这里的数据通讯包括SIMATIC 400 PLC与SIMATIC 400 PLC之间，SIMATIC 400 PLC 与SIMATIC 300 PLC之间，SIMATIC 400 PLC与SIMATIC 6RA24之间，SIMATIC 400 PLC与Intellution FIX之间的数据通讯。其中，SIMATIC 400 PLC与SIMATIC 400 PLC之间是通过SIMATIC H1工业以太网通讯，编程使用FC5（发送数据功能块）和FC6（接收数据功能块）；SIMATIC 400 PLC 与SIMATIC 300 PLC之间是通过现场总线Profibus DP网通讯，编程使用SFB15（存放数据功能块）和SFB14（得到数据功能块）；SIMATIC 400 PLC与SIMATIC 6RA24之间是通过现场总线Profibus DP网通讯，编程使用SFC14（DP读功能块）和SFC15（DP写功能块）；SIMATIC 400 PLC与Intellution FIX之间的数据通讯通过SIMATIC H1工业以太网通讯，使用SIMATIC NET软件完成CP1613网卡的设置。值得注意的是FC5、FC6、SFB15、SFB14、SFC14、SFC15这些功能块必须在OB32（1s时间中断组织块）中调用。
　　2） 氧枪定位
　　转炉控制系统的关键是氧枪定位，因为一旦定位不准就会影响炼钢的质量，甚至引发喷溅或爆炸。包钢转炉自动化控制系统引进了两套极限来为氧枪定位，一套是电器送过来的极限开关，另一 套是变频电机自整角机送过来的计数脉冲。为接收计数脉冲，特 选用西门子高速计数模块，软件使用FC0（高速计数功能块）。 鉴于这次的自整角机产生的脉冲只有600pps，建议下一工程取消自整角机，直接将编码器装到电机的输出轴上，这样可以接收更多的脉冲，定位更加准确。
　　3） PID调节
　　转炉炼钢过程中有很多控制对象，诸如氧气流量、氧气压力、氧枪冷却水流量等都需要稳定的值。以前这些模拟量的调节采用智能仪表，现在有了西门子SIMATIC 400 PLC就可以取代这些智能仪表，PID调节在STEP7中使用FB41（连续PID调节控制）；在Intellution FIX 7.0中使用画图功能模拟一个PID调节器的操作面板，完成PID调节控制中的手/自动切换、给定值输入、手动输出值输入、PID参数（比例系数、积分时间）输入等功能。
　　4） 汽包三冲量调节
　　汽包的液位调节在PID调节中难度很大，因为汽包的容积越大，它的容水量就越小。当液位过低时由于缺水就会造成爆炸事故，当液位过高时由于水多就会造成满水事故。由于汽包进口给水量和汽包出口蒸汽量的突然变化都会导致虚假液位，因此必须根据汽包液位、给水流量和蒸汽流量对汽包进行三冲量调节。具体的方法是先对汽包液位的变化进行PID调节运算，然后再加上给水流量的变化，最后再减去蒸汽流量的变化，把最后的计算结果送给最终的液位调节阀输出；给水流量和蒸汽流量则采用单独的PID调节，以保持给水流量和蒸汽流量的稳定。
　　
　　
　　5） 标准化编程
　　大型的自动化控制系统很难一个人完成，因此需要很多人的分工与合作。标准化编程就是要使软件工程师编写的程序整齐划一，通用性和可读性强，除了作者本人的阅读者也能轻而易举地理解作者的编程思想和工艺要求。这样不但可以使编程人员不再纠缠编程的枝节问题，缩短编制程序的时间，集中精力解决更加困难的工艺上的问题；而且有利于维护人员对程序的理解，为生产保驾护航提供了更加宝贵的经验。标准化编程的实现是多方面的，首先根据设计图纸编制各系统的点号表（用EXCEL表格）；再根据点号表填写Intellution FIX数据库；再根据点号表编制STEP7符号表（SYMBOL）；再根据点号表找出各控制设备的输入/输出点号，据此定义下列STEP7使用的中间线圈点号：模拟手/自动转换选择开关；启动按钮、停止按钮（对单线圈的泵或电磁阀）；开启按钮、关闭按钮、停止按钮（对双线圈的电动阀）；手动输出值、给定值、比例系数、积分时间（对PID调节阀）；再根据各控制设备的输入/输出点号和中间线圈点号编制各控制设备的手动程序；最后根据设计说明书编制各控制设备之间的逻辑连锁程序，即自动程序。
　　6)画面强制
　　大型工厂自动化控制系统涉及的控制设备很多，控制工艺复杂，导致控制过程中的逻辑连锁非常复杂，主要设备动作的诸多条件很难同时满足。为了调试程序的需要，在画面上增设许多选择开关，当某开关置“1”时，就假设此条件满足。当所有条件满足时，程序就可以对设备进行操作，而不必等待实际条件满足。在生产中有时某设备出现临时故障，为不影响正常生产，也可以在画面上强制，继续生产，直到设备修好，再把强制解除即可。