西门子PLC在50T转炉自动控制系统中的应用

1 引言
由莱钢集团自主设计、开发的50吨氧枪顶吹转炉系统于2002年10月正式投产。该系统由转炉本体、汽包汽化和煤气回收3部分组成，过程控制采用电器控制、仪表控制和计算机自动控制三电一体化实现，提高了控制的安全性和可靠性。其中计算机自动控制系统由1台工程师站，2台操作员站，3台西门子S7-400可编程控制器组成，通过Profibus现场总线实现数据传递。
2 工艺过程
转炉系统主要完成将铁水和废钢冶炼成钢水，同时将冶炼过程中产生的煤气和水蒸气进行回收再利用。转炉主体设备主要包括炉体、炉门、烟罩、倾动机构、氧枪升降机构、氧枪横移机构、称重装置、上料装置、冷却装置等组成，其中氧枪有两套，靠衡移小推车转换，实现互为备用。
装料时炉门打开，烟罩提升，装料完成后，炉门关闭，烟罩下移。冶炼过程中，氧枪下降，从炉体顶部向炉内吹氧，或加合金料以改善钢水成分。出钢时，氧枪上升，倾动炉体，钢水由钢包车运至精炼炉精炼。炼钢过程中，氧枪和烟罩通过循环冷却水降温，产生的汽包蒸汽经加压后送用户使用;风机将烟罩内气体吸出，经煤气回收后放散到大气。
3 自动控制系统构成
转炉自动控制系统采用3台SIMATIC S7-400-414-2 PLC 主站分别完成实现转炉本体控制、汽包汽化和煤气回收及风机控制，其配置主要有主机架、扩展机架、电源、CPU、接口模块、通信模块，以及数字量和模拟量输入/输出模块等。3台主站之间通过以太网完成数据通讯。汽包汽化和煤气回收PLC主站共下设2个ET200-M远程从站，通过工业现场总线Profibus-DP完成主从通讯。1台工程师站用于完成系统的开发设计，2台操作员站完成整个生产过程监控。自动控制系统构成如图1所示。

4 自动控制系统控制方式和功能
整个转炉系统的自动控制由PLC控制程序完成，通过开放的Profibus-DP现场总线连接各个部件，构成分布式控制系统，实现顺序逻辑控制、联动联锁控制、以及信号传输、报警和数据采集等，同时设有人工紧急停车处理按钮。
4.1 工程师站
基于SIMATIC STEP7编程软件的工程师站，完成3台PLC主站系统的硬件组态、地址和站址的分配以及用户程序的设计开发和调试工作。程序设计采用模块化、结构化编程，应用OB、FC、FB块和相关数据块DB组成整个控制系统，并且在软件设计中采用了抗干扰措施。
4.2 操作员站
操作员站作为整个系统的人机界面，采用通用工业PC，配置SIMATIC WinCC画面组态监控软件，通过以太网实现对现场设备的过程监控。WinCC能实现过程数据动态显示、参数设定、操作控制等功能，并具有过程信息归档、报警信息顺序显示、报表打印等功能，具有很强的实时行。
4.3 转炉本体PLC主站
转炉本体PLC主站主要完成炉前的炉门动作和炉体的倾动操作，炉后倾炉和出钢钢包车、出渣渣车操作，烟罩的升降操作和冷却水流量、压力联所控制，氧枪的升降操作和氧枪定位及冷却水流量压力联所控制，氧枪横移换枪操作，上料称重和进料操作，并完成转炉水冷烟罩、水冷炉壁、水冷氧枪等水冷系统48个测温点温度变化的实施数据采集以及冷却水系统压力、流量等实时数据采集监视和超限及事故报警。通过以太网实现PLC和操作站之间的实时数据传送，由人机界面完成生产过程监控。
4.4 汽包汽化PLC主站
汽包汽化PLC主站设置有1台Profibus-DP远程控制从站ET200M。主站主要完成对冶炼过程中产生蒸汽的压力、流量、温度检测，控制加温水槽水位，控制送出热水的流量、压力、温度等，并由操作站对过程信息进行实时监控。从站主要完成液压泵站主、辅液压泵的切换和运行控制，对高压液罐和气罐的液位和压力控制，对空气压缩机的控制，对主液箱和回液箱的液位自动控制以及液压介质自动温度控制。
4.5 煤气回收PLC主站
煤气回收PLC主站也设置有1台Profibus-DP远程控制从站ET200M。主站主要完成一纹水、二纹水的冷却控制，检测转炉煤气进出一纹水、二纹水前后的温度、压力和流量，根据对一氧化碳和二氧化碳的检测含量，控制是否进行煤气回收。从站主要完成两台风机的主、辅切换和运行控制，检测风机轴温、轴振动和进出口压力、流量、温度，通过联锁控制保障风机的正常运行。
5 抗干扰功能的设计与实现
由于电器设备的存在，尤其是高压变频器每次启动所产生的高频冲击，大电流运行时所产生的强电磁场，以及电网谐波等诸多干扰因素的存在，严重威胁控制系统的正常运行和通信网络的安全、稳定畅通，为此设计中根据各种干扰源的存在增机一下抗干扰功能:
(1) 接地
计算机、PLC和通信网络采用单独的专用接地处理。
(2) 模拟量输入信号滤波
对于电器设备的电压、电流及风机转速等重要模拟量输入信号在进PLC模拟量通道之前，先经过信号隔离器消除通道中的串模干扰，在保证有用信号不被衰减的情况下最大限度的衰减高频干扰，提高通道的信噪比。
(3) 模拟量通道屏蔽
模拟量信号的输入导线采用有屏蔽线的双绞线电缆，以降低辐射干扰和电磁耦合性干扰。
(4) 模拟量通道隔离
模拟量模块采用通道光电隔离模块，降低通道间共模干扰。
(5) 数字量通道隔离
数字量模块采用通道光电隔离模块，在信号进出PLC通道之前加设中间继电器对通道进行双重隔离，防止串入强干扰电压烧坏通道。
(6) 通讯电缆设置
工业以太网通讯缆和Profibus-DP电缆敷设时单独穿金属管，电缆走向避免与动力缆平行，尽可能远离转炉本体和大电流线路。
(7) 电源隔离
工作电源通过带屏蔽的隔离变压器给PLC主站和从站供电，使PLC和大功率的电器设备的电位隔离，避免供电线路干扰。
(8) 程序设计抗干扰处理
对于模拟量输入信号采用延时滤波技术，消除瞬时干扰。对于数字量输入信号采用锁存和指令对比技术，降低误信号。
6 结束语
系统投运至今运行稳定可靠，抗干扰技术的合理化应用保证了PLC设备和通讯网络在恶劣环境中的安全畅行。Simens PLC程序故障诊断、在线监控和修改技术，方便了程序维护，开放的、标准的Profibus-DP现场总线增强了系统的扩展能力。整套系统自动化水平高、操作间接方便、报警明了清晰、故障率低、维护量小，达到国内先进水平。