一、概述

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于“集中管理，分散控制”的模式，數(shù)字化、信息化工程的思想，著眼于“企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）管控一體化”信息系統(tǒng)的建設(shè)，需建立一個(gè)先進(jìn)、可靠、高效、安全且便于進(jìn)一步擴(kuò)充的集過程控制、監(jiān)視、管理于一體并且具備良好開放性的監(jiān)控系統(tǒng)，完成對整個(gè)工藝過程及全部生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測與自動(dòng)控制。

1.2 項(xiàng)目概述

本項(xiàng)目是2008年宣鋼四大工程之一，年產(chǎn)200萬噸球團(tuán)礦回轉(zhuǎn)窯工程，本工程分二期建設(shè)，一期工程建設(shè)1座100萬噸回轉(zhuǎn)窯（于2008年3月投產(chǎn)），二期再建設(shè)1座同等年產(chǎn)量回轉(zhuǎn)窯（于2009年投建），但相應(yīng)的輔助設(shè)施按2座窯規(guī)模一次建成。其工藝是將精粉等溶濟(jì)原料送入貯倉，各種原料經(jīng)倉下的托料式給料機(jī)和螺旋式給料機(jī)供出，經(jīng)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)后送至烘干機(jī)加熱烘干，然后經(jīng)帶式輸送機(jī)送入球式潤磨機(jī)進(jìn)行破碎加工，潤磨后由帶式輸送機(jī)送入造球頂部料倉，經(jīng)托料皮帶送入造球搖盤，搖好的球團(tuán)經(jīng)布料小車送往輥篩進(jìn)行篩分，篩分后鋪入鏈蓖機(jī)，經(jīng)鏈蓖機(jī)預(yù)熱焙燒再送往回轉(zhuǎn)

窯焙燒，焙燒好的球團(tuán)進(jìn)入環(huán)冷機(jī)進(jìn)行冷卻，冷空氣在環(huán)冷機(jī)內(nèi)冷卻物料的同時(shí)被加熱，經(jīng)窯頭罩進(jìn)入窯內(nèi)，作為燃料燃燒的二次空氣，回轉(zhuǎn)窯采用煤氣燃燒加熱，冷卻過的不堪團(tuán)礦供出。

窯體裝置和輔助設(shè)備的運(yùn)行與監(jiān)視將在控制室中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，并通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的起動(dòng)和停止、儀表參數(shù)監(jiān)測，被控參數(shù)的閉環(huán)調(diào)節(jié)、控制系統(tǒng)報(bào)警和生產(chǎn)過程報(bào)警以及數(shù)據(jù)歸檔等功能，使整個(gè)回轉(zhuǎn)窯能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化，大大減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)率，并合理的節(jié)省了能源。

二、系統(tǒng)組成  

2.1 PLC控制系統(tǒng)  

為了保證整個(gè)系統(tǒng)安全可靠和生產(chǎn)的連續(xù)性，提高自動(dòng)化水平，適應(yīng)回轉(zhuǎn)窯工藝要求。從該系統(tǒng)I/O測點(diǎn)較多等方面考慮到系統(tǒng)對設(shè)備的硬件條件要求較高以及以往的使用情況，我們采用以西門子S7-400冗余 PLC為核心的集中和分散相結(jié)合的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，由中央控制室、配料控制站、窯頭控制站組成。  中央控制室：設(shè)監(jiān)控計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等，負(fù)責(zé)對整個(gè)回轉(zhuǎn)窯工藝參數(shù)、電氣參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、管理、歷史數(shù)據(jù)趨勢存儲(chǔ)以及報(bào)表打印;通過光纖交換機(jī)將其它兩個(gè)過程站環(huán)狀連接，提高網(wǎng)絡(luò)健壯度，并且可能通過工控網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)內(nèi)部管理網(wǎng)絡(luò)之間的訪問控制，實(shí)現(xiàn)ERP數(shù)據(jù)同步。

配料控制室：該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對4臺(tái)托料稱和4臺(tái)減量稱的顯示和控制，系統(tǒng)分別組成相應(yīng)的控制回路。包括皮帶秤的啟停、標(biāo)定、料量給定、調(diào)節(jié)、計(jì)量、反饋、顯示功能。根據(jù)工藝要求，完成相應(yīng)的設(shè)備順序啟停、故障報(bào)警、緊急停車等功能，并具備手自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，同時(shí)完成料倉料位的檢測。

窯頭控制室：該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對回轉(zhuǎn)窯焙燒環(huán)節(jié)工藝參數(shù)（溫度、壓力等）實(shí)施監(jiān)控，根據(jù)設(shè)備啟停順序，控制設(shè)備啟停，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。并具備手/自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。配料站：由DP從站接口模塊（IM153-2）、I/O模塊、電子皮帶秤和變頻器組成，通過Profibus-DP現(xiàn)場總線與現(xiàn)場PLC控制站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：

2.2 S7-400特點(diǎn)

本系統(tǒng)以PLC和監(jiān)控計(jì)算機(jī)為核心，以工業(yè)以太網(wǎng)作為系統(tǒng)骨干網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場PLC控制站和監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接起來，構(gòu)成一個(gè)分布式控制系統(tǒng)。

2.2.1 先進(jìn)性

本系統(tǒng)不僅采用了先進(jìn)的軟、硬件，而且著眼于企業(yè)“管控一體化”的需求，貫徹了數(shù)字化、信息化的先進(jìn)思想，使企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步智能應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。該方案使控制系統(tǒng)有機(jī)地成為企業(yè)整個(gè)IT架構(gòu)的一部分。

2.2.2 高可靠性

控制系統(tǒng)在嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)境下長期、穩(wěn)定地運(yùn)行。系統(tǒng)組件的的設(shè)計(jì)符合真正的工業(yè)等級(jí)，滿足國內(nèi)、國際的安全標(biāo)準(zhǔn)。并且易配置、易接線、易維護(hù)、隔離性好，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，抗腐蝕，適應(yīng)較寬的溫度變化范圍。

2.2.3 優(yōu)良的開放性

TCP/IP協(xié)議是目前開放性最好的協(xié)議，可以輕松進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。

組態(tài)軟件支持DDE、OPC、ODBC、SQL，且提供豐富的API編程接口，同時(shí)也為世界各大廠商，如Modicon、Siemens、AB、GE、Omron等的設(shè)備提供了完善的驅(qū)動(dòng)程序庫，從而可以將其它系統(tǒng)輕松接入本系統(tǒng)。

SIMATIC S7-400作為DP主站，可通過集成在SIMATIC S7-400 CPU上的PROFIBUS -DP接口（選件）通過全局?jǐn)?shù)據(jù)（GD）通訊，網(wǎng)絡(luò)上的CPU之間可周期地交換數(shù)據(jù)包。應(yīng)用通訊功能塊，網(wǎng)絡(luò)上各站點(diǎn)之間進(jìn)行基于事件驅(qū)動(dòng)的通訊?？赏ㄟ^MPI、PROFIBUS 或工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。

2.3 更穩(wěn)定更安全的冗余設(shè)計(jì)

SIMATIC Step7 采用的冗余控制系統(tǒng)的可靠性比傳統(tǒng)的DCS 冗余系統(tǒng)有很大提高，主要技術(shù)指標(biāo)有：

?S7-400H型中央控制器中預(yù)裝有冗余軟件，用戶在組態(tài)時(shí)可完全忽略其冗余特性，象對非冗余系統(tǒng)組態(tài)一樣只需 輸入用戶程序。

?事件驅(qū)動(dòng)同步功能，對于執(zhí)行后能引起兩個(gè)冗余 CPU的內(nèi)部狀態(tài)不同的所有命令，如更新過程映象區(qū)，直接訪問 I/O，中斷與報(bào)警，定時(shí)器的更新等，CPU之間自動(dòng)進(jìn)行同步，而不是以特定的時(shí)間周期進(jìn)行同步。

?冗余的兩個(gè)控制器安裝在一個(gè)緊湊型機(jī)架上。緊湊型機(jī)架上采用分立式的背板總線，使電源，通訊卡件及CPU仍然被分成兩個(gè)獨(dú)立部分。

?冗余的每個(gè)控制器上配置一個(gè)電源，在需求較高的環(huán)境下，可對每個(gè)控制器設(shè)置兩個(gè)電源。即使安裝在一個(gè)機(jī)架上，因?yàn)楸嘲蹇偩€互相獨(dú)立，仍可對每個(gè)CPU配備兩個(gè)電源。

? 運(yùn)行過程中可以更換所有組件，更換CPU時(shí)，系統(tǒng)可以將新安裝的CPU自動(dòng)更新為當(dāng)前狀態(tài)。

2.4 安全便捷的工業(yè)現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。其中，“生產(chǎn)過程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程兩類?；蛘?，現(xiàn)場總線是以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線相連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。

PROFIBUS是現(xiàn)場總線領(lǐng)域非常流行的一種開放式總線標(biāo)準(zhǔn)，是西門子TIA（全集成自動(dòng)化）概念的重要組成部分。PROFIBUS DP用于實(shí)現(xiàn)分布式I/O與單元級(jí)控制系統(tǒng)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸功能現(xiàn)場級(jí)通訊網(wǎng)絡(luò)處于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最底層，直接連接現(xiàn)場的各種設(shè)備?？刂破鞑捎弥醒肟刂破?CPU414-4與現(xiàn)場智能儀表（測量傳感器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行器）、現(xiàn)場I/O點(diǎn)通過PROFIBUS—DP互相進(jìn)行通訊，具有很高的穩(wěn)定性和抗干擾能力。宣鋼100萬噸/年回轉(zhuǎn)窯PROFIBUS現(xiàn)場總線采用PROFIBUS-DP總線，傳輸速率在9.6Kbit/s—12Mbit/s之間。

根據(jù)其通訊協(xié)議，可以與分布式 I/O （PROFIBUSDP） 進(jìn)行快速通訊，直接連接基于總線的智能化現(xiàn)場設(shè)備，包括電源，符合 IEC61158 （PROFIBUS PA） 標(biāo)準(zhǔn)。

2.4.1 PROFIBUS的優(yōu)點(diǎn)：

（1）增強(qiáng)了現(xiàn)場級(jí)信息集成能力

現(xiàn)場總線可從現(xiàn)場設(shè)備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動(dòng)化及CIMS系統(tǒng)的信息集成要求?，F(xiàn)場總線是數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，它不單純?nèi)〈?-20mA信號(hào)，還可實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。系統(tǒng)除完成遠(yuǎn)程控制，還可完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。

（2）開放式、互操作性、互換性、可集成性

不同廠家產(chǎn)品只要使用同一總線標(biāo)準(zhǔn)，就具有互操作性、互換性，因此設(shè)備具有很好的可集成性。系統(tǒng)為開放式，允許其它廠商將自己專長的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，市場上將有許多面向行業(yè)特點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)。

（3）系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性好

基于現(xiàn)場總線的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式替代一對一的I/O連線，對于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來說，減少了由接線點(diǎn)造成的不可靠因素。同時(shí)，系統(tǒng)具有現(xiàn)場級(jí)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能，可完成現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化工作，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

2.4.2 ET200M站：

接口模塊IM153用于與PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的連接而組成分布式I/O系統(tǒng)，各種I/O模塊插入有源總線模塊內(nèi)，可在線更換模塊，實(shí)現(xiàn)帶電插拔功能。各分站放置在相應(yīng)的配電室內(nèi)，便于以后進(jìn)行擴(kuò)展，并且大大減少電纜和工程施工量。

S7-400與S7-200通過EM277進(jìn)行PROFIBUS DP通訊，需要在STEP7中進(jìn)行S7-400站組態(tài)，在S7-200系統(tǒng)中不需要對通訊進(jìn)行組態(tài)和編程，只需要將要進(jìn)行通訊的數(shù)據(jù)整理存放在V 存儲(chǔ)區(qū)與S7-200的組態(tài)EM277從站時(shí)的硬件I/O地址相對應(yīng)。

導(dǎo)入GSD文件后，在右側(cè)的設(shè)備選擇列表中找到EM277從站，PROFIBUS DP Additional Field Devices PLC SIMATIC EM277，并且根據(jù)通訊字節(jié)數(shù)，選擇一種通訊方式。根據(jù)EM277上的撥位開關(guān)設(shè)定在硬件組態(tài)中EM277從站的站地址。S7-400的硬件下載完成后，將EM277的撥位開關(guān)撥到與硬件組態(tài)的設(shè)定值一致，在S7-200中編寫程序?qū)⑦M(jìn)行交換的數(shù)據(jù)存放在VB0-VB15，對應(yīng)S7-400的PQB0-PQB7和PIB0-PIB7。

通過對step7的軟件編程，在操作站反應(yīng)S7-200中的數(shù)字信息，并可對S7-200中的變量進(jìn)行寫操作。

STEP 7 軟件中執(zhí)行在 S7 程序中插入診斷功能塊，導(dǎo)出硬件組態(tài)（cfg 文件）將模塊變量傳送至 WinCC 。

WinCC 軟件中執(zhí)行在 WinCC 畫面中中插入診斷 OCX 控件，將傳送過來的模塊變量與診斷 OCX 控件連接，指定所導(dǎo)出的硬件組態(tài)的路徑（cfg 文件）。

三、監(jiān)控系統(tǒng)  

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)一臺(tái)工程師站和四臺(tái)操作員站，選用原裝西門子工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，每臺(tái)機(jī)器上裝有網(wǎng)絡(luò)通訊卡CP1613，它們各通過工業(yè)以太網(wǎng)與三套S7-400系統(tǒng)的通訊處理器CP443-1通訊口連接，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換。

監(jiān)控組態(tài)軟件不僅有監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）功能，而且有組態(tài)、開發(fā)和開放功能，是自動(dòng)化系統(tǒng)集成中不可缺少的關(guān)鍵組成部分。我們在此監(jiān)控系統(tǒng)中采用西門子公司的WINCC6.0組態(tài)軟件，WINCC是Windows Control Conter（視窗控制中心）的簡稱，它運(yùn)行于個(gè)人計(jì)算機(jī)環(huán)境，可以與多種自動(dòng)化設(shè)備及控制軟件集成，用戶在其友好的界面下進(jìn)行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，可形成所需的操作畫面、監(jiān)控畫面、控制畫面、報(bào)警畫面、實(shí)時(shí)趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報(bào)表等。它為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環(huán)境，不僅縮短了軟件設(shè)計(jì)周期，而且提高了工作效率。

3.1 監(jiān)控調(diào)節(jié)及控制

窯體工藝流程是物料經(jīng)鏈籬機(jī)連續(xù)向窯尾加料，它隨窯體轉(zhuǎn)動(dòng)而緩慢的向窯頭移動(dòng)，并且從窯尾向窯頭移動(dòng)的過程中，首先經(jīng)過預(yù)熱帶預(yù)熱，煅燒好的物料從窯頭下料管落入下部的冷卻機(jī)內(nèi)。混合煤氣量和空氣量的合理配合是保證回轉(zhuǎn)窯煅燒溫度的關(guān)鍵調(diào)節(jié)，使煤氣量和空氣量能根據(jù)產(chǎn)量和熱值等參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。流量限幅報(bào)警，越限報(bào)警、無擾動(dòng)切換、非線性PID調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。該系統(tǒng)故障率低，運(yùn)行可靠，可使燃燒更趨合理，焙燒溫度穩(wěn)定，并能大幅度降低煤氣單耗提高安全性。

窯頭自動(dòng)控制系統(tǒng)主要對回轉(zhuǎn)窯本體和環(huán)冷機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視和控制，控制著球團(tuán)礦的窯內(nèi)焙燒和最后的繼續(xù)氧化冷卻工作，稍有差錯(cuò)就會(huì)導(dǎo)致出紅礦或燒損設(shè)備。

3.2 增加環(huán)冷機(jī)內(nèi)溫度調(diào)節(jié)功能

回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)工藝的環(huán)冷機(jī)不僅僅是冷卻功能，還要有最后的焙燒功能，只有科學(xué)合理的控制好機(jī)內(nèi)各部分的溫度，才能出合格球，才能出好球。所以控制環(huán)冷機(jī)三臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)的風(fēng)量是回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)工藝的關(guān)鍵，但原設(shè)計(jì)中恰恰缺失了這一環(huán)節(jié)。我們自行敷設(shè)采集控制信號(hào)線路，編譯主控程序，實(shí)現(xiàn)了主控調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的功能，使主控能夠根據(jù)物料流量和監(jiān)測溫度合理科學(xué)地調(diào)整環(huán)速和風(fēng)量。

3.3 無線測溫收發(fā)裝置的使用

在多數(shù)球團(tuán)廠家的考察過程中，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度的測量都是通過滑環(huán)裝置來傳輸?shù)?，滑環(huán)裝置容易出現(xiàn)高溫變形和銹蝕等情況，造成接觸不良而信號(hào)丟失。窯內(nèi)溫度是回轉(zhuǎn)窯工藝的重要參數(shù)，是判斷窯內(nèi)工況的唯一手段，所以不能有任何差錯(cuò)。我們采用無線測溫收發(fā)裝置，采集到熱電偶的信號(hào)，通過在窯體的發(fā)射裝置將現(xiàn)場信號(hào)發(fā)射，控制室內(nèi)的接受裝置接受信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)傳輸?shù)絊7-400的AI通道。無線測溫收發(fā)裝置的使用，成功避免了由于接觸不良造成的信號(hào)丟失，也節(jié)省了敷設(shè)線路的人工和成本，并避免了線路故障造成的影響。

3.4 增加窯頭罩負(fù)壓的檢測

回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)工藝全過程是一個(gè)負(fù)壓生產(chǎn)工藝，窯內(nèi)正壓可能造成對設(shè)備和人員傷害，并直接影響全線工藝操作。所以我們增設(shè)該監(jiān)控點(diǎn)，有利于主控對熱風(fēng)系統(tǒng)的合理操作，并在現(xiàn)場設(shè)置的顯示表，方便崗位人員根據(jù)窯內(nèi)壓力情況對設(shè)備操作，防止了由于正壓造成的燒傷事故。

四、結(jié)束語  

本控制系統(tǒng)自投產(chǎn)以來一直運(yùn)行穩(wěn)定，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。在該系統(tǒng)中PLC控制充分發(fā)揮了其配置靈活、控制可靠、編程方便和功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，給整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來較大的益處。