6ES7518-4UP00-0AB0型号介绍
对系统进行改进，设计采用多套PLC 系统和多层网通讯，开发氧枪系统、散状料系统、煤气回收系统应用软件，实现了分系统的独立自动控制，**了系统的自动化水平，为智能化炼钢及管理自动化提供了条件。
关键词：转炉；自动化控制系统；Modbus Plus网；PLC
1 前言
济南钢铁集团总公司炼钢厂（简称济钢炼钢厂）共有3座25t转炉，于1991年投产，年设计能力85万t。由于受当时技术水平的局限，转炉系统自动化控制水平比较落后。近年来，济钢对25t转炉的自动化控制系统进行了大量的研究改造和开发，使自动控制系统装备水平有了较大**，满足了钢产量240万t/a的生产要求。
2 转炉自动化控制系统改造方案
2.1 转炉控制的工艺要求
25t转炉自动化控制系统由转炉主体控制部分、外围设备控制部分以及能源介质控制部分等组成，包括：转炉炉体倾动控制及位置显示、氧枪升降控制及枪位显示、散状料上料控制及仪表显示、转炉水冷门控制、烟罩升降控制、除尘及煤气回收控制、汽化冷却控制、以及氧气、氮气、煤气、冷却水等能源介质的仪表控制等部分。这些系统既完成不同的工艺过程，又有相互关联，组成紧密有机的整体，以25min为周期连续生产。
2.2 存在问题分析
25t转炉原自动化控制系统分为两大部分，一部分为转炉主体部分984PLC，每座转炉设有1个主机站、2个I/O分站，主要控制转炉倾动、氧枪定位、冷却高压水、氮封系统、散状料上料、烟罩升降、氧枪和倾动的对外联锁。另一部分为MICON—200集散仪表系统，每座转炉1套，主要控制氧枪供氧系统及氧枪传动系统的联锁、底吹供氮、供氩系统的自动调节和控制、散料称量及下料系统的自动联锁，完成整个转炉系统的监控报警显示及动态画面的指示，并通过通讯单元C—200的UI板与主体984PLC相连。单座转炉原自动化控制系统如图1所示。
图1 25t转炉原自动化控制系统
25t转炉自1991年投入使用后，自动化系统先后暴露出一些问题，主要是：
（1）系统PLC与MICON—200两部分间的通讯性能较差。PLC与MICON—200之间传递的大量重要信号、联锁点，都依靠电缆直接将回路控制器P—200与PLC的I/O模块相连，线路复杂且不可靠。
（2）维护难度大。MICON—200系统对环境要求较高，使用寿命较短，且控制板通用性差。
（3）PLC系统设置不合理，特别是I/O站位处生产现场，大量烟尘导致故障较多。
（4）系统自动化控制水平较低，外部继电器联锁较多，而且三电一体化程度较差。
2.3 改造要求
（1）以实用性为主，从现场生产与维护的实际出发，对转炉自动化控制系统进行改造。
（2）要具有较强的独立性。3座转炉应相互独立，同一转炉的各控制系统也应具有一定的独立性。
（3）应具有一定的**性。改造后应有较高的自动化水平，并为以后实现智能化炼钢及自动化管理创造条件。
（4）经济可行，有较高的投入产出效益。
2.4 改造方案
（1） 采用多套PLC系统，分别完成各自相对独立的控制功能。
（2） 采用多层网通讯，避免因通讯故障引起的系统故障。
（3） 实现电气、仪表、计算机一体化的工业控制模式。
（4） 系统可实现与信息调度网、炼钢管理网相互进行数据交换。
（5） 具有简单的故障诊断系统，**故障处理速度。
改造后的转炉自动化控制系统如图2所示。
图2 改造后的转炉自动化控制系统
3 系统改造内容
3.1 转炉PLC控制系统
如图2所示，整个转炉自动化控制系统由多套PLC组成，其中每座转炉的本体PLC采用Quantum-140CPU21304主机，并带有2个远程I/O分站，设有3个监控站，主要完成氧枪气、水的监控和操作，散状料系统的监控与操作，煤气回收系统的监控和操作；每座转炉的传动PLC采用984—E685主机，并设有1个监控站，主要完成对转炉倾动和氧枪升降变频器的控制，并对操作进行监视。
3座转炉的公用部分也由多套PLC组成，汽化、上料等PLC采用984—685主机，并设有1个监控站，主要完成3座转炉的汽化冷却系统和上料系统的监视和控制，取消了所有二次仪表，实现了三电一体化。钢水称量PLC采用984—685主机，主要完成3座转炉钢水的称量及传输显示，信息PLC采用Quantum140CPU21304主机，并设3个监控站，主要传递及监视炼钢厂生产信息。在PLC选用上有984和Quantum，主要是考虑利用原有984PLC和减少改造投资。
3.2 通信网络的构成
转炉自动化控制系统通信网络采用的是多层网结构，主要由 Modbus Plus （MB+）网构成，以求减少系统间的相互影响。Modbus Plus网通过使用低成本的双绞线电缆使得计算机、控制器和其它数据源，在整个网络上作为同位体进行通信。本体PLC和汽化PLC与远程I/O站之间通信选用冗余的同轴电缆通过通信模块进行通信。每座转炉本身内各PLC和监控站之间的通信采用在PLC上加通信模块NOM的方案，在监控站安装SA85网卡，与NOM模块上Modbus Plus接口组成Modbus Plus网。网络分级通过NOM模块完成，依靠网桥可完成ModbusPlus网络分段。这样，3座转炉间通信网就具有三段Plus网，和两级网络设置，其作用是**网络总体运行速度，并减少主体生产设备控制系统网络出现故障的风险。
整个转炉Plus网络具有如下特点：
（1）网络系统规划设计简单明了，易于安装，费用低廉。
（2） 网络中各PLC系统是对等的MB+网络从站，是提供被监控参数的站点；各监控计算机是对等的MB+网络主站，是网络通信中令牌的占用者、控制者。各监控计算机可对MB+网络中的任意PLC系统所控制的生产过程实现监控。
（3） 因其对等性，网络系统中各监控系统对各PLC系统实现监控的任意性，使得各监控系统计算机实际可互为备用，且网络设备易于扩展、更换。
（4） 网络系统通信速率高，控制实时性能力强，不会导致控制滞后。
另外，通信网络通过PLC以太网模块NOE可实现与生产信息网相连，会同铸机传来的信息，为建立完善、
**的生产过程管理模式打下了较好的技术基础。
3.3 应用软件的开发
转炉自动化控制应用软件主要包括：
（1）PLC具体控制程序的开发：主要是针对工艺要求进行参数的设置和控制方式的选择，并完成对被控对象具体的闭环PID控制和其它控制。由于采用多PLC系统，因此CPU的运行反应时间完全能满足工艺调节控制要求。
（2）监控站上画面操作系统的编制和工艺控制模型的开发：主要利用工业自动化应用软件FIX系列软件，针对被控对象进行监控站工艺流程监控画面的开发；利用微软公司SQL7.0数据库和VB编程语言开发过程控制模型。
3.3.1 氧枪系统的软件设计 以“自动、手动”两种控制方式对监控站、本体PLC、传动PLC进行编程。
传动PLC主要任务是：接收监控站的枪位设定值或手动速度给定，接收来自现场的特殊点信号、氧枪传动装置信号及本体PLC传送的氧枪水、气、张力等联锁信号，在满足所有动枪条件的前提下，给氧枪变频器发送上升、下降或停止及开启氧枪抱闸的命令。动枪程序的功能是：在自动控制方式下，接收枪位给定值，并存于内部寄存器中，再与由编码器输入的实际枪位相比较，从而确定升降及升降速度并将控制信号输到变频器控制端子。同时与相应的抱闸动作结合，氧枪在升降过程中随着实际枪位的变化而不断地改变给定升降速度，以确保枪位的准确。在手动控制下则完全由操作员根据枪位显示，手动控制升、降、停及升降速度。
本体PLC主要任务是：采集氧枪系统的所有模拟量，并根据工艺要求对部分模拟量进行PID调节，给传动PLC发送联锁信号并接收传动PLC的枪位信号。对氧气的**调节由接收设定值枪位及采集的氧气温度、压力、**信号及音频化渣信号，按标准公式进行运算，运算的**值作为PID调节的实际输入值。同样对于冷却水的调节也根据进出水温度、**设定值、压力等进行PID调节。并根据出钢信号和枪位信号自动完成氧、氮切换，控制溅渣护炉。
监控站的功能是：接收、显示本体PLC和传动PLC发来的氧枪联锁条件。在自动、手动方式下向传动PLC发送枪位设定值或手动给定速度，并接收显示实际枪位，对吹炼过程的各工艺参数进行动态显示。并根据工艺要求，在监控工控机中存入多种氧枪自动方案数据表。在自动方式下，根据吹炼要求选定一个方案后，整个冶炼过程中枪位的设置及氧**的设定和调节就可自动进行。
3.3.2 散状料系统软件设计 以“自动、手动”两种方式对本体PLC和监控站进行编程，其功能是按工艺要求对8个振动给料器、4个称量斗、4个气插阀进行操作和控制。在自动方式下，在监控站工控机中建立由工艺提出的多种下料方案，选定方案后，在吹炼过程中，根据吹炼时间，将下料量传到本体PLC，由PLC根据设定值自动下料和称量，并在监控站对整个下料动态过程进行显示。在手动方式下，由监控站根据下料动态画面，采用键盘操作，操作信息传到本体PLC后，再由PLC控制下料。
转炉应用软件还有转炉倾动系统软件、汽化净化系统软件、转炉煤气回收软件、高压风机系统软件、故障诊断系统软件等
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、**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**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、**、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。
图1 循环冷却水处理系统工艺流程
图2 控制系统组成结构
图3 一级监控操作画面
图4 二级操作画面
图5 化学除油器排泥时间控制程序