袁曉紅1, 趙明2, 趙春娜1

( 11 首都師范大學(xué) 信息工程學(xué)院, 北京 100048; 21 遼寧科技大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院, 遼寧 鞍山 114051)

摘 要: 以唐鋼原料場為例, 介紹了大型原料場的工藝流程和控制方式,對常用的控制模式和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)論述, 介紹了控制系統(tǒng)的架構(gòu)和硬件、軟件設(shè)計(jì)。將工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)結(jié)合,應(yīng)用到大型綜合原料場控制系統(tǒng), 解決了遠(yuǎn)程、強(qiáng)干擾、大容量復(fù)雜的系統(tǒng)數(shù)據(jù)和信息傳輸控制問題。

關(guān)鍵詞: 原料場; 控制模式; 可編程控制器; 現(xiàn)場總線; 工業(yè)以太網(wǎng)

1 前 言

原料場是鋼鐵企業(yè)的重要組成部分, 主要工藝設(shè)備包括: 螺旋卸車機(jī)、給料機(jī)、膠帶機(jī)、破碎機(jī)、振動篩、卸料小車、堆取料機(jī)等, 以及相關(guān)的水泵站和除塵設(shè)施。通常, 一個(gè)大型原料場要承擔(dān)燒結(jié)廠、煉鐵廠、煉鋼廠、石灰廠等生產(chǎn)部門所需的礦粉、石灰石、焦炭和煤炭等原料的受卸、存儲、混勻和轉(zhuǎn)運(yùn)等任務(wù), 以滿足鋼鐵企業(yè)正常生產(chǎn)的需要。由于其作業(yè)特點(diǎn), 生產(chǎn)現(xiàn)場難免會有大量的粉塵和水汽, 采用自動控制系統(tǒng)能極大地減輕現(xiàn)場操作人員的勞動強(qiáng)度,改善其的工作環(huán)境( 避免在高粉塵環(huán)境下工作), 提高生產(chǎn)效率。在原料場控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中, 把工業(yè)現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)結(jié)合在一起, 提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性, 同時(shí)可以隨時(shí)增加控制系統(tǒng)規(guī)模, 提高了系統(tǒng)組態(tài)的靈活性。

2 被控對象工藝流程

綜合原料場通常包括以下控制項(xiàng)目: 火車受卸料系統(tǒng)( 模式 A) 、汽車受卸料系統(tǒng)( 模式B) 、地下受料倉 A 系統(tǒng)( 模式 C) 、地下受料倉 B系統(tǒng)(模式D)、儲料場AB列系統(tǒng)(模式 E)、儲料場CD 列系統(tǒng)(模式 F)、混勻系統(tǒng)(模式 G)、高爐供料系統(tǒng)(模式H)、高爐返礦系統(tǒng)(模式 J)。

2、1 控制模式

1) 火車受卸料系統(tǒng)( 模式 A)

模式 A 主要是從火車受料倉 1#~ 10#至儲料場 A、B 列、儲料場 C、D 列、高爐焦槽以及燒結(jié)配料室膠帶機(jī)的原料輸送模式, 它包括 A1~A5 五個(gè)模式, A01~ A09 九個(gè)控制流程。

2) 汽車受卸料系統(tǒng)( 模式 B)

模式 B主要是從汽車受料倉 1#~ 8#至儲料場 A、B列、儲料場 C、D 列以及燒結(jié)配料室膠帶機(jī)的原料輸送模式, 它包括 B1~ B3 三個(gè)模式, B01~ B05 五個(gè)控制流程。

3) 地下受料倉 A 系統(tǒng)( 模式 C)

模式 C主要是從地下受料倉 A1#~ A4#至儲料場 C、D 列以及燒結(jié)配料室膠帶機(jī)的原料輸送模式, 它包括 C1、C2 兩個(gè)模式, C01、C02 兩個(gè)控制流程。

4) 地下受料倉 B 系統(tǒng)( 模式 D)

模式 D 主要是從地下受料倉 B1#~ B4#至高爐礦槽、預(yù)留高爐礦槽、混勻配料室以及石灰窯原料庫膠帶機(jī)的原料輸送模式, 它包括 D1~D4 四個(gè)模式, D01~ D12 十二個(gè)控制流程。

5) 儲料場 AB 列系統(tǒng)( 模式 E)

模式 E 主要為從儲料場 A、B列至混勻配料倉1#~ 8#以及高爐礦槽、焦槽的原料運(yùn)輸模式, 它包括 E1~ E4 四個(gè)模式, E01~ E07 七個(gè)控制流程。

6) 儲料場 CD 列系統(tǒng)( 模式 F)

模式 F 主要為從儲料場 C、D 列至混勻配料倉1#~ 8#及高爐礦槽、預(yù)留高爐礦槽、石灰窯原料庫的原料運(yùn)輸模式, 它包括 F1~ F4 四個(gè)模式, F01~ F06 六個(gè)控制流程。

7) 混勻系統(tǒng)( 模式 G)

模式 G 主要為從混勻配料室至混勻料場A、B 堆及混勻料場至燒結(jié)配料室膠帶機(jī)輸送模式, 它包括 G1~ G2 兩個(gè)模式, G01~ G02 兩個(gè)控制流程。

8) 高爐供料系統(tǒng)( 模式 H )

模式H 主要為從煤氣廠篩分室, 成品燒結(jié)礦膠帶機(jī)和配煤倉 1#~ 3#至高爐礦槽、焦槽及高爐噴煤制粉站運(yùn)輸模式, 它包括 H1~ H5 五個(gè)模式, H01~ H05 五個(gè)控制流程。

9) 高爐返礦系統(tǒng)( 模式 J)

模式 J 主要為從高爐返礦返焦倉至儲料場C、D 列運(yùn)輸模式, 它包括 J1~ J4 四個(gè)模式, J01~ J06 六個(gè)控制流程。

2、2 控制系統(tǒng)基本功能

原料場控制系統(tǒng)的主要功能有: 1 集中自動/ 集中手動運(yùn)行方式的切換; 0各流程自動順序起動或自動順序停止的控制; 上位機(jī) PLC的數(shù)據(jù)交換; 1/4卸料小車等移動設(shè)備的自動定位控制; 1/2流程狀態(tài), 設(shè)備狀態(tài)的生成及顯示; 3/4事故狀態(tài)信號處理, 事故報(bào)警, 預(yù)告報(bào)警及過程報(bào)警; ¿各流程的緊急停車;Á料倉料位的動態(tài)顯示; Á 水泵站內(nèi)泵的控制及工作狀態(tài)顯示;Â噴淋水閥的自動切換及工作狀態(tài)顯示; lv除塵風(fēng)機(jī)的控制及工作狀態(tài)顯示; lw給料機(jī)的換倉; kv各數(shù)據(jù)庫的建立。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

大型綜合原料場一般由幾十條膠帶輸送機(jī)、螺旋卸料機(jī)、堆取料機(jī)、混勻堆取料機(jī)和卸料小車、物料料倉、中間轉(zhuǎn)運(yùn)站圓盤給料機(jī)等組成。其特點(diǎn)是場區(qū)范圍大, 被控對象分散, 控制信號傳輸距離遠(yuǎn), 電磁干擾大(大量的大功率電機(jī)啟停)。因此, 要求控制系統(tǒng)必須具有很好的抗干擾能力, 保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)和信息傳輸采用光纖介質(zhì), 近端數(shù)據(jù)和信息傳輸采用高等級屏蔽電纜, 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

3、1 硬件配置

控制系統(tǒng)選用西門子公司的 S7- 400 系列可編程序控制器作為主控系統(tǒng), 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)和信息采集系統(tǒng)選用西門子 S7- 300 系列可編程控制器模板。根據(jù)工藝流程的劃分, 配置兩套主控 PLC 系統(tǒng), 由西門子 S7- 400 組成, 每套系統(tǒng)配置一塊 CP443- 1 工業(yè)以太網(wǎng)通訊卡。1#主控系統(tǒng)控制 1#~ 5#ET200 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)和信息采集站, 主要控制原料系統(tǒng)的受料模式; 2#主控系統(tǒng)控制6#~ 8#ET200 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)和信息采集站,主要控制由儲料倉開始至物料輸送終點(diǎn)的原料輸送模式。ET200 遠(yuǎn)程站通過 Profibus- DP 現(xiàn)場總線與主控系統(tǒng)連接, 主站與遠(yuǎn)程站的數(shù)據(jù)和信息采用光纖介質(zhì)傳輸。同一個(gè)模式的信息和數(shù)據(jù)盡可能進(jìn)同一個(gè)主控 PLC 系統(tǒng), 跨區(qū)域的必要聯(lián)鎖數(shù)據(jù)和信息通過工業(yè)以太網(wǎng)在兩個(gè)主控 PLC系統(tǒng)之間傳輸。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī), 它是原料場所有數(shù)據(jù)和信息交換的主要通道。系統(tǒng)通過雙絞線端口將兩臺主控 PLC、兩臺操作員站、一臺工程師站、一臺網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)和兩臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器連在一起, 構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的控制中心。

3、2 軟件配置

1) 編程軟件

控制軟件主要的控制功能包括: 所有控制模式的智能邏輯控制算法; 控制模式申請、啟動、停止、故障處理及模式解除控制;   原料卸料小車運(yùn)行、停止和定位以及附屬設(shè)備的啟停。系統(tǒng)編程軟件采用西門子公司的STEP7 軟件, 兩臺主控 PLC 之間通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息傳輸, 智能邏輯控制程序框圖見圖 2。

2) 監(jiān)控軟件

對于任何一個(gè)工業(yè)過程控制系統(tǒng), 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)包括如下畫面: 生產(chǎn)管理畫面、主菜單、主畫面、子畫面或輔助畫面、趨勢曲線畫面、報(bào)警畫面、歷史數(shù)據(jù)查詢畫面、生產(chǎn)報(bào)表畫面。各畫面頂部信息條為報(bào)警信息條及時(shí)間、日期等顯示, 各畫面底部為畫面切換或退出功能按鈕, 該按鈕可定義鍵盤快捷鍵。系統(tǒng)采用西門子公司的 WinCC 監(jiān)控軟件, 完成整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)視和控制任務(wù)。

4 系統(tǒng)功能

原料場的控制主要分為兩大部分: 一部分為原料的輸送控制; 另一部分為原料堆取設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)控制。原料場主要設(shè)備包括: 輸送皮帶機(jī)、給料機(jī)、定量給料裝置、高爐粉倉下的給料閥門、各類給料機(jī)、分料裝置、卸料小車、犁式卸料器以及位于加工系統(tǒng)的振動篩、破碎機(jī)等。這些設(shè)備組成幾十個(gè)生產(chǎn)流程, 將不同的原料按生產(chǎn)需要輸往不同的生產(chǎn)車間。這些生產(chǎn)流程均由中央電氣室集中控制。系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)方式有模式自動、集中手動以及機(jī)旁手動三種。其中機(jī)旁手動方式主要用于單體設(shè)備的調(diào)試和檢修,不進(jìn)主控 PLC系統(tǒng)。

4、1 集中手動運(yùn)行方式

因特殊需求系統(tǒng)需要集中手動操作時(shí), 可在系統(tǒng)操作站上選擇集中手動運(yùn)轉(zhuǎn)方式, 根據(jù)生產(chǎn)需要確定原料輸送起始點(diǎn)和終點(diǎn)目標(biāo)后,輸入流程選擇指令, 計(jì)算機(jī)畫面將顯示該原料輸送流程所涉及的設(shè)備, 自原料輸送流程終點(diǎn)的設(shè)備開始, 逆原料輸送方向依次順序手動啟動設(shè)備。停機(jī)時(shí), 自原料輸送流程的起始端設(shè)備開始, 順原料輸送方向手動依次順序停機(jī), 并保證每臺設(shè)備上的原料排空后才停車。

4、2 模式自動運(yùn)行方式

在中央電氣室通過 CRT 可選擇集中模式自動運(yùn)行方式, 并可實(shí)現(xiàn)自動/ 集中手動運(yùn)轉(zhuǎn)方式切換。當(dāng)選擇模式自動運(yùn)行方式時(shí), 通過操作站進(jìn)行操作, 各系統(tǒng)的流程狀態(tài)以及設(shè)備狀態(tài)、報(bào)警信息均可在 CRT 上顯示。

模式自動運(yùn)行控制是在集中自動狀態(tài)下,根據(jù)受料和供料的需求, 為原料輸送轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)置傳輸路徑, 每一個(gè)控制模式對應(yīng)一個(gè)智能邏輯程序模塊( 即原料輸送流程), 完成一個(gè)指定原料輸送轉(zhuǎn)運(yùn)過程。

原料輸送流程的選擇與解除: 根據(jù)生產(chǎn)需要確定原料輸送的起始位置和終點(diǎn)目標(biāo)后, 輸入原料輸送流程選擇指令, CRT 畫面將顯示輸入的原料流程運(yùn)行路徑和該路徑上所有的設(shè)備。如果因選擇的原料流程中涉及的設(shè)備有故障或其它原因, 導(dǎo)致原料流程選擇失敗, 計(jì)算機(jī)畫面上將提示失敗的原因, 如設(shè)備故障或某些設(shè)備正在被其它流程選用, 并做報(bào)警提示。

原料輸送流程選擇完畢后, 如果出現(xiàn)特殊情況(如更改原料輸送目的地) 或發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤( 如輸送目的地或路徑錯(cuò)誤) , 系統(tǒng)可輸入原料輸送流程解除命令, 解除被選流程。

1) 原料輸送流程選擇成立條件:  所有被選設(shè)備的運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換開關(guān)處于聯(lián)動位置; 所有被選設(shè)備處于完好狀態(tài);   被選流程中的設(shè)備未被其它流程占用(未處于其它流程的聯(lián)鎖準(zhǔn)備或運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)) 。

2) 聯(lián)動系統(tǒng)的聯(lián)鎖: 系統(tǒng)啟動時(shí), 自原料輸送流程的終點(diǎn)設(shè)備開始, 逆原料輸送方向依次順序延時(shí)啟動該流程所用的設(shè)備, 延時(shí)時(shí)間由該流程所涉及設(shè)備的特性決定。系統(tǒng)停機(jī)時(shí),

自原料輸送流程的起始端設(shè)備開始, 順原料輸送方向依次延時(shí)停止該流程所用的設(shè)備, 延時(shí)時(shí)間由每個(gè)設(shè)備上的物料全部排空所需時(shí)間決定。

3) 系統(tǒng)故障停機(jī): 當(dāng)該流程某一設(shè)備故障導(dǎo)致該設(shè)備停機(jī)時(shí), 以該故障設(shè)備為基點(diǎn), 系統(tǒng)來料方向的所有設(shè)備立即同時(shí)停機(jī), 該故障設(shè)備后面的設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行, 直至每臺設(shè)備的原料全部排空為止, 系統(tǒng)全部停車。

4) 系統(tǒng)緊急停機(jī): 在中控室和每臺設(shè)備旁裝有緊急停機(jī)開關(guān), 一旦發(fā)生緊急情況, 按下該開關(guān), 系統(tǒng)所有聯(lián)動設(shè)備同時(shí)停機(jī)。

4、3 機(jī)旁手動方式

機(jī)旁手動方式主要用于整個(gè)系統(tǒng)單體設(shè)備的調(diào)試、測試和檢修。機(jī)旁手動方式具有最高控制權(quán)限, 系統(tǒng)進(jìn)入該方式后, 其它任何操作都被禁止, 只能在現(xiàn)場手動操作單體設(shè)備。

5 結(jié)束語

該原料場控制系統(tǒng)已在唐鋼原料場投入運(yùn)行, 通過合理使用先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù), 實(shí)現(xiàn)了料場原料輸送更為先進(jìn)、復(fù)雜的控制管理功能, 保證了各個(gè)生產(chǎn)部門所需原料的供給, 使生產(chǎn)管理水平得到很大提高, 取得了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益。同時(shí), 為企業(yè)傳統(tǒng)生產(chǎn)控制管理模式的改進(jìn)提供了可借鑒的方式。

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