施耐德电气Quantum PLC 在烧结自动控制系统中的应用
2005/7/12 11:02:00
摘要 本文介绍了Quantum PLC在烧结生产自动控制系统中的应用，以及自动控制系统的组成、系统的特点、系统的功能。
关键词 烧结生产 自动控制 PLC
1 前言
烧结矿作为高炉冶炼的主要原料，其质量直接影响高炉生产。攀钢4#烧结机控制系统，由于自动化水平低，生产成本高，作业率低，已不能满足生产的要求。为此在2003年6月大修时，除了对部分工艺设备和工艺流程进行改造外，对自动化控制系统进行全面升级。采用先进的网络结构和硬件设备，并应用先进的烧结工艺优化控制软件技术，实现烧结生产过程自动控制、监控及管理，以达到提高烧结矿的质量，降低能耗，改善工人作业环境及劳动强度的目的。
2 自动控制系统构成
自动控制系统实现对整个烧结机生产设备的联锁控制，实时数据的采集与分析，过程与设备状态的监控与报警，过程趋势数据的采集与处理，报表打印，画面显示。完成了生产设备的基础自动化及过程计算机控制，并使用网桥技术，实现4#烧结机计算机系统与3#、5#之间数据传输，构成烧结生产线综合监控网络。
根据烧结工艺对自动化系统的要求，4#烧结机采用Modicon
Quantum 140 系列PLC,实现配混系统、烧冷系统、成品整粒系统、卸灰及电除尘系统的逻辑顺序控制，对主风机、点火炉等生产工艺的数据采集、处理及回路控制。系统配置简图如图1
系统由3台PLC、4个工程师站和8个监控站组成，基础控制层采用Quantum 140 系列PLC，采用Modicon 公司工业控制局域网络（Modbus Plus）。令牌总线结构，通过PLC上网络接口模板（Controller Link System）与工程师站或监控站的网卡进行通讯，对等通讯方式及远程I/O扩展。传输速率为1M pbs，传送介质为屏蔽双绞线。系统具强大的数字量、模拟量及回路处理功能，具备模板化、体系结构可扩展的特点，包括CPU、I/O模板、I/O接口、通讯模板、电源和底板等。监控系统（HMI）采用Intellution公司的iFIX3.0监控软件，实现生产过程工艺流程及各参数的采集显示、报警、回路控制画面，历史数据存储及趋势图，报表等监控功能。iFIX3.0支持其于因特网的远程在线组态，嵌入式VBA(Visual Basic For Application)。操作系统为Windows 2000，编程软件采用Concept2.2，它支持５种IEC标准语言，系统提供了派生功能块(DFB)，并可在Concept2.2应用程序中反复调用，如果一些特定的算法或逻辑控制需要改变，只需修改DFB功能块即可。
３ 系统功能
３．１电气控制
根据工艺要求和现场实际情况，系统从整体上分为机旁操作和计算机联锁运行。机旁操作是指操作人员在现场操作箱上进行设备的启动、停止及设备运转速度设定。当一台设备于机旁操作状态时，不再参与系统的其它联锁。计算机联锁运行是指处于自动运行的所有设备每一时刻都参入各自联锁条件，如运行安全联锁、工艺参数联锁、启动或停止顺序联锁等，有效地防止因下游设备故障而引起上游皮带堆料。以配料系统为例，阐述控制原理。圆盘配料工艺简图如图2。
在圆盘配料系统中，给料量主要由圆盘的转速决定，并且与圆盘的转速成线性比例关系。采用西门子数控直流调速装置（6RA70系列），来控制圆盘电机的转速，由PLC设定参数作为数控调速装置的给定信号来改变瞬时流量。料流检测由核子称（JR2系列）信号与主皮带信号换算得出，作为该圆盘系统的反馈信号。累计流量Q =K*T*∑G，G为瞬时流量，T为皮带速度，K为比例系数。根据每一采样时刻的瞬时流量计算出采样时刻前一段时间（10S）的平均流量，将其与上位机流量给定值比较，得出偏差，然后进行PID运算，得到控制量，最后通过D/A模板输出4~20MA的直流信号，作为直流传动控制单元的给定值，改变电机的转速，达到控制物料流量的目的。
3．2仪表控制
（1） 信号的采集与处理
利用Concept软件特有功能，针对不同的模拟量输入信号和不同参数需要，分别编制了工程量转换、数字滤波、偏差、上下限报警等各种信号处理的DFB，在控制程序中可直接调用这些功能块。实现了混合料矿槽料位测量及上下限料位报警，混合料温度的检测，煤气流量、氧气流量的累计及瞬时显示，煤气与空气压力测量，低压报警及低压煤气切断，负压测量与显示，烧结料层厚度检测。实现了抽烟机入口流量检测，进口废气负压、温度测量，电机轴承及定子温度测量和超温报警等。
（2） 点火炉温度控制
点火炉燃烧控制是烧结工艺的重要环节，有比例自动控制和单回路控制两种方式。当选择比例自动控制时，计算机以点火炉的炉温为主调参数，以煤气流量和空气流量为辅调参数。由温度调器的输出作为煤气流量调节器的设定值，温度调节器的输出经配比计算（空燃比）后作为空气调节器的设定值，然后进行PID调节，实现煤气调节阀和空气调节阀开度的自动控制。当选择单回路控制时，根据现场输入流量的设定值，与实际测量值进行单回路PID计算，分别控制煤气和空气流量调节阀，分配其流量来控点火炉温度。单回路控制图见图3。
4 系统特点
（1） 实现了三电一体化。该系统现场检测信号直接进入PLC，电气控制去掉了中间联锁。操作方式分为自动和机旁，取消了控制室内操作台、模拟屏及显示表，改为CRT监控，所有数据全部在上位机上显示，用鼠标和键盘操作。
（2） 建立了3台烧结机的局域网。通过网桥使4#烧结机的PLC系统与3#、5#烧结机的PLC系统实现数据交换，从而实现对烧结生产线的统一监控。
（3） 故障报警及自动生成报表。当出现故障时，监控画面将以警示色提醒用户，同时控制柜发出电铃报警声，以便操作工及时处理。系统能实时地将历史数据记录在上位机中，对数据的查询、统计和打印很方便，自动生成日报、月报及旬报。
（4） 通讯及电源模板冗余，保证了系统的安全性和稳定性，有效地减少故障停机时间。仪控系统采用先进的检测方式，大量使用智能仪表和智能执行器，使设备检测趋于智能化。
（5） 上位机进行系统的监控和管理，并提供良好的人机界面，实现分布处理与集中管理一体化，而且系统故障率低，可靠性高，操作简便，控制功能和精度满足生产工艺要求。
UTILIZATION OF QUANTUM PLC AUTOMATIC
CONTROL SYSTEM IN SINTERING PRODUCTION
Pan Jinhua
(Panzhihua Iron Smelting Factory Sichuan Panzhihua 617022)
Abstract The utilization aspect of Quantum PLC automatic control system in sintering Production, the auto-controlling system, and its composition , features and function etc. were presented in this paper.
Key words sintering production, auto-controlling, PLC
作者简介：潘金华（1972—），工程师，从事电气传动自动化及计算机控制方面工作。
关键词 烧结生产 自动控制 PLC
1 前言
烧结矿作为高炉冶炼的主要原料，其质量直接影响高炉生产。攀钢4#烧结机控制系统，由于自动化水平低，生产成本高，作业率低，已不能满足生产的要求。为此在2003年6月大修时，除了对部分工艺设备和工艺流程进行改造外，对自动化控制系统进行全面升级。采用先进的网络结构和硬件设备，并应用先进的烧结工艺优化控制软件技术，实现烧结生产过程自动控制、监控及管理，以达到提高烧结矿的质量，降低能耗，改善工人作业环境及劳动强度的目的。
2 自动控制系统构成
自动控制系统实现对整个烧结机生产设备的联锁控制，实时数据的采集与分析，过程与设备状态的监控与报警，过程趋势数据的采集与处理，报表打印，画面显示。完成了生产设备的基础自动化及过程计算机控制，并使用网桥技术，实现4#烧结机计算机系统与3#、5#之间数据传输，构成烧结生产线综合监控网络。
根据烧结工艺对自动化系统的要求，4#烧结机采用Modicon
Quantum 140 系列PLC,实现配混系统、烧冷系统、成品整粒系统、卸灰及电除尘系统的逻辑顺序控制，对主风机、点火炉等生产工艺的数据采集、处理及回路控制。系统配置简图如图1
系统由3台PLC、4个工程师站和8个监控站组成，基础控制层采用Quantum 140 系列PLC，采用Modicon 公司工业控制局域网络（Modbus Plus）。令牌总线结构，通过PLC上网络接口模板（Controller Link System）与工程师站或监控站的网卡进行通讯，对等通讯方式及远程I/O扩展。传输速率为1M pbs，传送介质为屏蔽双绞线。系统具强大的数字量、模拟量及回路处理功能，具备模板化、体系结构可扩展的特点，包括CPU、I/O模板、I/O接口、通讯模板、电源和底板等。监控系统（HMI）采用Intellution公司的iFIX3.0监控软件，实现生产过程工艺流程及各参数的采集显示、报警、回路控制画面，历史数据存储及趋势图，报表等监控功能。iFIX3.0支持其于因特网的远程在线组态，嵌入式VBA(Visual Basic For Application)。操作系统为Windows 2000，编程软件采用Concept2.2，它支持５种IEC标准语言，系统提供了派生功能块(DFB)，并可在Concept2.2应用程序中反复调用，如果一些特定的算法或逻辑控制需要改变，只需修改DFB功能块即可。
３ 系统功能
３．１电气控制
根据工艺要求和现场实际情况，系统从整体上分为机旁操作和计算机联锁运行。机旁操作是指操作人员在现场操作箱上进行设备的启动、停止及设备运转速度设定。当一台设备于机旁操作状态时，不再参与系统的其它联锁。计算机联锁运行是指处于自动运行的所有设备每一时刻都参入各自联锁条件，如运行安全联锁、工艺参数联锁、启动或停止顺序联锁等，有效地防止因下游设备故障而引起上游皮带堆料。以配料系统为例，阐述控制原理。圆盘配料工艺简图如图2。
在圆盘配料系统中，给料量主要由圆盘的转速决定，并且与圆盘的转速成线性比例关系。采用西门子数控直流调速装置（6RA70系列），来控制圆盘电机的转速，由PLC设定参数作为数控调速装置的给定信号来改变瞬时流量。料流检测由核子称（JR2系列）信号与主皮带信号换算得出，作为该圆盘系统的反馈信号。累计流量Q =K*T*∑G，G为瞬时流量，T为皮带速度，K为比例系数。根据每一采样时刻的瞬时流量计算出采样时刻前一段时间（10S）的平均流量，将其与上位机流量给定值比较，得出偏差，然后进行PID运算，得到控制量，最后通过D/A模板输出4~20MA的直流信号，作为直流传动控制单元的给定值，改变电机的转速，达到控制物料流量的目的。
3．2仪表控制
（1） 信号的采集与处理
利用Concept软件特有功能，针对不同的模拟量输入信号和不同参数需要，分别编制了工程量转换、数字滤波、偏差、上下限报警等各种信号处理的DFB，在控制程序中可直接调用这些功能块。实现了混合料矿槽料位测量及上下限料位报警，混合料温度的检测，煤气流量、氧气流量的累计及瞬时显示，煤气与空气压力测量，低压报警及低压煤气切断，负压测量与显示，烧结料层厚度检测。实现了抽烟机入口流量检测，进口废气负压、温度测量，电机轴承及定子温度测量和超温报警等。
（2） 点火炉温度控制
点火炉燃烧控制是烧结工艺的重要环节，有比例自动控制和单回路控制两种方式。当选择比例自动控制时，计算机以点火炉的炉温为主调参数，以煤气流量和空气流量为辅调参数。由温度调器的输出作为煤气流量调节器的设定值，温度调节器的输出经配比计算（空燃比）后作为空气调节器的设定值，然后进行PID调节，实现煤气调节阀和空气调节阀开度的自动控制。当选择单回路控制时，根据现场输入流量的设定值，与实际测量值进行单回路PID计算，分别控制煤气和空气流量调节阀，分配其流量来控点火炉温度。单回路控制图见图3。
4 系统特点
（1） 实现了三电一体化。该系统现场检测信号直接进入PLC，电气控制去掉了中间联锁。操作方式分为自动和机旁，取消了控制室内操作台、模拟屏及显示表，改为CRT监控，所有数据全部在上位机上显示，用鼠标和键盘操作。
（2） 建立了3台烧结机的局域网。通过网桥使4#烧结机的PLC系统与3#、5#烧结机的PLC系统实现数据交换，从而实现对烧结生产线的统一监控。
（3） 故障报警及自动生成报表。当出现故障时，监控画面将以警示色提醒用户，同时控制柜发出电铃报警声，以便操作工及时处理。系统能实时地将历史数据记录在上位机中，对数据的查询、统计和打印很方便，自动生成日报、月报及旬报。
（4） 通讯及电源模板冗余，保证了系统的安全性和稳定性，有效地减少故障停机时间。仪控系统采用先进的检测方式，大量使用智能仪表和智能执行器，使设备检测趋于智能化。
（5） 上位机进行系统的监控和管理，并提供良好的人机界面，实现分布处理与集中管理一体化，而且系统故障率低，可靠性高，操作简便，控制功能和精度满足生产工艺要求。
UTILIZATION OF QUANTUM PLC AUTOMATIC
CONTROL SYSTEM IN SINTERING PRODUCTION
Pan Jinhua
(Panzhihua Iron Smelting Factory Sichuan Panzhihua 617022)
Abstract The utilization aspect of Quantum PLC automatic control system in sintering Production, the auto-controlling system, and its composition , features and function etc. were presented in this paper.
Key words sintering production, auto-controlling, PLC
作者简介：潘金华（1972—），工程师，从事电气传动自动化及计算机控制方面工作。
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