袁晓红1, 赵明2, 赵春娜1

( 11 首都师范大学 信息工程学院, 北京 100048; 21 辽宁科技大学 应用技术学院, 辽宁 鞍山 114051)

摘 要: 以唐钢原料场为例, 介绍了大型原料场的工艺流程和控制方式,对常用的控制模式和实现方法进行了详细论述, 介绍了控制系统的架构和硬件、软件设计。将工业现场总线技术和工业以太网技术结合,应用到大型综合原料场控制系统, 解决了远程、强干扰、大容量复杂的系统数据和信息传输控制问题。

关键词: 原料场; 控制模式; 可编程控制器; 现场总线; 工业以太网

1 前 言

原料场是钢铁企业的重要组成部分, 主要工艺设备包括: 螺旋卸车机、给料机、胶带机、破碎机、振动筛、卸料小车、堆取料机等, 以及相关的水泵站和除尘设施。通常, 一个大型原料场要承担烧结厂、炼铁厂、炼钢厂、石灰厂等生产部门所需的矿粉、石灰石、焦炭和煤炭等原料的受卸、存储、混匀和转运等任务, 以满足钢铁企业正常生产的需要。由于其作业特点, 生产现场难免会有大量的粉尘和水汽, 采用自动控制系统能极大地减轻现场操作人员的劳动强度,改善其的工作环境( 避免在高粉尘环境下工作), 提高生产效率。在原料场控制系统设计中, 把工业现场总线和工业以太网技术结合在一起, 提高了整个系统的可靠性, 同时可以随时增加控制系统规模, 提高了系统组态的灵活性。

2 被控对象工艺流程

综合原料场通常包括以下控制项目: 火车受卸料系统( 模式 A) 、汽车受卸料系统( 模式B) 、地下受料仓 A 系统( 模式 C) 、地下受料仓 B系统(模式D)、储料场AB列系统(模式 E)、储料场CD 列系统(模式 F)、混匀系统(模式 G)、高炉供料系统(模式H)、高炉返矿系统(模式 J)。

2、1 控制模式

1) 火车受卸料系统( 模式 A)

模式 A 主要是从火车受料仓 1#~ 10#至储料场 A、B 列、储料场 C、D 列、高炉焦槽以及烧结配料室胶带机的原料输送模式, 它包括 A1~A5 五个模式, A01~ A09 九个控制流程。

2) 汽车受卸料系统( 模式 B)

模式 B主要是从汽车受料仓 1#~ 8#至储料场 A、B列、储料场 C、D 列以及烧结配料室胶带机的原料输送模式, 它包括 B1~ B3 三个模式, B01~ B05 五个控制流程。

3) 地下受料仓 A 系统( 模式 C)

模式 C主要是从地下受料仓 A1#~ A4#至储料场 C、D 列以及烧结配料室胶带机的原料输送模式, 它包括 C1、C2 两个模式, C01、C02 两个控制流程。

4) 地下受料仓 B 系统( 模式 D)

模式 D 主要是从地下受料仓 B1#~ B4#至高炉矿槽、预留高炉矿槽、混匀配料室以及石灰窑原料库胶带机的原料输送模式, 它包括 D1~D4 四个模式, D01~ D12 十二个控制流程。

5) 储料场 AB 列系统( 模式 E)

模式 E 主要为从储料场 A、B列至混匀配料仓1#~ 8#以及高炉矿槽、焦槽的原料运输模式, 它包括 E1~ E4 四个模式, E01~ E07 七个控制流程。

6) 储料场 CD 列系统( 模式 F)

模式 F 主要为从储料场 C、D 列至混匀配料仓1#~ 8#及高炉矿槽、预留高炉矿槽、石灰窑原料库的原料运输模式, 它包括 F1~ F4 四个模式, F01~ F06 六个控制流程。

7) 混匀系统( 模式 G)

模式 G 主要为从混匀配料室至混匀料场A、B 堆及混匀料场至烧结配料室胶带机输送模式, 它包括 G1~ G2 两个模式, G01~ G02 两个控制流程。

8) 高炉供料系统( 模式 H )

模式H 主要为从煤气厂筛分室, 成品烧结矿胶带机和配煤仓 1#~ 3#至高炉矿槽、焦槽及高炉喷煤制粉站运输模式, 它包括 H1~ H5 五个模式, H01~ H05 五个控制流程。

9) 高炉返矿系统( 模式 J)

模式 J 主要为从高炉返矿返焦仓至储料场C、D 列运输模式, 它包括 J1~ J4 四个模式, J01~ J06 六个控制流程。

2、2 控制系统基本功能

原料场控制系统的主要功能有: 1 集中自动/ 集中手动运行方式的切换; 0各流程自动顺序起动或自动顺序停止的控制; 上位机 PLC的数据交换; 1/4卸料小车等移动设备的自动定位控制; 1/2流程状态, 设备状态的生成及显示; 3/4事故状态信号处理, 事故报警, 预告报警及过程报警; ¿各流程的紧急停车;Á料仓料位的动态显示; Á 水泵站内泵的控制及工作状态显示;Â喷淋水阀的自动切换及工作状态显示; lv除尘风机的控制及工作状态显示; lw给料机的换仓; kv各数据库的建立。

3 系统构成

大型综合原料场一般由几十条胶带输送机、螺旋卸料机、堆取料机、混匀堆取料机和卸料小车、物料料仓、中间转运站圆盘给料机等组成。其特点是场区范围大, 被控对象分散, 控制信号传输距离远, 电磁干扰大(大量的大功率电机启停)。因此, 要求控制系统必须具有很好的抗干扰能力, 保证系统稳定运行。系统远程数据和信息传输采用光纤介质, 近端数据和信息传输采用高等级屏蔽电缆, 控制系统结构如图 1所示。

3、1 硬件配置

控制系统选用西门子公司的 S7- 400 系列可编程序控制器作为主控系统, 远程数据和信息采集系统选用西门子 S7- 300 系列可编程控制器模板。根据工艺流程的划分, 配置两套主控 PLC 系统, 由西门子 S7- 400 组成, 每套系统配置一块 CP443- 1 工业以太网通讯卡。1#主控系统控制 1#~ 5#ET200 远程数据和信息采集站, 主要控制原料系统的受料模式; 2#主控系统控制6#~ 8#ET200 远程数据和信息采集站,主要控制由储料仓开始至物料输送终点的原料输送模式。ET200 远程站通过 Profibus- DP 现场总线与主控系统连接, 主站与远程站的数据和信息采用光纤介质传输。同一个模式的信息和数据尽可能进同一个主控 PLC 系统, 跨区域的必要联锁数据和信息通过工业以太网在两个主控 PLC系统之间传输。

系统的数据传输网络采用工业以太网交换机, 它是原料场所有数据和信息交换的主要通道。系统通过双绞线端口将两台主控 PLC、两台操作员站、一台工程师站、一台网络打印机和两台数据库服务器连在一起, 构成整个系统的控制中心。

3、2 软件配置

1) 编程软件

控制软件主要的控制功能包括: 所有控制模式的智能逻辑控制算法; 控制模式申请、启动、停止、故障处理及模式解除控制;   原料卸料小车运行、停止和定位以及附属设备的启停。系统编程软件采用西门子公司的STEP7 软件, 两台主控 PLC 之间通过工业以太网进行数据和信息传输, 智能逻辑控制程序框图见图 2。

2) 监控软件

对于任何一个工业过程控制系统, 上位机监控系统包括如下画面: 生产管理画面、主菜单、主画面、子画面或辅助画面、趋势曲线画面、报警画面、历史数据查询画面、生产报表画面。各画面顶部信息条为报警信息条及时间、日期等显示, 各画面底部为画面切换或退出功能按钮, 该按钮可定义键盘快捷键。系统采用西门子公司的 WinCC 监控软件, 完成整个系统的监视和控制任务。

4 系统功能

原料场的控制主要分为两大部分: 一部分为原料的输送控制; 另一部分为原料堆取设备运转控制。原料场主要设备包括: 输送皮带机、给料机、定量给料装置、高炉粉仓下的给料阀门、各类给料机、分料装置、卸料小车、犁式卸料器以及位于加工系统的振动筛、破碎机等。这些设备组成几十个生产流程, 将不同的原料按生产需要输往不同的生产车间。这些生产流程均由中央电气室集中控制。系统运转方式有模式自动、集中手动以及机旁手动三种。其中机旁手动方式主要用于单体设备的调试和检修,不进主控 PLC系统。

4、1 集中手动运行方式

因特殊需求系统需要集中手动操作时, 可在系统操作站上选择集中手动运转方式, 根据生产需要确定原料输送起始点和终点目标后,输入流程选择指令, 计算机画面将显示该原料输送流程所涉及的设备, 自原料输送流程终点的设备开始, 逆原料输送方向依次顺序手动启动设备。停机时, 自原料输送流程的起始端设备开始, 顺原料输送方向手动依次顺序停机, 并保证每台设备上的原料排空后才停车。

4、2 模式自动运行方式

在中央电气室通过 CRT 可选择集中模式自动运行方式, 并可实现自动/ 集中手动运转方式切换。当选择模式自动运行方式时, 通过操作站进行操作, 各系统的流程状态以及设备状态、报警信息均可在 CRT 上显示。

模式自动运行控制是在集中自动状态下,根据受料和供料的需求, 为原料输送转运设置传输路径, 每一个控制模式对应一个智能逻辑程序模块( 即原料输送流程), 完成一个指定原料输送转运过程。

原料输送流程的选择与解除: 根据生产需要确定原料输送的起始位置和终点目标后, 输入原料输送流程选择指令, CRT 画面将显示输入的原料流程运行路径和该路径上所有的设备。如果因选择的原料流程中涉及的设备有故障或其它原因, 导致原料流程选择失败, 计算机画面上将提示失败的原因, 如设备故障或某些设备正在被其它流程选用, 并做报警提示。

原料输送流程选择完毕后, 如果出现特殊情况(如更改原料输送目的地) 或发现错误( 如输送目的地或路径错误) , 系统可输入原料输送流程解除命令, 解除被选流程。

1) 原料输送流程选择成立条件:  所有被选设备的运行方式转换开关处于联动位置; 所有被选设备处于完好状态;   被选流程中的设备未被其它流程占用(未处于其它流程的联锁准备或运转状态) 。

2) 联动系统的联锁: 系统启动时, 自原料输送流程的终点设备开始, 逆原料输送方向依次顺序延时启动该流程所用的设备, 延时时间由该流程所涉及设备的特性决定。系统停机时,

自原料输送流程的起始端设备开始, 顺原料输送方向依次延时停止该流程所用的设备, 延时时间由每个设备上的物料全部排空所需时间决定。

3) 系统故障停机: 当该流程某一设备故障导致该设备停机时, 以该故障设备为基点, 系统来料方向的所有设备立即同时停机, 该故障设备后面的设备继续运行, 直至每台设备的原料全部排空为止, 系统全部停车。

4) 系统紧急停机: 在中控室和每台设备旁装有紧急停机开关, 一旦发生紧急情况, 按下该开关, 系统所有联动设备同时停机。

4、3 机旁手动方式

机旁手动方式主要用于整个系统单体设备的调试、测试和检修。机旁手动方式具有最高控制权限, 系统进入该方式后, 其它任何操作都被禁止, 只能在现场手动操作单体设备。

5 结束语

该原料场控制系统已在唐钢原料场投入运行, 通过合理使用先进的现场总线技术和工业以太网技术, 实现了料场原料输送更为先进、复杂的控制管理功能, 保证了各个生产部门所需原料的供给, 使生产管理水平得到很大提高, 取得了明显的经济和社会效益。同时, 为企业传统生产控制管理模式的改进提供了可借鉴的方式。

参考文献

[ 1]   马竹梧1 冶金原燃料生产自动化技术[ M ]1 北京: 冶金工业出版社, 2005, 71

[ 2]   郝晓弘 1 工业控制网络与 EtherNet 和 PCP/ IP 技术[ J ].PLC& FA, 2003( 10) : 51- 531