基于SIMATIC PCS7过程控制系统实现自动化真空控制系统的设计

1、引 言

钢水的真空处理应用于钢水的脱氢、脱氮、去氧（轻处理）和脱硫，同时具有合金微调和温度调整的功能。攀钢生产特殊钢，如轨道钢、低合金结构钢、齿轮钢、氧气瓶钢等都需要经过真空处理，是方坯连铸生产的重要环节。顶枪应用于真空非处理状态下，对真空室进行保温，减少温降，祛除真空室内壁表面结瘤。根据炼钢厂对真空系统的生产要求，控制系统要具有高可靠性、易操作性、维修方便、控制功能全面的特点，真空控制系统的可编程控制器采用SEIMENS公司的SIMATIC S7-400 PLC。SIMATIC S7-400 PLC是具有中高档性能的PLC，具有模块化和用户易于掌握的特点，并具有高速的指令处理、人机界面、CPU的智能化诊断、具有网络通信、软件编程语言丰富的特点。

2、自动化级控制系统

根据真空的工艺设备情况，真空控制系统设计采用SIEMENS公司的SIMATIC PCS7过程控制系统，系统主要由一套S7 400 PLC、两台监控站和二级计算机系统构成。

RH控制系统采用两级控制系统组成，一级基础自动化系统和二级计算机控制系统，在一级基础自动化系统中完成其逻辑控制和控制回路的调节控制，二级计算机系统从基础自动化系统采取过程生产数据，根据生产计划和来钢情况进行模型运算，优化出生产参数下送到基础自动化系统执行操作。RH基础自动化系统采用西门子公司的S7 400系列的PLC控制器组成过程控制系统，网络系统采用西门子公司的工业以太网来连接LF系统、合金下料系统、中控室的操作站、报表打印机和RH的二级计算机等设备。过程控制系统采用西门子公司的S7 400系列组成PLC控制系统，操作台采用ET200M利用PROFIBUS-DP网络接入PLC主控器以减少电缆布线。机电一体设备采用RS232协议与PLC的主控器通讯。操作站与PLC系统之间采用工业以太网协议通讯，一级操作站和二级计算机采用西门子OPC协议来完成数据交换。为了对控制设备的精确定位，其传动系统采用VVVF技术来进行调速控制。

3、顶枪加热过程描述研究

顶枪在非处理期间由停放位开始下降，当下降到预设加热高度时，加热煤气和氧气阀打开，煤气点火燃烧，调节煤气和氧气流量到给定值对真空室进行加热或除瘤。

图1 顶枪加热过程

位置和加热控制以及辅助控制的核心设备是PLC，软件是RH PLC使用的软件，控制程序是用STEP 7编程语言编写的，使用梯形图、功能框图、语句表语言。程序编写使用了模块化编写方式。

3.1 PLC对操作方式的实现

（1）事故操作方式（气动马达）：在事故状态下，将气动马达耦合手柄打到气动马达位置，用N2升降顶枪。电动操作和气动马达操作，通过一个耦合器进行切换，有一个行程开关检测顶枪处于气动或电动状态。（2）就地操作方式（现场操作箱）：在现场操作箱上选择“就地”，按“上升”按钮（自复位按钮），枪以给定速度上升，当枪运行到紧急上限时，自动停止；按“下降”按钮（自复位按钮），枪以给定速度下降，当枪运行到紧急下限时，自动停止。操作完毕，将选择开关置于“远控”（现场操作台）方式。当现场操作箱选择“就地”操作时，现场操作台、PLC和LEVEL 2均不能对顶枪进行操作。（3）本地手动操作方式（现场操作台）：在现场操作台上将钥匙开关置于“本地”（LOCAL）上升过程：首先将膨胀密封圈松开，当枪离预定位置较远时，按“高速上升”按钮（自复位按钮），枪高速上升，当枪快接近预定位置时，改按“低速上升”按钮，枪低速上升，到预定位置松开按钮，枪停止运行。锁紧膨胀密封圈。上升过程中，当枪到达上极限时，枪自动停止运行。下降过程：首先将膨胀密封圈松开，当枪离预定位置较远时，按“高速下降”按钮（自复位按钮），枪高速下降，当枪快接近预定位置时，改按“低速下降”按钮，枪低速下降，到预定位置松开按钮，枪停止运行。锁紧膨胀密封圈。下降过程中，当枪到达下极限时，枪自动停止运行。在现场操作台上设有1个BCD码数字显示表，显示顶枪的枪位（距真空室底部的距离），设有“本地/远程”、“高速上升”、“低速上升”、“高速下降”、“低速下降”及位置极限等指示灯。操作完毕，应将现场操作台上的钥匙开关置于“远程”（REMOTE）方式。操作台设有PLC的远程I/O站，使用PROFIBUS-DP网络与主站相连，传输速率是12M/S。使用PROFIBUS-DP协议。（4）远程操作方式（OSM操作站操作）：只有当实际枪位≤停放位（Parking Position）时，可以进行远程操作操作员直接在操作站上输入枪位设定值，在PLC中将实际枪位与设定枪位进行比较，控制顶枪的升降；当枪位差值》100mm时，顶枪高速运行（上升/下降），当枪位差值＜100mm时，顶枪低速运行（上升/下降）；当枪位差值＜10mm时，顶枪停止运行，保证位置控制精度在＋/－10mm。远程操作时操作站通过工业以太网与PLC相连，传输速率是100M/s。使用TCP/IP协议。

3.2 顶枪位置控制

顶枪位置控制是按位置偏差控制的闭环控制，在顶枪自动方式运行下，操作人员根据真空室的温度情况对顶枪要到达的加热位在操作站上进行枪位值的预设定，数据由以太网传送到CP模板，CP模板将数据传送到CPU的存储区，STEP7软件编制的应用程序执行相应的控制程序，通过编码器反馈的值进行顶枪枪位的偏差控制。顶枪的枪位通过绝对编码器进行测量，编码器产生的脉冲信号由FM451计数模板读入，CPU通过功能块将FM451计数模板的信号读出到程序中，将计数值转换成对应的高度值，与预设的高度值相减得到偏差值，根据偏差值来控制顶枪的快慢速及停止。在程序中使用数值运算、比较运算就可得到控制信号，由信号模板输出到变频器去控制电机，从而实现对顶枪的升降控制。顶枪在下极限对枪位进行初始校正。顶枪的行程为0～6米；OMS和现场现场操作台上显示的枪位是：顶枪枪头距离真空室底部的距离。100mm以上是快速，10～100mm之间是慢速，10mm以下PLC发出停止指令。软件程序控制设计框图如下。

图2 软件程序控制设计框图

3.3 燃烧加热控制

燃烧加热控制是顶枪在非处理期间在大气加热下对真空室进行加热或除瘤化渣。对真空室进行保温，以及除去真空室的残渣。加热启动时，当顶枪到达预定加热高度时，PLC控制燃烧控制单元打开切断阀，燃气燃烧，PLC控制调节阀调节流量，达到给定流量。火焰检测器检测顶枪火焰的燃烧情况，不满足燃烧强度则自动提枪。给定流量在操作站设定。

图3 信号传递结构简图

顶枪中通过的气体有N2、O2和CO。燃烧加热控制是控制CO和O2的比例和流量，流量调节是个简单闭环控制系统，控制采用PID算法控制，数学模型如下：

e＝PV－SV （1）

（2）

PV：流量实际值；SP：流量设定值；e：流量差；OUT：控制器输出；δ：比例度；Ti积分时间；Td：微分时间。

在程序中，直接调用PID功能块就能很好的实现数据运算。这里使用的是FB41连续控制PID功能块，能非常方便的对其进行参数组态。在适当调整δ，Ti，Td三个参数值后，就能获得较好的控制质量。加热时由流量计检测流量，控制器得出调节阀的开度值输出控制调节阀的开度，来控制燃气流量达到预定值。也可用手动方式控制调节阀的开度，来调节流量，此时是个开环控制。处理开始时和结束后，需要用N2对顶枪进行吹扫，清扫管道中的煤气，气体通断由PLC通过电磁阀进行控制。处理完毕，要对CO、O2管道进行压力测试，分别由电接点压力表和切断阀来完成，保证气体管道无泄漏。

图4 软件程序设计框图

3.4 顶枪冷却控制

顶枪用MCW进行冷却，冷却水进出口流量用电磁流量计测量。远程手动打开进水阀，当进水流量＞98t/h或进出水流量差＞900L/h自动关闭进水阀。

3.5 膨胀密封圈控制

顶枪升降时，膨胀密封圈应松开，顶枪停止时，膨胀密封圈应充气密封，防止真空室内高温烧坏密封圈。膨胀密封圈松开时，同时对枪孔用N2吹扫，防止密封圈被烧。

4、结 语

过去在工厂的实际运用中，有些地方发生了烧坏模板的事故，导致了生产中断的事件。本文作者创新点：系统有较强的数据处理实现数据报表的自动生成、数据库的访问等多种功能。顶枪系统的可编程控制器控制以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通讯技术，具有可靠性、易操作性、灵活性、机电一体化和较强的适应恶劣环境的特点。目前实际运用当中PLC系统的供电系统非常可靠，人机界面友好，易操作，使用维护方便。PLC满足了顶枪各项控制功能的需要，体现了其强大和可靠的控制功能，在攀钢获得广泛的应用，为企业每年节约成本近百万元。

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