礦渣微粉系統(tǒng)的DCS控制開發(fā)與應用

朱建峰

（中信重工工程技術(shù)有限責任公司 河南洛陽 471000）

礦渣粉磨系統(tǒng)用于粉磨鋼鐵廠高爐產(chǎn)生的礦渣，將礦渣粉磨至合格細度摻入普通水泥中制造成礦渣水泥。經(jīng)適當調(diào)整參數(shù)也可用于粉磨水泥熟料。礦渣粉磨生產(chǎn)微粉是集烘干、粉磨、選粉為一體，具有效率高、電耗低的顯著優(yōu)點。在國家提倡循環(huán)經(jīng)濟，提倡資源高效利用和循環(huán)利用為核心的經(jīng)濟增長模式下，礦渣粉磨系統(tǒng)市場前景廣闊。

1 礦渣微粉工藝對控制的要求

根據(jù)江陰興澄特鋼礦100萬t/年渣微粉生產(chǎn)線的工藝設(shè)計思路和現(xiàn)場實際情況，全廠總工藝系統(tǒng)可分為以下幾個子系統(tǒng)：

①礦渣輸送；②礦渣粉磨系統(tǒng)；③熱風系統(tǒng)；④礦渣微粉儲存與發(fā)運；⑤燃煤儲存。

圖1 江陰興澄特鋼礦渣微粉工藝流程圖

結(jié)合工藝中各個設(shè)備的實際情況，有效整合各個子系統(tǒng)，控制各設(shè)備及子系統(tǒng)實現(xiàn)工藝控制要求如下：

（1）礦渣輸送中要求能根據(jù)工況改變定量喂料機的給料量，并能看到實際的瞬時給料量和累積給料量。能按工藝的逆料流順序啟動，按順料流方向順序停機，并在立磨故障或者膠帶輸送機故障時，能立即停止前面的設(shè)備，停止供料。

（2）返料部分要求準確計量返料量，并顯示瞬時計量值和累積值，可精確設(shè)定返料入磨量，并顯示實際入磨瞬時量和累積量。返料倉滿時要報警。

（3）粉磨系統(tǒng)主要控制好選粉機、減速器和主棍輔輥。選粉機要求能改變轉(zhuǎn)速，可以根據(jù)實際情況調(diào)整轉(zhuǎn)速滿足工況要求，做好軸承的溫度保護。主減速器磨盤的頂起壓力保護，保證潤滑正常，時刻監(jiān)測滑動瓦的溫度和減速器振動，以保護減速機正常穩(wěn)定的運行。主輥和輔輥要能根據(jù)操作要求升降，并能在研磨時加壓到80MPa左右。

（4）微粉輸送系統(tǒng)要求能收集成品粉塵，根據(jù)要求長距離運輸粉塵至碼頭粉灰?guī)?。利用主排風機提供整個系統(tǒng)的負壓，起到收集粉塵的目的。利用管帶機長距離輸送粉塵，做好管道機及空氣斜槽風機的保護，防止堵料。

2 DCS系統(tǒng)配置

2.1 硬件配置

礦渣粉磨系統(tǒng)控制DCS控制器的選擇要結(jié)合工藝控制要求及各種DCS的最大I/O容量、最大存儲容量、通訊及網(wǎng)絡(luò)能力、運行速度、數(shù)據(jù)運算傳送功能等決定。最大的保證系統(tǒng)的可靠性和安全性，優(yōu)化系統(tǒng)配置，降低投資成本。江陰興澄特鋼礦渣微粉系統(tǒng)的電氣控制點數(shù)除去立磨設(shè)備控制系統(tǒng)外大約有七八百個點左右，I/O點數(shù)比較少，再者工廠生產(chǎn)幾年后的技改對點數(shù)的增加的要求比較小，因工藝系統(tǒng)的本身特性決定了若再擴建一套控制系統(tǒng)需要，所以對控制器的運算速度和存儲容量的要求不大，考慮到與系統(tǒng)中各個單機的通訊問題和操作工及維修工對硬件的熟悉程度，最終采用西門子的大型S7-400 PLC做為DCS的控制器。為降低投資成本，采用S7-300 PLC的數(shù)字量及模擬量模塊采集信號。

2.2 軟件配置

軟件設(shè)計的首要目標是對硬件進行管理，充分發(fā)揮現(xiàn)有硬件平臺，通過慎密的程序安排，最大限度的滿足被控對象的控制要求；并為用戶提供一個操作簡單、界面友好的人際界面，實現(xiàn)在控制室對設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)控。因硬件選用西門子系統(tǒng)，本礦渣微粉下位選用STEP7 V5.4做為編程軟件，上位選用西門子WINCC V7.0作為監(jiān)控軟件，采用這兩個軟件的最新版本。

2.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

通信網(wǎng)絡(luò)是DCS的關(guān)鍵和支柱，通信網(wǎng)絡(luò)的好壞直接決定了DCS系統(tǒng)的性能高低。結(jié)合礦渣微粉全廠工藝，采用工業(yè)以太網(wǎng)作為控制器及遠程子站之間及與上位機通訊的主體，充分發(fā)揮了工業(yè)以太網(wǎng)的高兼容性與高速性。過程級的通訊采用Profibus-DP總線作為通訊主體，實現(xiàn)和遠程I/O站和第三方設(shè)備PLC的通訊采集現(xiàn)場開關(guān)量和模擬量數(shù)據(jù)，通過此種通訊采集變頻器控制數(shù)據(jù)，時刻了解變頻器運行狀態(tài)并控制變頻器的啟停及速度。

整個項目的通訊結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2

3 軟件編寫及調(diào)試

軟件的設(shè)計主要滿足工藝需要，完成既定工藝流程，保護設(shè)備的正常運行。在本礦渣微粉控制系統(tǒng)采用LAD梯形圖進行編程，但在工藝中每個設(shè)備都有自己的控制數(shù)據(jù)和控制條件，造成每臺設(shè)備的控制程序都不一樣，一旦有一個條錯誤就有可能造成程序的錯亂，且不同的程序編制人員，編制出的程序也不同，程序的易讀性和通用性比較差，遠遠不能滿足礦渣微粉等工程項目激增的需要。

所以本系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計，編制通用的電機功能模塊和典型的特定功能模塊。積木式的模塊式的組件程序，大大節(jié)省了編程的工作量，并且方便了調(diào)試，使整個程序思路更加清晰，更加易懂，有利于調(diào)試和后期維護。

以電動閥為例，編制標準程序：

數(shù)字量輸入點有：控制電源（或者備妥K）、開反饋、關(guān)反饋、開限位、關(guān)限位、故障、外部條件、聯(lián)鎖開、開/關(guān)延時、現(xiàn)場控制、遠控、中控開、中控關(guān)、中控停止、現(xiàn)場開、現(xiàn)場關(guān)、現(xiàn)場停止、復位；

數(shù)字量輸出點有：開驅(qū)動、關(guān)驅(qū)動、條件滿足、故障狀態(tài)；

內(nèi)部變量有：開電動閥、關(guān)電動閥、綜合故障、遠控信號丟失、運行信號丟失、故障跳閘、外部故障、外部條件故障等；

圖3 電液動閥上位畫面

在本礦渣微粉工程中還要根據(jù)電機和設(shè)備的使用情況編制多種自定義功能塊，以滿足總的程序編制的需要，主要有以下幾種：

（1）普通電機啟動功能塊：用于普通電機，單方向運行和單機設(shè)備的控制。

（2）正反轉(zhuǎn)電機：用于帶正反轉(zhuǎn)限位的電液動閥的電動執(zhí)行機構(gòu)電機的控制。

（3）正反轉(zhuǎn)電機：用于只需要簡單的正反轉(zhuǎn)，不帶正反轉(zhuǎn)限位的電機和設(shè)備的控制。

（4）模擬量處理塊：用于對模擬量模塊接收到的4～20MA的電流信號進行工程量處理，轉(zhuǎn)化為設(shè)備的所需的相對應工程單位的數(shù)據(jù)，如電機電流或電壓、風機轉(zhuǎn)速或振動、管道壓力、風門開度等工程量。

（5）定量給料機專用塊：用于對定量給料機送給中控室的每噸脈沖信號進行累加，顯示和記錄生產(chǎn)噸位，可手動清零也可自動清零。

（6）組起組停塊：可以實現(xiàn)在同一生產(chǎn)線的設(shè)備按系統(tǒng)工藝要求進行順序啟停，并具有延時功能，在前一個設(shè)備啟動后，根據(jù)設(shè)定的延時時間啟動下一個設(shè)備。此功能塊可以用于各種循序啟停的應用。

在整個下位機程序的編制過程中，主要用到了以上的幾個功能塊，大大方便了程序的編制，編程時根據(jù)工藝要求按功能分成各個子程序進行編寫，在OB1中分別調(diào)用各個子程序即可，增大了程序的可閱讀性，可移植性。

借助于模塊化的設(shè)計方法，根據(jù)下位機編程的結(jié)構(gòu)塊，編輯與之相對應的各種電機和輸入輸出模擬量數(shù)字顯示畫面匯聚成工藝控制畫面如圖4所示。

圖4

4 總結(jié)

為江陰興澄特鋼礦渣微粉系統(tǒng)設(shè)計的以西門子S7-400CPU做控制器，以西門子分布式遠程I/O為輸入輸出，以Profibus-DP總線和工業(yè)以太網(wǎng)為主體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的DCS集散控制系統(tǒng)，已經(jīng)安全、可靠、穩(wěn)定的運行了多年，效果良好；突出了此套控制系統(tǒng)可靠性強，故障少，維護方便的特點，有較高的技術(shù)含量和較好的效率，適用于中信重工眾多礦渣微粉工程的應用，對其它類似工程具有一定的參考價值。