基于西門子PLC技術(shù)的冶金工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)分析

劉俊

方大特鋼科技股份有限公司，江西南昌，330012

0 引言

西門子PLC是產(chǎn)自德國(guó)的可編程控制系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用在化工生產(chǎn)、冶金生產(chǎn)以及印刷生產(chǎn)領(lǐng)域。由于西門子PLC的運(yùn)行速度快、體積小，可靠性較強(qiáng)，所以，PLC的應(yīng)用能夠有效提高冶金生產(chǎn)自動(dòng)化水平，生產(chǎn)效率也隨之提高，生產(chǎn)質(zhì)量得到保證。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，冶金工業(yè)生產(chǎn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)的加持下發(fā)展迅速，西門子PLC的應(yīng)用能夠?qū)⒈O(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)加以整合，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)冶金生產(chǎn)重要流程的監(jiān)控。

1 西門子PLC技術(shù)相關(guān)介紹

1.1 西門子PLC工作原理

通常而言，應(yīng)用西門子PLC進(jìn)行冶金自動(dòng)化生產(chǎn)管理，PLC技術(shù)的應(yīng)用流程可以劃分為三個(gè)階段，來(lái)完成生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化控制。第一階段為輸入采樣；第二階段為用戶執(zhí)行程序；第三階段為輸出刷新。以上三個(gè)階段組成掃描周期，應(yīng)用PLC技術(shù)依托計(jì)算機(jī)CPU輸入以上程序。輸入采樣環(huán)節(jié)，可以利用PLC技術(shù)，通過(guò)掃描方式，讀取工作模塊、相關(guān)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)于I/O映像區(qū)單元。采樣階段完成以后，進(jìn)入到用戶程序的執(zhí)行、輸出刷新等階段。后兩階段的運(yùn)行，即便是采樣階段存在數(shù)據(jù)狀態(tài)方面的變化，也不會(huì)對(duì)相同時(shí)間數(shù)據(jù)處理、控制結(jié)果造成影響。一旦用戶執(zhí)行程序，需要重點(diǎn)對(duì)程序內(nèi)部特殊指令進(jìn)行管理。輸出刷新環(huán)節(jié)，是在用戶掃描信息以后，此時(shí)PLC就會(huì)重新進(jìn)入刷新環(huán)節(jié)，CPU也會(huì)結(jié)合I/O映像區(qū)中的數(shù)據(jù)，將鎖存電路輸出，通過(guò)電路驅(qū)動(dòng)，外部設(shè)置連接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的控制[1]。

1.2 PLC技術(shù)應(yīng)用機(jī)型選擇

因?yàn)槲鏖T子PLC應(yīng)用過(guò)程的控制性能各不相同，控制機(jī)型也各有不同，分為低檔、中檔、高檔三種。利用低檔類型控制器，其僅具備初級(jí)運(yùn)算和控制等功能，可以滿足冶金生產(chǎn)自控系統(tǒng)效率方面的要求，但是能夠加載模塊的數(shù)量相對(duì)較少，常見的有S7-200型號(hào)。中檔機(jī)的編程控制器，無(wú)論是運(yùn)算能力還是控制能力都有一定程度提升，既可以完成簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)計(jì)算，又能完成復(fù)雜類型三角函數(shù)、PID以及指數(shù)運(yùn)算，工作效率較高，可搭載模塊種類、數(shù)量均相對(duì)較多，常見的有S7-300型號(hào)。高檔機(jī)的運(yùn)算能力、數(shù)據(jù)處理能力都相對(duì)較強(qiáng)，可以完成邏輯運(yùn)算、指數(shù)運(yùn)算、三角函數(shù)運(yùn)算以及PID運(yùn)算，還能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜矩陣方面的運(yùn)算。由于其運(yùn)行速度相對(duì)較快，能夠容納或者搭載模塊種類較多，因此，能夠應(yīng)用于大規(guī)模冶金生產(chǎn)流程的控制。高檔PLC設(shè)備可以充當(dāng)主站架構(gòu)，輔助網(wǎng)絡(luò)連接。S7-400就是典型的高檔機(jī)型。PLC技術(shù)應(yīng)用階段，組合形式有多種，有疊裝式，也有整體式和組合式結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)PLC技術(shù)的匹配，滿足從簡(jiǎn)單到復(fù)雜控制流程方面的需求。按照控制模塊使用需求，對(duì)于PLC機(jī)型進(jìn)行選擇。選擇過(guò)程，還需要考慮任務(wù)數(shù)量，模塊的設(shè)定應(yīng)該通過(guò)AI/AO、DI/DO點(diǎn)數(shù)綜合確定。按照點(diǎn)數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)，完成PLC技術(shù)組裝、設(shè)定管理任務(wù)，達(dá)到生產(chǎn)環(huán)節(jié)控制需求。通常來(lái)講，控制點(diǎn)數(shù)收集數(shù)量不足100個(gè)，可以選擇低檔的PLC設(shè)備；控制點(diǎn)數(shù)不足1000個(gè)，可以選擇中檔PLC設(shè)備；控制點(diǎn)數(shù)超過(guò)1000個(gè)，則需要選擇高檔PLC設(shè)備[2]。

1.3 PLC技術(shù)應(yīng)用保養(yǎng)方法

在應(yīng)用西門子PLC技術(shù)階段，對(duì)于設(shè)備長(zhǎng)期保養(yǎng)是延長(zhǎng)其使用時(shí)間的重要措施。相關(guān)人員需要定期對(duì)設(shè)備采取調(diào)整和測(cè)試管理，每個(gè)季度檢查一次，重點(diǎn)對(duì)于PLC柜內(nèi)部端子的連接情況進(jìn)行全面檢查，如果發(fā)現(xiàn)存在松動(dòng)的情形，應(yīng)該重新對(duì)其進(jìn)行固定和連接。PLC柜內(nèi)部電源的電壓狀態(tài)也需要每月測(cè)量。季度清掃應(yīng)該將PLC電源切斷，拆卸輸入和輸出設(shè)備以及CPU主板，經(jīng)過(guò)仔細(xì)吹灰和清掃，重新安裝恢復(fù)原位。針對(duì)PLC箱體內(nèi)部的清理，每三個(gè)月進(jìn)行一次，將電源架位置過(guò)濾網(wǎng)更換。檢修以前準(zhǔn)備保護(hù)裝置、防靜電裝置，及時(shí)與調(diào)度人員進(jìn)行溝通，保證檢測(cè)環(huán)節(jié)安全。使用數(shù)字電表測(cè)量電壓，拆裝RAM模塊需要將PC端電源切斷，如果CPU版QVZ燈亮起，即可拆卸I/O板，預(yù)防拆卸過(guò)程的靜電。

2 西門子PLC技術(shù)在冶金工業(yè)自動(dòng)化控制的應(yīng)用方向

2.1 應(yīng)用于物料跟蹤

冶金工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，原料投入的比例控制對(duì)于成品結(jié)構(gòu)、成分組成都會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響。應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)對(duì)于生產(chǎn)物料進(jìn)行跟蹤，能夠?qū)υ吓浔染?xì)化控制。冶金生產(chǎn)反應(yīng)階段可能由于設(shè)備故障和原料質(zhì)量方面問(wèn)題導(dǎo)致反應(yīng)過(guò)程不充分。此時(shí)，需要針對(duì)物料參與反應(yīng)的流程進(jìn)行追蹤，明確原料的固、液、氣等狀態(tài)變化及分布情況。物料追蹤系統(tǒng)通常是由檢測(cè)儀表、記錄裝置等組成。如果要對(duì)鋼坯進(jìn)行追蹤，還需要在軋制線上安裝紅外檢測(cè)器，此裝置為西門子PLC。反應(yīng)加工階段，檢測(cè)裝置能夠發(fā)射紅外線，對(duì)于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)軋件進(jìn)行掃描，此時(shí)，檢測(cè)器信號(hào)能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)方式讀取并傳輸，有兩種結(jié)果，分別為0、1，其中“0”表示“無(wú)物料”，“1”代表“有物料”，以上信號(hào)都能直接傳輸至計(jì)算機(jī)段，由西門子PLC負(fù)責(zé)對(duì)所有控制參數(shù)進(jìn)行記錄，跟蹤所有軋件編號(hào)。

2.2 應(yīng)用于設(shè)備監(jiān)測(cè)

使用西門子PLC對(duì)于冶金生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由接觸器、電氣電路、按鈕開關(guān)、輸入和輸出模塊，還有拓展設(shè)備。使用傳感器、開關(guān)按鈕、電磁閥共同組成監(jiān)控電路，利用系統(tǒng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。可以監(jiān)測(cè)設(shè)備溫度、流量。比如：冶金生產(chǎn)階段，熱爐內(nèi)部的風(fēng)量、溫度存在不可控性，控制系統(tǒng)包括控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用西門子PLC可以直接控制設(shè)備開關(guān)，使用PLC編寫程序，控制開關(guān)量，按照程序確認(rèn)設(shè)備運(yùn)行先后順序，同時(shí)，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)和運(yùn)行時(shí)間也高度可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)順序控制[3]。

2.3 應(yīng)用于參數(shù)控制

冶金生產(chǎn)階段，工藝參數(shù)的控制和監(jiān)測(cè)也可通過(guò)西門子PLC技術(shù)完成。通常而言，壓力參數(shù)、濕度參數(shù)都是監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。如若參數(shù)偏離正常值，就會(huì)對(duì)冶金產(chǎn)品品質(zhì)造成影響，甚至發(fā)生嚴(yán)重事故。產(chǎn)品性能、數(shù)量和尺寸既可以使用物理手段進(jìn)行控制，又可以使用機(jī)械或者電氣手段控制，PLC的應(yīng)用就是電氣控制手段，通過(guò)預(yù)先計(jì)算，將工藝參數(shù)模擬出來(lái)，應(yīng)對(duì)正常狀態(tài)浮動(dòng)范圍加以明確，利用計(jì)算機(jī)傳遞設(shè)備狀態(tài)，程序就能自動(dòng)化運(yùn)行。如果工藝參數(shù)處于特定范圍之內(nèi)，則工藝能夠正常運(yùn)行，相反，如果工藝參數(shù)超出正常范圍，電路即可自動(dòng)關(guān)閉，停止工藝流程。

2.4 應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制

通過(guò)西門子PLC的運(yùn)用，能夠以自動(dòng)化方式對(duì)于生產(chǎn)操作進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，包括分布控制、集中控制兩種情況，由于以上控制方式流程不同，分布控制是每個(gè)程序只負(fù)責(zé)對(duì)相同設(shè)備編程，集中控制是通過(guò)PLC控制特定操作流程。要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制目標(biāo)，在西門子PLC的使用之下，技術(shù)模塊相對(duì)于不同類型電氣元件都有不同類型屏蔽系統(tǒng)，所以需要保證元件質(zhì)量、電磁輻射屏蔽能力達(dá)到要求。所有具備屏蔽功能的程序模塊可向控制中心傳輸信息，工作人員對(duì)于操作狀態(tài)隨時(shí)觀察。因?yàn)橐苯鹕a(chǎn)流程必然會(huì)產(chǎn)生工業(yè)廢渣，廢渣內(nèi)部含有重金屬，可能對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞。所以，實(shí)時(shí)操作的控制還需要關(guān)注生產(chǎn)以后處理廢料問(wèn)題，控制冶金工業(yè)對(duì)于環(huán)境造成的負(fù)面影響。

3 西門子PLC技術(shù)在冶金工業(yè)自動(dòng)化控制的應(yīng)用實(shí)例

冶金生產(chǎn)，配料環(huán)節(jié)涉及諸多原料配比，如果利用人工操作對(duì)配比進(jìn)行計(jì)算，能夠達(dá)到單一設(shè)備生產(chǎn)需求。但是，如果生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化，物料和數(shù)量需要更改，還需要重新稱量計(jì)算，過(guò)程消耗人力成本較高。選擇西門子PLC（S7-400型），可以利用變頻調(diào)速方式打造配料系統(tǒng)，通過(guò)人機(jī)對(duì)話，完成物料輸送、配方設(shè)計(jì)以及物料輸送，兼具生產(chǎn)管理功能。冶金配料環(huán)節(jié)，通過(guò)PLC系統(tǒng)管理物料，提前設(shè)定物料配比，利用電子皮帶秤對(duì)皮帶輸送機(jī)所輸送物料進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)稱重、輸送環(huán)節(jié)的全程控制。同時(shí)，PLC還能檢測(cè)系統(tǒng)存在的故障，具備報(bào)警功能，將變頻器信號(hào)輸出，對(duì)于下料系統(tǒng)運(yùn)行速度和皮帶速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。以下對(duì)于西門子PLC在配料系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用流程進(jìn)行分析[4]。

3.1 系統(tǒng)原理

配料系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程原理為，對(duì)于下料采取閉環(huán)控制，通過(guò)電子皮帶秤完成物料計(jì)量，通過(guò)PLC獲取稱重信號(hào)、變頻器信號(hào)，處理之后變?yōu)樗矔r(shí)的物料量，物料信號(hào)利用以太網(wǎng)向工業(yè)上位機(jī)傳輸，同時(shí)，PLC還能通過(guò)程序計(jì)算得出下料量理論值，利用AO模塊轉(zhuǎn)換，變?yōu)殡娏餍盘?hào)，向下料變頻器當(dāng)中傳輸，之后通過(guò)變頻調(diào)節(jié)器的震動(dòng)，輔助給料機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。如果流量增加，給料機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)降低；反之轉(zhuǎn)速升高，讓物料流量、階段累積量處于合理范圍之內(nèi)，保證生產(chǎn)質(zhì)量。

3.2 組成結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)組成部分有PLC控制器，上位工控機(jī)、變頻器和稱量?jī)x表。進(jìn)料部分主要是指料倉(cāng)到設(shè)備執(zhí)行器，可以按照物料特征不同，對(duì)于給料設(shè)備進(jìn)行選擇。比如可以選擇電磁振動(dòng)類型給料機(jī)，還可選擇螺旋給料機(jī)。系統(tǒng)的稱重部分是由稱重顯示器、傳感器與接線盒共同組成，檢測(cè)稱量物料存在的誤差。卸料可以選擇稱重或者卸料設(shè)備，組成部分包括給料機(jī)、空閥與電動(dòng)閥，能夠按照現(xiàn)場(chǎng)工藝條件對(duì)于材料進(jìn)行選擇。配料系統(tǒng)由PLC控制器、稱重儀表以及上位機(jī)組成。利用校正系統(tǒng)對(duì)于計(jì)量系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行定期調(diào)整，提高計(jì)量準(zhǔn)確性。

3.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

配料系統(tǒng)通信處理用以太網(wǎng)完成，將處理模塊和工業(yè)以太網(wǎng)連接，冶金配料管理系統(tǒng)的總線配備工業(yè)級(jí)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，建立以太網(wǎng)環(huán)狀架構(gòu)，環(huán)網(wǎng)通信速度能夠達(dá)到100Mbit/s。在系統(tǒng)終端配置西門子以太網(wǎng)交換機(jī)，可以連接操作站和工程師站，由操作人員對(duì)于歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，還可記錄物料比更改、事件順序以及報(bào)表信息等。在工程師站還配置西門子通信網(wǎng)卡，輔助控制站的現(xiàn)場(chǎng)通信。

3.4 程序監(jiān)控

冶金系統(tǒng)配料管理選擇西門子PLC（S7-400）系統(tǒng)展開全自動(dòng)控制，系統(tǒng)中主要程序選擇LAD語(yǔ)言進(jìn)行編寫，能夠?qū)χ饕鞒踢M(jìn)行同步控制。因?yàn)長(zhǎng)AD語(yǔ)言理解相對(duì)容易，有助于維護(hù)人員對(duì)于控制邏輯的升級(jí)和優(yōu)化。配料系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程存在聯(lián)鎖條件相對(duì)較多，并對(duì)工藝控制的要求相對(duì)較高。系統(tǒng)內(nèi)部選擇安全程序數(shù)量高，確保安全程序、標(biāo)準(zhǔn)程序間能夠相互調(diào)用，便于I/O模塊全面采集冶金工藝流程信息，所有數(shù)據(jù)借助模塊處于安全狀態(tài)之下運(yùn)行[5]。

配料系統(tǒng)配置西門子管理系統(tǒng)，HMI的上位監(jiān)控軟件選擇Wincc，其可與PLC系統(tǒng)之間緊密結(jié)合，組態(tài)過(guò)程高效簡(jiǎn)便。因?yàn)榕淞舷到y(tǒng)中的畫面可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變頻器、電子秤和機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，借助操作畫面遠(yuǎn)程完成設(shè)備全自動(dòng)控制。由于HMI具備報(bào)警程序，通過(guò)報(bào)警信息欄可以實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)中的設(shè)備狀態(tài)，將故障信息顯示出來(lái)，能夠維護(hù)設(shè)備應(yīng)用的可靠性。冶金配料管理系統(tǒng)的應(yīng)用，便于操作人員對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)控，通過(guò)邏輯運(yùn)算和邏輯判斷，讓設(shè)備安裝設(shè)定程序展開操作，保證配料系統(tǒng)的使用安全。

3.5 控制流程

物料系統(tǒng)運(yùn)行階段，加料設(shè)備可以傳送物料，將其送至配料皮帶秤，此時(shí)利用速度和稱重傳感器可以向皮帶秤儀表發(fā)送速度、稱量信號(hào)。皮帶秤的儀表在輸送物料的時(shí)候可以瞬時(shí)顯示流量，還能顯示計(jì)量數(shù)據(jù)，模擬瞬態(tài)電流，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化方式向PLC系統(tǒng)當(dāng)中發(fā)送，系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置單回路程序，可以對(duì)比設(shè)備實(shí)際值和定值，輔助PID調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)器可以按照測(cè)量值、設(shè)定值之間的偏差，借助變頻器對(duì)于皮帶秤驅(qū)動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)整，保證冶金生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)料流量的精度。因?yàn)槭褂谜呖梢詫?duì)下料速度進(jìn)行設(shè)定，能使物料流量達(dá)到恒定狀態(tài)。同時(shí)，因?yàn)橐苯鹋淞瞎芾硐到y(tǒng)當(dāng)中設(shè)置單回路調(diào)節(jié)運(yùn)行模式，所以如果物料下料有瞬時(shí)變化，就會(huì)對(duì)多個(gè)物料配比造成影響，此時(shí)，可利用調(diào)節(jié)器控制，更改下料電機(jī)的變頻器運(yùn)行頻率，改變單個(gè)回路控制參數(shù)，不斷提高系統(tǒng)控制質(zhì)量。針對(duì)冶金生產(chǎn)物料配比管理，可由編程人員提前在上位畫面當(dāng)中設(shè)置配比方案，并從中選擇一種，此時(shí)，系統(tǒng)即可按照設(shè)定程序，對(duì)于物料的下料過(guò)程加以處理。如若生產(chǎn)環(huán)節(jié)有加入特殊物料，操作員還可對(duì)參數(shù)進(jìn)行人為設(shè)定，以達(dá)到冶金生產(chǎn)環(huán)節(jié)工況不同對(duì)物料配比方面的差異化需求[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上分析，西門子PLC的應(yīng)用能夠輔助程序存儲(chǔ)、順序控制以及邏輯運(yùn)算等功能實(shí)現(xiàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)模擬，完成數(shù)據(jù)的輸入輸出，輔助工業(yè)生產(chǎn)。因?yàn)镻LC控制操作相對(duì)簡(jiǎn)單，且安全性高，因此逐漸取代傳統(tǒng)繼電控制裝置，在PLC快速發(fā)展過(guò)程中，還可與信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)融合應(yīng)用，按照用戶需求，打破邏輯控制局限性，并對(duì)生產(chǎn)全程加以控制。冶金企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中可以根據(jù)需求，選擇和應(yīng)用西門子PLC，注意機(jī)型選擇和保養(yǎng)措施，充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)冶金行業(yè)快速發(fā)展。