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公司名稱：福州鴻飛達自動化科技有限公司
主營品牌：Allen-Bradley、ABB、SIEMENS、Fanuc、Rexroth、Schneider、SEW、Honeywell、YASKAWA
主營產(chǎn)品：DCS系統(tǒng)卡件、各類進口機器人備件、伺服控制器、電源模塊等
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施耐德電氣Quantum PLC在煉鐵生產(chǎn)中的應用
1 引言
450m3高爐工程主要包括高爐本體、3座內(nèi)燃式熱風爐、8箱體干法除塵三部分。利用系數(shù)3.0，年產(chǎn)生鐵48萬噸。從綜合性價比方面考慮，自控系統(tǒng)選用了施耐德公司的quantum plc。
2 工藝控制系統(tǒng)分析
2.1 高爐本體
煉鐵是在高爐內(nèi)進行還原反應過程。燒結礦、雜礦、焦炭從爐頂裝入爐內(nèi)，從鼓風機來的冷風經(jīng)熱風爐后，形成熱風從高爐風口鼓入，隨著焦炭燃燒，產(chǎn)生熱煤氣流由下而上運動，互相接觸，進行熱交換，逐步還原，最后到爐子下部，還原成生鐵，同時形成爐渣。積聚在爐缸的鐵水和爐渣分別由出鐵口和出渣口放出。主要控制內(nèi)容有：
（1）爐頂壓力自動調(diào)節(jié)：保持高爐爐頂壓力的穩(wěn)定是高爐生產(chǎn)操作的一項首要工作。穩(wěn)定爐頂壓力能起到穩(wěn)定煤氣流，促進高爐順行的作用。因此，在操作中要及時調(diào)整頂壓調(diào)節(jié)閥閥位，使其能將頂壓調(diào)穩(wěn)，避免頂壓上下尖峰波動，從而避免爐況波動。450m3高爐的爐頂壓力一般穩(wěn)定在90±5 kpa。
（2）混風溫度自動調(diào)節(jié)：通過自動調(diào)節(jié)混風閥開度將適當配比的冷風摻入熱風管道中，控制送往高爐熱風圍管的熱風溫度在1200±20℃內(nèi)。28個風口將熱風送入高爐內(nèi)。
2.2 熱風爐
熱風爐是燃燒蓄熱的熱交換裝置，分內(nèi)燃式、外燃式和頂燃式3種。熱風爐的燃燒室內(nèi)燃燒一定配比的高爐煤氣和焦爐煤氣，高溫氣體通過格子磚并使之蓄熱，當拱頂溫度達到工藝要求后，熱風爐就轉為送風狀態(tài)，此時冷風經(jīng)格子磚加熱后通過熱風圍管送入高爐。一般情況下3座熱風爐交替進行燃燒和送風作業(yè)。當一座熱風爐送風一段時間，輸出的熱風不能滿足所需溫度時就需換爐而轉為燃燒狀態(tài)，另一座燃燒好的熱風爐開始送風。因此每座熱風爐在運轉過程中都有3種狀態(tài)：燃燒期、送風期和休止期。主要控制內(nèi)容有：
（1）廢氣溫度與煤氣支管流量的串級控制：廢氣溫度與煤氣支管流量組成串級調(diào)節(jié)回路，廢氣溫度調(diào)節(jié)器的輸出作為煤氣支管流量調(diào)節(jié)器的外給定值。
（2）煤氣支管流量與冷風支管流量的比值控制：煤氣支管流量與助燃風支管流量組成配比調(diào)節(jié)回路，以煤氣支管流量作為比值器的輸入，比值器的輸出作為助燃風支管流量調(diào)節(jié)器的外給定值。
（3）熱風爐換爐自動控制：熱風爐有三種工作狀態(tài)：燃燒、送風和休止，三種狀態(tài)按生產(chǎn)要求可相互切換。與燃燒相關的切斷閥門有：煤氣閥、助燃空氣閥、燃燒閥、均壓閥、廢氣閥和煙道閥，與送風相關的切斷閥門有：冷風閥和熱風閥。熱風爐換爐自動控制中各閥要按規(guī)定順序動作，并有聯(lián)鎖。特別要注意的是各燃燒閥未全部關閉時，不能開啟與送風有關的各閥；各送風閥未全部關閉時，不能開啟與燃燒有關的各閥。這是熱風爐安全運行最基本的條件。
2.3 干法除塵
脈沖反吹控制系統(tǒng)共有8個布袋除塵箱，每個箱體10個24vdc脈沖閥，脈沖閥的操作有兩種方式，程序上均可設定 (定壓差操作：脈沖閥按荒、凈煤氣總管差壓值（2.5～4kpa）啟動，稱為定壓差操作；定時操作：按時間操作，定時操作時間可調(diào)，從連續(xù)反吹到數(shù)小時反吹) 。全部操作由plc自動控制完成，每個箱體依次進行，在自動運轉中，除人工選擇的箱體外，其他箱體依次完成自動反吹-過濾操作。主要控制內(nèi)容有：
（1）定差壓氮氣反吹控制
（2）定時間氮氣反吹控制
2.4 高爐上料
本高爐采用大小料鐘爐頂模式，主要設備有均壓閥、放散閥、料流調(diào)節(jié)閥、柱塞閥、a角、b角等?？刹捎脝苇h(huán)、多環(huán)、定點、扇布等多種布料方式，且各種方式可交替采用，操作人員按照設定的布料周期表作業(yè)。料面采用探尺控制，分為點動檢測和連續(xù)檢測方式。探尺的下降和提升由變頻電機控制。當檢測到料線低于某一設定值時，自動提升探尺，爐頂裝料設備動作，向爐內(nèi)裝料，同時槽下和上料開始動作。料灌均壓放散后，接收下一批爐料。槽下系統(tǒng)包括燒結礦、焦炭、雜礦料倉，主要設備有給料器、振動篩、排出閥門、轉換溜槽、膠帶運輸機等。按照裝料制度各設備連鎖動作，將原料送往爐頂。主要控制內(nèi)容有：
（1）高爐裝料程序控制
（2）原料控制
（3）原料的稱量補償
（4）爐頂布料程序控制和爐頂順序控制
（5）料線檢測和探尺控制
（6）爐頂均排壓控制
2.5 對plc的功能要求
系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，適應復雜的工業(yè)現(xiàn)場要求；軟件功能豐富，靈活方便，減少技術人員的二次開發(fā)；系統(tǒng)實時性和響應速度滿足生產(chǎn)要求，通訊速率可達100mb/s；對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的品質有保證；具有完善的在線自診斷功能；系統(tǒng)可維護性強，可操作性強，處理故障簡便快捷；具有很好的開放性和擴展性，有安全保護措施。
3 工藝控制系統(tǒng)設計
3.1 硬件組成（表1）
3.2 軟件組成
WINOOWs2000 professional+sp4、concept v2.5、ifix3.5中文版。
3.3 網(wǎng)絡結構（圖1）
圖1 網(wǎng)絡結構
4 問題解決案例
4.1 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視
與其它生產(chǎn)商的plc設備相比，quantum plc的系統(tǒng)診斷功能十分有用，可以方便用戶遠程對系統(tǒng)健康狀況進行監(jiān)視。在聯(lián)機狀態(tài)下，打開ie瀏覽器，在地址欄輸入plc的ip地址，可以查看plc的硬件信息。采用iec編程，通過riostat,diostat,plcstat等功能塊分別將相應的系統(tǒng)狀態(tài)字導入對應4x寄存器，根據(jù)4x寄存器相應位狀態(tài)即可判斷系統(tǒng)健康狀況。
4.2 plc之間通訊
quantum以太網(wǎng)模板140noe
77100通過以下三種方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換：（1）通訊功能塊：mstr,cread-reg,cwrite-reg指令。（2）b data.(3)、i/o scanner。
本工程采用了（3）i/o scanner的通訊方式，在三套plc之間互傳數(shù)據(jù)。
高爐儀控與高爐上料之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有：角、角、角、布料圈數(shù)、左右探尺、左右均壓閥開關極限、左右放散閥開關極限、上下密封閥開關極限、布料流槽極限、爐頂壓力、透氣性指數(shù)等。
高爐儀控與熱風爐之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有：冷風壓力、熱風壓力、冷風溫度、冷風流量、助燃風壓力、助燃風流量、冷卻水壓力、冷卻水溫度、拱頂溫度、廢氣溫度等（圖2）。
圖2中，192.168.0.13是高爐上料plc的cpu的ip地址，192.168.0.11是熱風爐干法除塵plc的cpu的ip地址，192.168.0.12是高爐儀控plc的cpu的ip地址。
圖2 高爐儀控與熱風爐之間傳輸數(shù)據(jù)
4.3 流量處理
在concept中，對流量的處理非常方便，高度集成化的功能塊大大簡化了用戶的編程。如mflow功能塊用來進行流量處理，totalizer用來對流量進行累積計算。在mflow功能塊中，可以使能溫度、壓力的補償，使能開方功能，設置流量系數(shù)等；在totalizer功能塊中，可以切除小信號、設置累積值的閥值、溢出復位、設置跟蹤等。
4.4 pid功能實現(xiàn)
在concept中，有關pid調(diào)節(jié)的功能塊有pi、pi_b、pi1、pid、pid_p、pid1、pidff、pidp1、pip、ppi等近十種，豐富多樣靈活的功能支持各種復雜的工業(yè)生產(chǎn)應用。本工程中，爐頂壓力調(diào)節(jié)、混風溫度調(diào)節(jié)、煤氣支管流量調(diào)節(jié)、助燃空氣流量調(diào)節(jié)等采用了pidff功能塊。pidff功能塊可以完成正反作用切換，p、i、d的使能與參數(shù)設置，手自動切換，輸出嵌位與偏置、死區(qū)設置、響應速率、狀態(tài)信息檢測等功能（圖3）。
圖3 pid調(diào)節(jié)功能塊
4.5 關于溫度異常顯示問題
在工程建設初期，由于正值嚴冬季節(jié)，室內(nèi)溫度在零度以下，調(diào)試中出現(xiàn)了140ari03010模塊接入點溫度異?，F(xiàn)實問題。原因在于當溫度低于零度時，對應的3x寄存器將數(shù)據(jù)的最高位置為1，其它位不變，而不是以對應正數(shù)的補碼形式表示，因此無論以什么數(shù)據(jù)類型顯示3x寄存器均會出現(xiàn)負數(shù)顯示異常的問題。解決辦法是判斷3x寄存器的最高位是否為1，若為1則將3x寄存器減去32767即可。也可通過i_phys功能模塊轉換后再顯示。
4.6 方便的變量編輯功能
在本工程中，三套plc各類變量合計約1萬點。通過功能強大的excel將變量表編輯后導入到concept中，可以節(jié)省大量時間，重要的是可以實現(xiàn)多人作業(yè)。具體方法如下：
“concept”-“file”-“expo
-rt”-“variables：text delimited”；選中user defined“；”并輸入導出文件名，如gaolu.txt；打開“excel”-“file”-“打開”-選擇類型為“文本文件”，并選擇gaolu.txt；在隨后的界面中分別選中“分隔符號”和“分號”，然后在excel電子表格中輸入concept變量，保存為gaolu.txt文件；執(zhí)行“concept”-“file”-“import”-將gaolu.txt導入。
4.7 concept與ifix的通訊
ifix工控組態(tài)軟件是由美國inbl
-ution公司開發(fā)的基于WINOOWs95&
-nt的大型應用軟件,它集控制技術、人機界面技術、圖形技術、數(shù)據(jù)庫技術、網(wǎng)絡技術于一身,包含動態(tài)顯示、報警、趨勢、控制策略、控制網(wǎng)絡通信等組件,提供一個友好的用戶界面,使用戶在不需要編寫代碼的情況下便可生成自己需要的應用軟件。ifix軟件通過i/o驅動器軟件接口同plc進行數(shù)據(jù)交換。inblution提供多種i/o驅動器，支持通用和特殊的i/o設備。
本工程中，concept與ifix的通訊采用了mbe驅動方式：通過標準以太網(wǎng)卡連接 modicon 以太網(wǎng)通訊模塊。在ifix的i/o驅動中，需要定義與之通訊的plc的ip地址，讀寫的0x,1x,3x,4x區(qū)段。在ifix數(shù)據(jù)庫中，定義每一個tag的取值地址，如熱風溫度te2003a的地址是d2:300001。
高爐生產(chǎn)監(jiān)控畫面如圖4所示。
圖4 高爐生產(chǎn)監(jiān)控畫面
5 結束語
（1）quantum plc帶來的經(jīng)濟效益：穩(wěn)定可靠的自控系統(tǒng)為高爐多出鐵、出好鐵提供了良好的保障，據(jù)此測算年產(chǎn)生經(jīng)濟效益＝450m3(高爐容積)x3.0(利用系數(shù))x300(年正常生產(chǎn)天數(shù))x100(元/噸鐵)x10%(自動化plc所占比例)=405(萬元)。
（2）quantum plc模板的帶電插拔功能為快速地在線處理故障帶來了極大方便，它縮短了故障處理時間，減少了對煉鐵生產(chǎn)的影響。
（3）plc的熱備功能可以保證一套plc停機時另一套無擾動瞬間切換，提高整體系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，而且使用方便，無需編程。
（4）開放的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議為接入erp系統(tǒng)的過程管理層提供了便利條件。
（5）quantum plc優(yōu)異的性能、方便的模板接線、功能豐富的指示燈、在線故障診斷功能等特性明顯地減少了自控人員的維護工作量，深受技術人員的好評。
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