西门子6ES7331-7PF11-0AB0产品齐全

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1 引言

特殊钢冶炼vd炉抽真空设备在整个生产中处于重要的地位，它直接关系到特殊钢的质量及生产成本等诸多方面。而抽真空控制系统是否稳定运行，直接影响电炉的生产顺行。因此解决抽真空系统的稳定性、防止抽真空时间过长，造成钢水温度低而进行二次升温，影响生产及防止造成漏包事故等方面由为重要。本文就北满特钢2#vd炉为例，对vd炉抽真空设备的电气控制系统的组成及控制原理进行讨论，技术基于西门子simatic s7-300系列plc自动化平台。

2 vd炉原理及工艺概述

vd炉抽真空是将电炉或精炼炉处理完成的高温钢水（约1650℃-1700℃）在密闭的真空罐内通过全蒸汽式抽真空系统或水环泵+蒸汽式抽真空系统进行真空处理，去除钢液中的气体。整个抽真空时间一般控制在20-25分钟结束。水蒸气喷射真空泵是利用于饱和蒸汽或过热蒸汽作为动力，来真空的一种装置。具有一定压强的工作水蒸气通过拉瓦尔喷嘴，于是工作水蒸气减压增速（蒸汽的势能转化成为动能），以音速喷入吸入室，使吸入室产生一个负压区，炉气由吸入口进入吸入室，蒸汽与炉气成为混合气体进入扩压器后减速增压并进入冷凝器内，在冷却水的喷淋冷却作用下，高温状态的水蒸气与冷却水进行热交换，水蒸气被冷却水冷凝成为冷凝水并随冷却水一起由冷凝器底部的下水口流至水封池内，而被抽炉气则由冷凝器上方的出口排至下一级喷射泵或大气中。

3 控制系统设计

3.1 总体设计

vd炉电器控制系统（如图1）主要包括：水环式真空泵控制、各级蒸汽式真空泵控制、给水泵及循环泵及冷却系统控制、真空盖车控制、氩气控制及破空控制等。为了保证整个系统的运行，本系统利用西门子可编程序控制器s7-300实现了对现场数字信号状态，模拟信号并将采集信号通过cp5611卡mpi网络传送给上位机中，上位机在根据需要将控制信号通过cp5611卡mpi网络传输给plc，通过plc完成各个控制对象的输出。同时利用wincc5.2组态软件实现对设备的实时远程监控，包括对现场开关量的实时显示、对模拟量的实时显示、下位机运行参数的实时修改、故障报警、运行参数记录等等。

3.2 硬件配置

本系统采用的cpu为314-1af10-0ab0版本。配64kmcc存储卡，i/o模块配置为64di 32do 16ai2ao。系统压力、流量全部采用川仪公司eja变送器转换为4～20ma标准信号送plc。温度采用铂电阻信号送plc。

主、辅水环式真空泵电机功率90kw；罐盖车行走电机功率11kw；真空罐盖升降电机功率30kw；给水泵三台，每台电机功率37kw；循环泵三台，每台电机功率30kw；冷却风机两台，每台电机功率11kw。

3.3 真空泵步进（自动）控制系统控制原理

控制系统分为手动控制及步进（自动）控制。步进控制受手动控制连锁，随时可在步进状态下转入手动控制模式。下面就步进模式为例对控制系统进行简要的说明。

步进（自动）控制总计七步控制指令，受“步进”按钮信号控制，其中步、二步不受真空度控制，三步受32kpa连锁，四步为8.6kpa，五步为2.5kpa，六步为0.53kpa。当达到67pa时保压。七步为破空自动程序打泵。当外部条件，（通知锅炉房供汽，开平衡蒸汽阀、汽包放散阀、总进水阀，30秒后，开蒸汽总阀、60秒后关汽包放散阀）准备好时，启动冷却水系统和真空泵给水泵。步进控制受三台给水泵中任意两台的组合开启，三台冷却循环泵的任意两台的组合开启；两台冷却风机之一开启联锁控制。当上述信号准备好后“steout_end ”作为步的初始脉冲触发信号使下面的步进得以正常开展。

设置双向脉冲计数器c1作为步进的计数控制，计数复位受 ① 步进按扭控制，②t7在七步结束时被触发，延时1秒后复位c1，同时t7将c8（step7计数器）复位。c1的正向计数脉冲由network1发生。逆向计数为step6—3。步计数由steout_end信号的上升沿触发，计数值=1。此时置步程序中的比较器被，当外部的“步进”指令到达时，s1_sta（s）被置位，同时后一步s7_end（r）被复位。同理，不同的计数值相应的比较器使得下一步的使能被置位而上一步的使能被复位关闭。允许置步外部“步进”指令脉宽处理。步进按钮信号被钳在1秒的脉宽上。同时steout_end信号的到达使步进按钮信号灯以一秒速率闪烁，按下步进按钮时t6使步进指示灯在脉冲展宽期间灯亮。置步计数器c1的当前值将被识别后（置位）其中的n步的“开始”标志锁存（sn_sta）和复位n-1步的“开始”标志和“结束”标志的锁存。

step1分步计数器c2受来自“置步”的置位而被“允许”，秒脉冲使得计数器得以计数。累计数值使得各比较器依次开通，每一分步以一秒节律下行。分步的后一步#s1_end（s）的使c2执行复位，同时位于脉冲发生器的二步连锁接通一旦“步进”指令到达即可发生step2的上升沿脉冲。“自复位/步进完毕”step2分步计数器c3受来自“置步”的置位而被“允许”，秒脉冲使得计数器得以计数。

其分步为启动主水环泵，其输出中还受到外部“禁止启动”信号“m1_esatr”的连锁。主泵启动的分步指令到达1秒后ec泵（启动泵阀）启动，同时15秒后辅泵启动，上述时间由系统的秒脉冲通过c3计数在比较器上设定的计数值来完成输出控制，四分步为结束标志输出，同时将本步的计数器c3复位。step3～6的原理与以上相同。step7作为停泵执行步对正在运行的10个被置位锁存的对象依次执行复位，完成停泵的全过程。11分步是s7_end（s）；在将本步的计数器c8复位的同时的t7，对下述对象执行1秒钟的输出：总步进计数器复位；对“允许置步”的触发器#opt_enable复位。11分步s7_end（s）同时对被“置步”的7步的s1_sta进行复位。

3.4 氩气流量控制

氩气搅拌强度与炉内真空度相配合，因为当钢包炉内真空度提高，即炉气压力下降。氩气的相对压力就高了，其就会增大，对钢液的搅拌强度就要增加。所以，随着真空度的上升，要适当降低氩气的压力。以确保合适的搅拌强度。通过调节氩气压力，流量控制吹氩搅拌强度；氩气控制采用fb41/db41程序块进行连续pid调节，采样周期1sec死区带宽3%。设计氩气流量上限为400nl/min；下限为133nl/min。在自动调节状态，氩气流量将根据罐内的真空度变化情况自动调节阀的开度从而完成脱气过程中的自动供氩。积算以每分钟累加积算，并在ｗincc画面上进行显示。氩气系统监控画面

（1） 氩气流量范围计算（图3）

qmax-qmin=qs=400-133

=267nl/min

真空度范围计算：

pmin-pmax=ps=101-0.067

=100kpa

常数计算：

k1=qs/ps=267/100=2.67

（2） 氩气流量给定值的计算：

sp=pv×k1+qmin

qmin=1/3q=133

pv=真空度当前值

（3）

调控原理：当pv值较大时（低真空度）有较大的sp值（见3.４.2分式）即氩气流量与真空度成反比。到达脱气状态时，氩气流量则被恒定在1/3q的区间。

3.5 其他设备控制

主、辅水环式真空泵采用施耐德公司的软启动控制器控制，两台泵互为备用。罐盖车行走采用日本富士公司变频器控制，真空罐盖升降电机功率30kw，采用直接启动控制。罐盖提升和盖车行走连锁，当罐盖在提升位置，行走才有效。给水泵及循环泵各三台，两投一备分别采用串联自藕变压器降压启动。冷却风机两台电机采用直接启动控制，氩气控制采用电磁流量计控制。

3.6 系统功能设计

（1） 按照生产需要的不同可选择手动控制和步进（自动）控制设备的顺序启动、顺序停止、故障自动停机等。

（2）报表打印功能。可以在每次抽真空结束后将，抽真空时间、保持时间、限真空度、循环水温度压力、氩气压力流量等参数以报表形式打印出来。

（3）报警功能。本系统可以在生产过程中实时监控各种关健设备的运行状况，若设备的运行参数出事先预定的上下限，则在主控的上位机上发出报警信息，提醒操作人员采取相应的措施。

（4） 故障记录功能。本系统可记录在运行过程中出现故障的设备，记录故障时间及简单的信息，方便维护人员维修系统设备。

4 结束语

系统自2005年4月调试投入运行以来，运行状态良好。使用方便，对北满特钢的生产顺行起到了重要作用

1 引言

2008年4月马钢四钢轧总厂开始投建kr（铁水脱硫站）脱硫渣冷却烟气除尘系统，主要用于处理铁水脱硫处理产生的大量含尘烟气，净化作业现场，快速冷却脱硫渣，属于后期工艺技术改进性环保项目。其工艺控制上需要从原1#kr脱硫站、2#kr脱硫站取4台相关的渣罐车位置信号，来控制喷水阀和除尘阀的开闭。如果通过敷设电缆来取位置信号，势必增加投资成本和施工的难度，综合考虑决定采用plc通讯，直接从1#kr、2#krplc主站读取4台渣罐车的位置信号。

2 控制过程

在kr站，铁水加入cao经过脱硫工艺处理后，产生的脱硫渣被耙入渣灌车，载有脱硫红渣的渣罐车从受渣位行走到冷却位，渣罐车上方除尘烟罩上方的除尘阀打开，设定时间到后，喷淋水阀打开，雾状水均匀喷洒至红渣上，产生大量的含尘烟气，经除尘罩、除尘阀、除尘管道、由沉降室处理后排入大气。冷却处理设定时间到后，水阀关闭，延时1分钟后除尘阀关闭，渣灌车行走到吊装位，起吊，渣灌运至渣处理生产线处理，至此渣冷却、除尘处理过程结束。从上可以看出，罐车的位置信号是控制渣冷却、烟气除尘处理的关键。如图1所示。

3 通讯实现的分析

为罐车位置信号，即相关位置限位的开关量。施工时，为了不影响kr生产，要求不改动1#、2#kr原plc硬件组态及程序，西门子s7单边通讯恰好可以达到这一要求。kr的两个plc主站为s7-400站，一级网络为西门子工业以太网，脱硫渣除尘plc采用s7-300，因此，可以采用西门子plc基于工业以太网的s7单边通讯，在建立和kr两个主站的工业以太网通讯后，只需在调用端进行单边通讯组态及编程，调用相关程序功能块，即可实现从kr站读取罐车位置信号。

3.1 s7单边通讯

s7通信协议集成在每一个simatic s7/m7和c7的系统中，属于osi参考模型7层应用层的协议，它立于各个网络，可以应用于多种网络（mpi、profibus、工业以太网）。s7通信通过不断地重复接收数据来保网络报文的正确。在simatic s7中，为了使位于不同通信伙伴方的sfb、fb可以互相通信，s7连接行组态，可以基于mpi、工业以太网和profibus网络来进行组态，通过组态建立s7连接来实现s7通信。

只有单边通信服务可通过单边连接调用，只需要在客户机一侧调用相应的sfb或fb。在通信伙伴的另一方（服务器方），由操作系统处理这些服务。使用单边通信服务时，在服务器一侧有新的数据到来时并不通知其中的用户程序。用户不需要在服务器侧进行编程工作。

在step7中，s7通信需要调用功能块sfb（s7-400）或fb（s7-300），大的通信数据可以达64kb。对于s7-400，可以使用系统功能块sfb来实现s7通信，对于s7-300，可以调用相应的fb功能块进行s7通信，本例只需从kr站读取罐车的位置信号，在300端调用fb14（get），读取两个kr站罐车位置数据区的数据。s7-300中fb14（get）具体管脚参数说明如表1所示。

4 通讯具体实现

4.1 硬件组态

脱硫s7-300plc站中通讯模块采用cp343-1，组态完成后，建立与1#kr、2#krplc站建立物理连接，并在网络组态画面中添加工业以太网连接，本地ip地址设为10.68.1.18。plc组态中，进入netpro组态画面，选中cpu模块，在弹出的对话框中输入通讯伙伴ip地址，和本地id号等正确的参数，1#kr、和2#kr的本地id分别为1、2，在调用fb14时，用于识别具体的通讯伙伴，在s7-连接属性中设置成“one-way”方式，建立和1#kr和2#krplc系统的s7单边伙伴连接，选择网络连接，在状态栏看到的小三角形点亮，说明此时s7单边通讯常，

4.2 通讯编程

在通讯模块fc1中调用fb14（get），建立两个语句行，分别从1#kr、2#kr站中读相关罐车的位置数据，如图3所示。两个kr站中db21.dbx110起始的两个字节中，分别存放着4台渣罐车的位置数据，读出后写入本地数据块db230.dbd2和db230.dbd0中。w#16#1、w#16#2分别对应通讯的两个伙伴1#kr和2#kr。req管脚每个上升沿完成一次读写过程。整个过程非常简单明了，易于实现。

5 结束语

本例充分运用了西门子系列plc的特点，挖掘其潜在的功能，实现300-400plc之间的单边通讯，敷设大量电缆，改动原系统plc硬件组态和软件编程，避免影响生产，同时节约项目投资成本，大大降低施工难度，保证系统运行的性，在类似的工程实践中有一定的借鉴意义。

贵阳市南供电局110kV观水变电站是贵阳市南明区的主要供电站，变电站用配电盘运行的稳定性直接影响到向整个区大部分的生产、生活供电，原用的配电盘系统功能简单、自动化程度不高、控制方式落后，对供电局实现无人值守变电站和配网自动化带来很多不变，也不能时刻保证城区电网供电的电源质量。因此，2005年5月对该配电盘进行了设备改造，改造以西门子公司的S7—200PLC做控制，TP270做监控操作，其它配电设备和监测设备均采用国外厂家产品。

新的配电盘通过电压监测模块监测1、2号变电站站用变压器的供电情况，由PLC控制ATS开关（Automatic Transfer Switch）进行自动投切和互投操作，馈线监测模块将馈线装置的状态、动作及多种电能参数进行监控，确保变电站的各辅助系统稳定运行，所有装置的操作、运行情况和电能参数通过PLC在TP270上得以体现和记录，并通过RS-485或LAN将各种信号传送到供电调度和，以便及时进行供电调度和设备检修。

设备改造中使用了西门子公司的224XP-CPU、TP270人机界面、EM221数字量输入模块、EM222数字量输出模块和CP243-1以太网通讯模块。

应用S7-200PLC升级过后的变电站站用配电盘（智能配电屏），改变了以前电能数据采集麻烦、运行方式单一、现场手动操作等问题，现在除了保留的手动操作方式外，根据运行方式PLC能控制ATS开关任意切换在电源I或II上运行，当运行电源进线失压时，另一电源进线能自投或恢复，同时可进行远程操作，解决了目前ATS产品控制投切不准确，操作方式单一和远程控制的问题。改造以前的配电盘上有着各种电能仪表，现在只需一块多功能仪表就能完成电压、电流、频率、有功功率、无功功率等各种电能参数的监测、采集和数据分析，还有谐波分析、模拟量和报警输出等功能。站用配电屏还能监控每一馈电回路的电流和工作状态，整个配电盘的任何一个动作、操作和故障报警都及时显示并储存在TP270上，通过MODBUS总线可以把这些数据传到附近的控制，也可以通过以太网将数据传到数公里之外的调度，以便于进行好的运行维护和管理。

在设计过程中大的问题就是如何将智能仪表的数据通过S7-200PLC读到TP270上。本系统中的智能仪表用的是MODBUS_RUT协议，只能做从站使用，也就是说S7-200PLC做主站去读取仪表的数据，在现行的资料中只有S7--200PLC做MODBUS从站的资料，要S7-200PLC做主站就只有自己编写用自由口做MODBUS主站的程序，由于仪表提供的数据较多且数据地址分散，再加上要求每秒刷新一次，还要做数据的CRC校验，编写这样的通讯程序是有一定难度的，如果逐一地址的编写程序，那么程序就会过长，会影响总循环时间，不但做不到1秒钟刷新一次，可能还会引起端口发送、接收冲突和CRC校验出错，经过反复的研究实验，后在程序中采用了用计数器来轮询地址的方法，从而减少了程序量和总循环时间。部分程序如下：（OB1主要功能为初始化端口为自由口，初始化发送和接收的数据格式，设定轮询时间，轮询和中断连接；SBR5和SBR6做发送和接收数据的CRC校验，CRC检验主要通过字节异或循环，移位循环和公式异或做发送数据的CRC校验；中断1为接收数据；中断2对接收CRC校验结果验证）