拉萨西门子授权代理商电源供应商

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1  引言
基于现场总线的PLC控制系统以其结构紧凑、功能简单、性高和价格低廉等优点，获得了广泛应用。近年来，随着计算机信息网络技术的飞速发展，以PLC为的工业控制系统也向大规模、网络化发展。它已成为与DCS并驾齐驱的主流工业控制系统。
山铝水泥厂是山东铝业公司的下属分公司，有着50余年的历史。而今由于生产工艺相对落后，导致生产成本偏高。因此，公司于2003年建立了新型干法烧制水泥的生产线，原有的几条老线面临着改造。本文介绍的3#旋窑改造后应同时具备生产氧化铝熟料、水泥熟料的两条工艺流程。

2  系统要求
3#旋窑监控系统要将整条生产线的近70多处压力、温度、流量、料位等模拟量，再加上所有电机、变频器、执行机构、软启动器的开关量和模拟量等测控点在生产调度中全集中监控,并将监控结果传送到控制室的计算机中;同时要求控制室内安装工业大屏幕一块，负责读取显示3#旋窑的一些重要工艺参数。
要求所有电气设备实现中控/本地两地控制;要求各控制站间采取分布式I/O方式进行设计，减少系统的线缆敷设，减少系统故障的发生，易于检修和维护。

3  系统设计
3.1  方案论证
我们着重研究了目前工业控制比较流行的PLC控制系统、集散控制系统DCS、现场总线控制系统FCS三大控制系统。
由于属于老设备改造，一些原有的现场仪器仪表不具备现场总线接口，即使具备也难以达成统一的通讯协议标准，如全部新，投资太多，所以论证初期就放弃了现场总线控制系统FCS。
PLC与DCS的基本结构是一样的。PLC发展到今天，已经移植到计算机系统控制上了，传统的编程器早就被淘汰，大型PLC与DCS的界线已经逐步淡化。经过比较二者的优缺点，从实现的可能性、性价比、维护的方便程度(本厂有PLC维护人员)等多方面考察，后决定选择SIEMENS(西门子)的S7-300及S7-200系列产品组成PLC控制系统。
3.2  系统结构
3#旋窑监控系统包括:煤磨系统、篦冷机系统、回转窑系统、电收尘系统及电收尘降温系统(电收尘降温系统为工程后续添加部分)。
根据采取分布式I/O方式进行设计的思想，并充分考察了现场环境，后决定现场站采用两台SIEMENS的S7-300 CPU314-2DP作为主站，分别命名为窑前控制站和窑尾控制站。窑前控制站和窑尾控制站，分别配置SIEMENS标准以太网模块CP343-1, 利用工业以太网，采用标准TCP/IP协议与控制管理层操作员站及工程师站进行通讯，通讯速率可达100M。同时，采用PROFIBUS DP通讯标准与现场I/O站ET200M进行通讯，波特率可达12M。系统还配置了两台SIEMENS的S7-200 CPU226作为从站。其中一台CPU226通过以太网模块CP243-1连接到网络中，负责从管理计算机读取现场重要工艺参数并传送到工业大屏幕，以方便操作人员直观读取重要工艺参数(刷新速率小于1秒);另一台CPU226为工程后续添加部分, 作为电收尘降温系统从站，通过通讯模块EM277，采用PROFIBUS DP通讯标准与窑尾控制站通讯。

3.5  系统调试
在实验室完成所有软硬件组态后，利用信号发生器等工具实现部分功能调试，经过多次修改，后去现场调试。调试中也遇到了一些问题，主要有CPU226如何读取上位机中WinCC的组态数据及现场调试时部分数据有干扰。通过西门子公司的技术支持解决了个问题;在现场通过加信号隔离放大器和做标准接地等方法解决了干扰问题。

4  系统评估
4.1  硬件评估
SIMATIC H1网是德国西门子公司开发的一种基于TCP/IP协议的标准以太网，它的优点是连接简单、便于扩展、速度快、兼容性好。3#旋窑监控系统采用光缆作为SIMATIC H1网的连接介质，有效地实现了工业以太网过程中的抗干扰功能，**了系统运行的性;SIMATIC Profibus DP网是西门子公司开发的一种基于现场总线技术的设备网，它的特点是可以在PLC与现场设备(如变频器、工业键盘、智能仪表、分布式I/O站等)之间交换数据。3#旋窑监控系统采用屏蔽双绞线作为Profibus DP网的连接介质。SIMATIC300站是西门子公司的产品，无论在控制速度、控制精度还是抗干扰性、灵活性各方面讲都处与PLC产品的地位。戴尔(DELL)工业微机在工业控制中应用的也很好。
4.2  软件评估
bbbbbbs 2000是美国Microsoft微软公司出色的产品之一，也是世界上应用为广泛可信赖的软件平台，因此3#旋窑监控系统选用bbbbbbs 2000操作系统。西门子公司的WinCC的组态软件广泛应用于世界各大工厂，它的数据库、画图、显示、历史趋势、配方紧密结合，不但可以画出逼真的图形，还能将现场数据快速显示在屏幕上;它可以在屏幕上制造出按钮来取代真正的按钮完成对现场设备的操作;它能将数据库的数据按时间存放在数据文件里供历史趋势文件调用显示，这样就能把几小时、几天、甚至几个月前的数据用数据曲线的形式展示给工程师们，以便分析事故和改进工艺;它可以利用WinCC的报表功能，方便的实现报表打印和数据查询功能。STEP7是西门子公司为S7-300系列PLC设计的编程软件，它能完成庞大的逻辑控制和复杂的调节控制;它的组织块、功能块、数据块相结合的编程思想可以随心所欲地实现各种控制要求;它的时间中断组织块可以实现短到10ms长到5s的快速中断请求;它的符号表(Symbol)可以输入中文方便进行程序注释。

5  结束语
本系统通过工业以太网可方便扩展Internet或Intranet远程监控，实现工业自动化设备网与上层管理、监控网之间的无缝集成，既所谓的“E(EtherNet)网通”，有利于企业综合自动化、信息化进程。没有纳入到企业局域网中实现管控一体化，也许是这套系统的美中不足吧。

1  引言

    在焦碳生产工艺过程中，需要将气煤、肥煤、焦煤、瘦煤四种煤按一定比例配成混合煤，然后送入焦炉进行高温炼焦。配比的准确性以及配料系统的性将直接影响焦碳产品的质量。因此，通过提高焦化配煤系统的性、稳定性、准确性来提高焦碳的质量具有非常重要的社会效益和经济效益。

    目前，武钢焦化厂备煤车间担负着公司燃煤接卸、炼焦和输送的工作。原配煤设备共配置了14套，经过多年使用，已老化严重，该设备有如下缺陷:
系统调节精度差，影响配煤比的精度;主要附件电子秤性差，且易损坏;

    抗干扰能力差;电子秤标定复杂，工作量大;调速性能差，设备运行性差，现场维护工作量大;岗位工人的劳动强度大，环境差，无自动配料功能。

    因此，对配煤系统进行改进:用核子秤进行计量，设置上位机进行配料自动控制，建立配料模型，统计打印，下位机采用PLC进行电机、皮带顺序控制、料流计量、圆盘速度的控制。圆盘给媒机采用变频器驱动控制，确保系统配煤误差<2%。

2  系统结构

    在系统中我们将采用PLC可编程控制器加上核子秤配料系统，并在系统结构上采用主皮带配料方式(配料方式)，这样新的配料系统可不加小皮带，使该项目投资及用户日后的维护量达到小、少。该配煤系统可分为物料计量、微机操作、控制、变频调速四大部分。

2.1  控制系统组成
    PLC可编程控制器采用MODICON公司的产品，它的CPU模块为CPU11303、电源模块CPS11400、8通道模入模块ACI03000、4通道模出模块14ACO02000、开关量输入模块 DDI35300、继电器模块DRA84000、高速计数模块DRO84000，编程软件采用MODSOFT软件。 上位机为IPC研华工控机(包括显示器、打印机)，采用FIX组态软件编程。电机的变频器为日本安川G40111A。工作流程图如图1所示;控制系统原理图如图2所示。

⑴ 各种配煤操作界面、数据显示及打印管理，用户可方便的在上位机上进行各种数据的修改操作，运行数据的图形显示及打印各种报表;
⑵ 通过网卡与控制部分的配料模块和开关量控制模块相联，能够下载计量、控制、系统参数，以及核子秤命令、精度测试命令等，同时能够上传各模块当前状态和参数。

2.3  控制系统功能
    控制部分是由开关量控制模块和配料控制模块组成，核子秤内部控制模块之间的信号传输采用差分频率信号传输技术，具有强的抗干扰能力和远传能力，从而**了系统信道的性和准确性，在反馈控制上采用新型的人工智能PID调节算法，无振荡，无调。各模块功能如下:
⑴ 开关量输入模块
    该模块能实现系统总流量、配比、水分的选择，各种皮带启停信号的输入和配料模块启停信号输出，控制信号及大屏显示接口，连锁及配料控制和上位机的通讯，并留有备用选择器。
⑵ 配料控制模块
    配料控制模块能实现信号的采集、计算并与给定流量比较将误差量按照控制算法进行计算，转换成4~20mA模拟量信号，发送给变频调速器，调节电机转速从而改变当前下料量，确保精度。
从控制方案实施可见:新配料系统在上位机系统出现故障时，系统除打印报表功能无法实现外，其它控制部分均能正常工作，对整个配料系统无影响。由于在设计时将控制分散到控制模块而将管理集中在工控上位机中，因此系统不仅**了高性的控制功能，而且又具有良好的用户界面和管理功能，在硬件设计中考虑了配料控制模块的可维护性，用户只需要较少的微机及控制理论知识、维护经验，就能及时方便地确保整个自动配煤系统连续的运行。

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2.4  报警功能
    当系统各测量单元出现故障时，工艺流程主画面将以警示色提醒用户，按下相关键后，可由CRT显示故障代码;当系统出现空仓或圆盘给料机堵料而无法下料时，工艺流程画面也以警示色提醒用户，同时出现声音报警，提醒用户及时处理。

2.5  其他功能
能对变频器进行自动/手动切换及机旁自动/手动选择。

3  控制原理

3.1  配比控制
    由于给煤量的大小取决于多种工艺参数和检测结果，所以给煤任务来自于上位机的配比计算，计算机采用配比数学摸型，它是根据配煤总量和各种煤所占的比例，及所含有的水份等参数，结合配比知识和现场经验，计算各种煤的流量设定值，作为进行指导和校正的手段。这里可输入各种煤的成份，检验结果等信息，配煤方案，下达配煤命令。

3.2  自动调节过程   
    它是通过取消小皮带，并在集料皮带下直接安装核子秤，可实时各种给煤流量反馈值的电压信号(0~30mV)，经变送器放大，并转换为4~20mA的电流信号，送至可编程控制器的A/D转换接口，经采样后，与上位机设定的各种配煤给定值进行比较，然后进行调节运算，其控制量经D/A转换接口送至变频调速器，以此来改变变频器的输出值，从而改变圆盘给煤机的转速，调整给煤量，使之与设定值相等，完成自动配煤过程，下煤量设定值的大小决定了圆盘转速，圆盘转速与下煤量成正比。

3.3  控制规则
(1) 若控制误差的太大，则增加输出量，加强控制作用，实现快速跟踪调节;
(2) 若控制误差及其变化率均在允许范围内，则输出量不变，维持原控制作用;
(3) 若控制误差与其变化率的符号相反(如控制误差为正，而其值却在减少)，且误差变化率相对于误差较小，则要加强控制作用;
(4) 若控制误差与其变化率的符号相反，且误差变化率相对较大，则加入“微分控制”;
(5) 若控制误差与其变化率符号相反，且二者相近时，维持原有控制;
(6) 若控制误差与其变化率符号相同，误差增大趋势，则采用“比例、积分、微分”控制，增强控制作用。

4  系统实现的功能

4.1  PLC实现的功能
    实现各配煤机的启动和停止;电机、皮带的顺序控制;配煤流量的瞬时、累计流量的计量;圆盘速度的自动控制,实现配料自动控制。
4.2  上位机功能
    它能与PLC之间实现数据、信号传输通讯;每个圆盘下煤量设置;每台秤的称量值显示;配煤称量系统画面监视;圆盘运行情况监视;故障显示及报警;可作为PLC的编程器使用;根据配料模型实现配比自动计算功能;历史趋势显示,可查看任意时间段的生产数据曲线,分析生产情况;生产报表;从动态数据库中提取数据,生成各种报表,进行打印。

5  核子秤计量部分

    根据焦化厂备煤车间现有的配煤计量设备PDS-7微机电子皮带秤已使用十多年，存在着设备老化，性差等若干问题，直接影响着配煤比的精度。因此，这里应采用目前上比较流行的核子皮带秤，核子皮带秤与传统的电子皮带秤相比具有许多优点，其中主要的是不受皮带磨损、张力、振动、跑偏、冲击等因素影响，能长期稳定地工作，值得一提的是它可在高温、多尘、强电磁干扰、强腐蚀等恶劣环境下运行。

5.1  核子皮带秤工作原理简介
    核子皮带秤的工作原理如图3所示，放射源在上方稳定地放射出g射线，在支架构成的平面内呈扇形照射至输送机上，输送机上的物料吸收一部分g射线，其余的射线照射至g射线探测器上，因射源发出的g射线为一常数，因此探测器探测出的g射线的多少，可反映出输送机上物料的多少，由此再根据相关的计算公式便可计算出某一时刻输送机输送物料的流量。
此方案的特点是核子秤的测量信号没有经过运算处理直接送入PLC系统，PLC系统需将核子秤的测量信号0~5V，或者是频率信号加以转换，然后进行相应的运算处理，才能得出秤重值，它的主要优点是省掉了二次仪表，降低了费用。

5.2   技术要求及防护要求
(1) 秤体采用不锈钢体，秤体的安装对皮带传输装置的运转水平不生产任何影响，不改变其结构;
(2) 每台核子秤的每次配煤精度1%;
(3) 本系统一机带14台核子秤的硬件配置方式，满足多物料、多品种配煤工艺，提供料选、配比等人机对话，自动切换等功能。具有统计配煤量、报表、打印、校准、故障诊断等功能;
(4) 工控机设有接地且接地电阻<4W。

6  结束语

    本系统实现了14台圆盘配煤机的启停、联锁保护、称量及调节的自动控制，实现配煤生产自动化。控制方式采用自动和手动操作两重方式，在自动方式下，各配煤回路的设定及控制，配煤的在线改等都由计算机自动完成;在手动方式下，根据核子秤测量的值手动调节圆盘转速，进行配煤控制、人工启停设备，在这两种方式下，都设有主要设备紧急停运按钮。通过改变变频器输入信号方式，可方便地进行手动/自动切换，切换冲击小，生产进行顺利。
该系统在实际生产中良好的经济和社会效益，能够满足各项经济技术指标，满足控制精度要求，具有广阔的应用前景。

本文结合SIEMENS S7-200型PLC的特点以及电厂输煤系统的特殊要求，介绍了PLC在电厂输煤系统中用于联锁控制的程序设计及应用。

    可编程逻辑控制器（PLC）是八十年代发展起来的新一代工业控制装置，是自动控制、计算机和通信技术相结合的产物，是一种专门用于工业生产过程控制的现场设备。

    由于控制对象的复杂性，使用环境的特殊性和运行的长期连续性，使PLC在设计上有自己明显的特点：性高，适应性广，具有通信功能，编程方便，结构模块化。

    在现代集散控制系统中，PLC已经成为一种重要的基本控制单元，在工业控制领域中应用前景其广泛。在笔者参与开发的某电厂输煤自控系统中，系统要求在远离输煤廊的主厂房控制室里，对两条输煤线的18台设备进行控制，并实时监测设备的运行状态及皮带跑偏的情况。

    鉴于电厂输煤系统的重要性，我们采用PLC实现输煤设备的联锁控制以**其性和特殊性，工业控制计算机则作为上位机与PLC互相配合，共同完成输煤系统的监控功能。本文将主要介绍PLC的控制应用。

    1输煤系统控制要求
    输煤系统有两条输煤线，包括给煤机、皮带机、振动筛、破碎机等共18台设备，在电厂中有着为重要的地位，一旦不能正常工作，发电就会受到影响。为了**生产运行的性，输煤系统采用自动（联锁）、手动（单机）两种控制方式，自动、手动方式由开关进行切换。由于输煤廊环境恶劣，全部操作控制都在主厂房的主控制室里进行，仪表盘上设有各个设备的启、停按钮，还有为PLC提供输入信号的控制开关。输煤设备控制功能由PLC实现，设备状态监测和皮带跑偏监测以及事故纪录功能则由上级工业控制计算机完成。

    为了**输煤系统的正常、运行，该系统应满足以下要求：
    ? 供煤时，各设备的启动、停止遵循特定的顺序，即对各设备进行联锁控制；
    ?各设备启动和停止过程中，要合理设置时间间隔（延时）。启动延时统一设定为12s。停车延时按设备的不同要求而设定，分为10s、20s、30s、40s、60s几种，以**停车时破碎机为空载状态，各输煤皮带上无剩余煤；
    ?运行过程中，某一台设备发生故障时，应立即发出报警并自动停车，其前方（指供料方向）设备也立即停车。其后方的设备按一定顺序及延时联锁停车；
    ?各输煤皮带设有双向跑偏开关，跑偏15度时发出告警信号，跑偏30度时告警并自动停车；
    ?可在线选择启动备用设备。在特殊情况下可由两条输煤线的有关设备组成交叉供煤方式；
    ?可在线选择启动备用设备。在特殊情况下可由两条输煤线的有关设备组成交叉供煤方式；
    ?可显示各机电设备运行状况，并对输煤过程有关情况（报警、自动停机等）做出实时纪录。

    2 PLC控制系统设计

    2.1 PLC选型

    根据输煤系统的自控要求，我们选用了德国SIEMENS 公司新推出的S7-200型PLC，具有性高、体积小、扩展方便，使用灵活的特点。基本CPU单元选用的是CPU214，性能如下：2048程序存储器；2048数据存储器；14点输入，10点输出；可扩展7个模块；128个定时器；128个计数器；4个硬件中断、1个定时器中断；实时时钟；高速计数器；可利用PPI协议或自由口进行通信；3级密码保护。扩展模块选用EM221,8个输入点；EM223,16个输入点，16个输出点。

    2.2 系统关系 系统关系如图1所示。

 

    图1 系统关系

    在输煤自控系统中，工业控制计算机作为上位机和输煤控制PLC进行通信，对皮带跑偏信号和设备的运行状态进行实时采样，并在屏幕上显示输煤系统画面，可以直观地察看设备的状态。当皮带跑偏（跑偏15度）时，在屏幕上显示报警画面；当设备发生故障或皮带严重跑偏（跑偏30度）时，在屏幕上显示报警画面并向PLC发送事故停车信号。

    输煤控制PLC则根据控制开关的输入信号，执行对应程序块，控制电机实现对应的功能：向上级工业控制计算机发送工作组态信息，接收上级工业控制计算机发送的事故停车信号，实现事故停车处理功能并启动报警设备。二者配合共同实现输煤系统的监测和控制功能。

    上级工业控制计算机同时实现对电厂其他系统的监控，由工业控制计算机、输煤系统PLC和其他系统的现场设备（PLC、监控仪表）共同构成分布式系统（DCS）。

    2.3 运行模式

    根据输煤过程的要求，本系统设计了两种运行模式。在一般情况下，采用并行模式，可根据需要单选用或同时运行输煤和输煤二线。交叉模式是由输煤和输煤二线的有关设备组成的，仅在特殊情况下选用。

    2.3.1并行模式

    并行：
    联锁开车顺序：10＃皮带机→8＃皮带机→6＃皮带机→2＃破碎机→2＃振动筛→4＃皮带机→2＃皮带机→2＃（3＃）给煤机→4＃给煤机。
    联锁停车顺序：与开车顺序相反，延时时间按上述要求设定。2＃、3＃给煤机某中一台备用。

    并行二线
    联锁开车顺序：9＃皮带机→7＃皮带机→5＃皮带机→1＃破碎机→1＃振动筛→3＃皮带机→1＃皮带机→1＃给煤机。
    联锁停车顺序：与开车顺序相反，延时时间按上述要求设定。

    2.3.2 交叉模式

    交叉线
    联锁开车顺序：9＃皮带机→7＃皮带机→6＃皮带机→2＃破碎机→2＃振动筛→4＃皮带机→2＃皮带机→2＃（3＃）给煤机。
    联锁停车顺序：与开车顺序相反，延时时间按上述要求设定。2＃、3＃给煤机其中一台备用。

    2.4 PLC程序设计
    针对输煤系统的控制要求以及具体控制方案的实现，设计程序流程如图2所示。

 

    图2 主程序流程

    2.4.1 程序说明

    ?子模块0：初始化子程序。在PLC加电时根据各个开关的位置设立标志位。仅在个扫描周期执行。
    ?子模块1：并行联锁启停控制程序。根据启动标志位1实现并行的联锁启动、联锁停车，并判断事故停车信号以实现事故停车。
    ?子模块2：并行二级联锁启停控制程序。根据启动标志位2和实现并行二线的联锁启动、联锁停车，并判断事故停车信号以实现事故停车。
    ?子模块3：交叉线联锁启停控制程序，根据启动标志位3实现交叉线的联锁启动、联锁停车，并判断事故停车信号以实现事故停车。
    ?PLC的输出信号控制电机的接触器，启动送高电平，停止送低电平。但是，1＃破碎机功率达90kW，2＃破碎机功率达110KW，需要降压启动，所以启动时PLC送一个正脉冲，停车时PLC送一个负脉冲。

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    2.4.2 程序特点

    ?特殊标志位的使用：使用特殊标志位SM0.1，使得初始化子程序（子模块0）仅在个扫描周期执行，而在以后的扫描周期不再执行。这样，个别标志位在PLC加电后不受开关变化的影响。例如，并行模式和交叉模式对应标志位仅在关掉主控开关后才能改变。

    ?内部标志位的使用：在程序中，利用标志位来表示不同的现场情况和程序状态，增加了程序的性和灵活性。
    ?程序模块化：程序由不同子模块构成，各子模块立完成各自功能，互不干扰，因而程序结构清晰，便于修改。
    ?定时器的使用：程序中，利用不同的定时器来设定不同设备的延时时间，可以灵活地根据控制要求进行延时时间的设定。

    2.5 部分程序梯形图

    图3 部分联锁起停控制梯形图

    图3所示为部分联锁启停控制梯形图，T37用于控制设备的启动延时，T40～T46用于控制相应设备的停车延时，接收到停车信号时，经过相应的延时，对应定时器置位从而实现联锁停车。Q0.3是1#破碎机的启动控制输出通道，启动1＃破碎机时送出一个宽度为2s的正脉冲。Q0.7、Q1.0分别是2＃给煤机、3＃给煤机的控制输出通道，M0.1、M0.2 是内部标志位，用于**2＃、3＃给煤机始终为一台工作，一台备用。

    总之，本系统中，PLC作为现场控制设备，能够、准确地完成控制操作，并且可以通过与上级工控机通信，组成分布式系统共同完成输煤系统的监测、控制要求，是现代工业控制中比较的控制方案，应用前景广泛。

    目前，本系统已经在内蒙古伊化集团苏尼特碱矿电厂投入运行，能够、准确地完成控制操作，实时监测和记录输煤过程运行状况，并且能对现场出现的各种突发事件及时做出响应，了良好的效果。