王永國(guó)

(吉林化工學(xué)院 電氣工程及其自動(dòng)化，吉林 吉林 132022)

鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)所需的基礎(chǔ)原料之一，鋼鐵產(chǎn)能代表著工業(yè)大國(guó)的生產(chǎn)力水平，代表國(guó)家的發(fā)展程度與經(jīng)濟(jì)建設(shè)情況等.因此保證快速高效的鋼鐵生產(chǎn)就代表國(guó)家的科技實(shí)力，高爐煉鐵上料小車的最優(yōu)化控制可以大大加快煉鐵的速度，所以上料小車控制在整個(gè)高爐上料系統(tǒng)中起著重要的作用.高爐煉鐵中產(chǎn)品的產(chǎn)量和上料小車的運(yùn)行狀態(tài)有直接關(guān)系，采用自動(dòng)化手段實(shí)現(xiàn)上料小車穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確、智能化是各個(gè)鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)追求的目標(biāo)，采用西門子控制器1200與MM440變頻器組成的上料小車控制系統(tǒng)恰恰滿足了控制精度高、故障率低、快速的技術(shù)要求.

1 上料小車控制系統(tǒng)原理

上料小車的控制系統(tǒng)包括正常工作時(shí)的自動(dòng)控制和故障時(shí)由人工參與的手動(dòng)控制形式兩種[1].手動(dòng)控制通過操作面板上的各種操作按鈕進(jìn)行控制電機(jī)的啟停、速度和上料傾倒.自動(dòng)控制通過傳送帶、上料小車和鍋爐內(nèi)的各種傳感器發(fā)出的信號(hào)傳遞給PLC，PLC通過數(shù)據(jù)處理發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)給MM440變頻器，從而控制高爐上料小車按照程序設(shè)定方式運(yùn)行,上料小車控制系統(tǒng)，如圖1所示，以一臺(tái)上料系統(tǒng)為例，傳送帶的下限位開關(guān)處裝料，傳送帶的上限位開關(guān)處卸料.小車由電機(jī)控制，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制小車的前進(jìn)與后退.通過距離傳感器與限位開關(guān)的反饋信號(hào)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速.小車裝料完成啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)正轉(zhuǎn)上料.通過距離傳感器反饋的信號(hào)對(duì)上料小車進(jìn)行速度控制，由慢-快-慢的狀態(tài)運(yùn)行.

圖1 上料小車運(yùn)行狀態(tài)圖

上料過程根據(jù)速度曲線去設(shè)置變頻器進(jìn)行調(diào)速.上料小車速度第一段起步逐步加速.第二段持續(xù)加速，第三段減速到達(dá)高爐停止.在空車返回時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，也是通過起步一段加速，二段加速，三段減速最后停止裝料[2].每段開始起點(diǎn)都由PLC去控制MM440變頻器進(jìn)行調(diào)速，使小車平穩(wěn)運(yùn)行.傳送帶上上料小車運(yùn)行示意圖，如圖2所示.

圖2 上料小車運(yùn)行示意圖

PLC作為該控制系統(tǒng)的核心，圍繞著高爐上料控制工藝要求進(jìn)行編程，幫助該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便操作、低能耗運(yùn)行等功能，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化的控制過程[2-5].上位機(jī)界面實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)視功能，并且數(shù)據(jù)的傳輸和通信也能夠得以實(shí)現(xiàn).

2 PLC控制系統(tǒng)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上料小車控制系統(tǒng)的工藝流程和具體所需的控制要求以及輸入/輸出變量特點(diǎn)[6],選擇西門子公司的S7-1200PLC(CPU 1214DC/DC/Rly)型號(hào),有14個(gè)輸入點(diǎn),10個(gè)輸出點(diǎn),兩個(gè)模擬量輸入點(diǎn)[7-9].因PLC自帶的輸入輸出點(diǎn)不能完全滿足工藝控制的需求，所以要擴(kuò)展輸入和輸出模塊.輸入點(diǎn)用來控制小車控制方式的選擇、啟動(dòng)、限位停止及控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況,輸出點(diǎn)用來控制小車前進(jìn)、后退，裝料、卸料.PLC單元配有數(shù)據(jù)通信口,實(shí)施 HMI人機(jī)界面和 PLC 的數(shù)據(jù)通信.

上料小車控制系統(tǒng)的主電路接線原理圖，如圖3所示：

圖3 控制系統(tǒng)的主電路原理圖

根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的I/O點(diǎn)，PLC接線圖如圖4所示：

通過輸入點(diǎn)Din1和Din2控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn).標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文有兩個(gè)控制字，PLC向變頻器發(fā)送0×47E和0×47F控制啟停，16#4000對(duì)應(yīng)100%轉(zhuǎn)速，通過發(fā)送十六進(jìn)制數(shù)控制電機(jī)速度.

2.2 PLC上料小車控制系統(tǒng)的輸入輸出分配

系統(tǒng)輸入輸出分配表見表1、表2.

表1 I/O點(diǎn)功能表

續(xù)表1

表2 模擬量I/O點(diǎn)功能表

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)主要包含編寫PLC程序文件，編譯程序，程序診斷，下載程序和監(jiān)控程序等.PLC的種類有很多，各種品牌的PLC編程語(yǔ)言都有所差異.例如本方案選擇的西門子PLC就有兩種比較常用的編程語(yǔ)法，包括梯形圖和語(yǔ)句表等[10-11].語(yǔ)句表(STL)是一種類似于C語(yǔ)言的一種機(jī)器語(yǔ)言，利用語(yǔ)句的邏輯順序，通過編寫多條語(yǔ)句進(jìn)行組合來實(shí)現(xiàn)程序的控制.梯形圖(LAD)是PLC工程師最常用的一種編程語(yǔ)言.在編程過程中清晰地顯示信息的流向，并且運(yùn)用的符號(hào)大多數(shù)是電器元件標(biāo)識(shí)符表達(dá)更加直觀，更方便工作人員的使用.利用簡(jiǎn)單的程序，直觀的表達(dá)方式也可以提高編程人員的工作效率.因此本方案選擇梯形圖的方法進(jìn)行編程.

圖5 程序設(shè)計(jì)

具體設(shè)計(jì)思路：

小車上行、小車下行、小車加速、小車減速等控制信號(hào)通過串入相應(yīng)的手自動(dòng)切換、限位保護(hù)、漏斗開關(guān)等信號(hào)構(gòu)成動(dòng)作連鎖，通過自己本身的繼電器線圈構(gòu)成自鎖運(yùn)行，除了程序有各種故障保護(hù)外，硬件接線上也通過互鎖信號(hào)起到雙重保護(hù)功能.另外，把標(biāo)準(zhǔn)模擬量電信號(hào)進(jìn)行程序數(shù)值轉(zhuǎn)換，使其變成工程單位，更直觀的在上位機(jī)上進(jìn)行顯示.

根據(jù)生產(chǎn)的需要，組態(tài)監(jiān)控界面上需要顯示高爐本體內(nèi)的溫度壓力采集值，還需要監(jiān)控上料小車系統(tǒng)的在運(yùn)輸皮帶上的運(yùn)行狀態(tài)、上料小車運(yùn)行過程中的位置信息、小車速度信息、上料小車裝料狀態(tài)以及物料重量和上料狀態(tài)等,如圖6：

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)界面

3 結(jié) 論

本文以高爐上料小車自動(dòng)控制為主線，通過對(duì)高爐上料系統(tǒng)控制器PLC1200進(jìn)行設(shè)計(jì)編程，間接對(duì)漏斗開關(guān)、MM440變頻器、稱重傳感器等二次設(shè)備進(jìn)行控制，配與先進(jìn)的上位機(jī)操作系統(tǒng)畫面，通過通信網(wǎng)絡(luò)PROFIBUS-DP總線，將PLC1200程序與MM440變頻器以及監(jiān)控系統(tǒng)畫面鏈接在一起，進(jìn)行上料系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控和對(duì)設(shè)備自動(dòng)化控制的功能.PLC1200和MM440變頻器的綜合應(yīng)用，使得整個(gè)系統(tǒng)控制邏輯更緊湊，上料小車運(yùn)行定位更加準(zhǔn)確，效率更高，大大增強(qiáng)了高爐上料的供應(yīng)能力，為高爐實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)，高產(chǎn)提供了技術(shù)支持和保證.