趙世錦，巴 鵬，李 睿

隨著我國工業(yè)自動化技術(shù)的穩(wěn)步發(fā)展， 傳統(tǒng)的手動、 半自動控制生產(chǎn)線已經(jīng)開始改造升級。目前， 國外礦熱爐電極控制主要通過控制電阻值的恒定并利用調(diào)節(jié)器控制電極[1]。 國內(nèi)礦熱爐電極自動控制的研究雖然起步較晚， 但發(fā)展迅速。針對電極升降系統(tǒng)的不平衡性、 耦合性、 非線性和時變特性， 電極的改造及電極升降系統(tǒng)的改進(jìn)等問題， 已經(jīng)提出多種改進(jìn)方案和研究成果[2]。因此， 本文根據(jù)礦熱爐的結(jié)構(gòu)及工作原理， 設(shè)計(jì)一套基于PLC 及WINCC 組態(tài)的自動控制系統(tǒng)， 可以實(shí)現(xiàn)對礦熱爐電極的自動控制， 同時能夠?qū)崟r反映礦熱爐系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)， 提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性， 有較大的的推廣價(jià)值。

1 礦熱爐控制系統(tǒng)

礦熱爐生產(chǎn)的基本任務(wù)就是把金屬元素從礦石或氧化物中， 通過氧化物的還原反應(yīng)提取出來，其生產(chǎn)的基本原理基于選擇性氧化還原反應(yīng)熱力學(xué)。 現(xiàn)代礦熱爐正在向大型、 密閉、 節(jié)能、 低污染及爐體旋轉(zhuǎn)方向發(fā)展。 礦熱爐系統(tǒng)主要由爐體、 供電系統(tǒng)、 電極升降系統(tǒng)、 加料系統(tǒng)、 冷卻水系統(tǒng)、檢測和控制系統(tǒng)、 排煙除塵系統(tǒng)等組成（見圖1）。該礦熱爐控制系統(tǒng)采用三層構(gòu)架， 分為上位機(jī)監(jiān)控管理層， 下位機(jī)PLC 采集控制層和設(shè)備檢測執(zhí)行層[3]（ 見圖2） 。 其中， 上位機(jī)監(jiān)控管理層實(shí)時顯示礦熱爐系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)， 同時負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的歸檔處理， 以及遠(yuǎn)程監(jiān)控及報(bào)警， 通過WINCC 設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面。 下位機(jī)PLC 負(fù)責(zé)采集礦熱爐的各項(xiàng)參數(shù)及實(shí)現(xiàn)PID 控制算法， 同時完成對電極的升降自動控制， 本文采用S7-300 型PLC， 利用STEP7 進(jìn)行控制系統(tǒng)編程。 下位機(jī)PLC 與上位機(jī)PC 機(jī)通過MPI 通訊， PLC 將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時傳送到上位機(jī)中， 并在WINCC 人機(jī)交互界面中顯示， 操作人員通過人機(jī)交互界面或觸摸屏完成對電極的控制。

圖1 礦熱爐結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 礦熱爐電極控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC 選型及硬件組態(tài)

本控制系統(tǒng)硬件組態(tài)的核心內(nèi)容為PLC 選型及組態(tài)， 根據(jù)本文的控制系統(tǒng)要求及礦熱爐工作情況， 采用西門300 系列PLC， 可以適應(yīng)用戶的控制要求， 支持和幫助用戶進(jìn)行編程、 啟動和維護(hù)， 具有高速的指令處理功能、 方便的人機(jī)界面服務(wù)和強(qiáng)大的診斷功能和口令保護(hù)功能[4]。 筆者根據(jù)控制系統(tǒng)的輸入、 輸出點(diǎn)數(shù)及模擬量數(shù)量， CPU 選用315 -2PN/DP， 使 用 1 個 數(shù) 字 量 輸 入 模 塊；DI16XDC24V， 1 個 數(shù) 字 量 輸 出 模 塊 ；DO32XDC4V/0.5A， 1 個模擬量輸入模塊；AI8X16Bit， 以及1 個模擬量輸出模塊AO8X12Bit（見圖3）。

圖3 PLC 硬件組態(tài)

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1） STEP 7 程序設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有電極自動升降控制、 電極手動升降控制、 遠(yuǎn)程報(bào)警、 中斷程序、 模擬量采集及PID 算法實(shí)現(xiàn)。 以上功能主要通過組織塊OB1 作為主程序循環(huán)模塊， 組織塊OB35 作為循環(huán)中斷模塊， FC105 作為模擬量轉(zhuǎn)換模塊，F(xiàn)C1 及FC2 作為功能塊， DB45 作為數(shù)據(jù)存儲模塊。

其中， 主程序循環(huán)模塊OB1 實(shí)現(xiàn)的功能包括電極升降系統(tǒng)的啟動與停止、 電極手動控制及自動控制之間的切換、 電極自動壓放控制及相關(guān)指示燈顯示。 循環(huán)中斷模塊OB35 的功能為實(shí)現(xiàn)PID 控制算法， 將現(xiàn)場采集的變壓器電流模擬值傳送到PIW中， FC105 為規(guī)格化標(biāo)準(zhǔn)功能， 將PIW 的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并存放在MD30 里， 其轉(zhuǎn)換公式為[5]：

其中： IN 為AI 采集到的模擬量整數(shù)值； 常數(shù)K1與K2由FC105 的BIPOLAR 設(shè)置， 當(dāng)BIPOLAR的值為1 時， 輸入值的范圍為0～27 648， 此時K1=0， K2=27 648， 當(dāng)其值為0 時， 輸入值得范圍為-27 648～+27 648， 此時K1=-27 648， K2=27 648；HI_LIM 和LO_HIM 分別為用工程單位表示的上限值和下限值。

PID 算法根據(jù)電流實(shí)際值與理論值的偏差進(jìn)行計(jì)算， 最終輸出一個模擬量輸出信號， 將該值存儲至PQW304 里， 變頻器接收后傳送到電機(jī)， 完成對電極的自動升降控制。

（2） PID 控制算法

傳統(tǒng)PID 控制算法主要有三部分組成： 比例控制P， 積分控制I， 微分控制D[6]。 主要是根據(jù)實(shí)際值與設(shè)計(jì)值的當(dāng)前偏差、 歷史累計(jì)偏差及近期偏差進(jìn)行控制， 具有穩(wěn)定性強(qiáng)、 魯棒性好及整定參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)。 PID 算法公式如下：

3 WINCC 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

3.1 WINCC 的功能與使用

上位機(jī)組態(tài)軟件使用WINCCV7.3 版本， 負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位的通訊及數(shù)據(jù)交互， 采用Microsoft SQL Server 2008 R2 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的歸檔處理， 將各項(xiàng)參數(shù)在計(jì)算機(jī)各個操作界面中顯示出來。 本文設(shè)計(jì)的電極控制系統(tǒng)是在聯(lián)想工控機(jī)Windows 7（ 旗艦版） 系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)及開發(fā)，能夠清晰反映礦熱爐系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)及人機(jī)互交界面， 保障系統(tǒng)正常運(yùn)行（見圖4）。

圖4 WINCC 與PLC 通信結(jié)構(gòu)

3.2 WINCC 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)共設(shè)計(jì)有8 個界面， 分別為登錄界面、 主界面、 電極控制界面、 報(bào)警記錄界面、 變量記錄界面、 通訊界面、 數(shù)據(jù)歸檔界面及用戶管理界面（ 見圖5） 。 主界面上主要顯示其他界面的切換按鈕， 以及礦熱爐系統(tǒng)整體工作狀態(tài)及主要參數(shù)。電極控制界面上設(shè)置有手動自動控制切換按鈕、 手動自動升降電極啟停按鈕、 自動電極壓放啟停按鈕、 變壓器一次側(cè)二次側(cè)電流、 電壓值實(shí)時顯示框及其它指示燈。

圖5 人機(jī)界面總體總框架圖

3.3 畫面動態(tài)化的實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)的起始頁面為控制系統(tǒng)主頁面， 在電極控制界面、 報(bào)警記錄界面、 變量記錄界面、 通訊界面、 用戶歸檔界面及用戶管理界面均設(shè)有“ 返回” 按鈕， 鼠標(biāo)左鍵單擊按鈕會返回主頁面， 實(shí)現(xiàn)畫面的動態(tài)化。 在對象屬性下的事件中創(chuàng)建“ 單擊鼠標(biāo)” 的C 語言動作， 以返回電極控制界面為例，程序如下：

4 結(jié) 語

本文通過電極控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)礦熱爐的全面監(jiān)控及電極自動控制，提高礦熱爐電極系統(tǒng)的自動化程度。通過上位機(jī)與PLC 結(jié)合的控制方式，電極自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性更好、安全性更高、通用性更強(qiáng)等；采用PID 控制算法實(shí)現(xiàn)對電極系統(tǒng)的閉環(huán)控制，通過計(jì)算電流實(shí)際值與理論值的偏差改變電極的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了提高礦熱爐工作效率的目的，有較大的推廣價(jià)值。