SiemensPLC在石灰窯監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

　摘要：本文介紹了可編程控制器(PLC)在石灰窯監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。PLC除了用于對現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)采集和處理以外，還用來完成對現(xiàn)場的機械設(shè)備的連鎖自動控制。此外，工控組態(tài)軟件Wincc作為一種標準的人機界面(HMI)被用于監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)的動態(tài)過程。本系統(tǒng)中基于軟件和硬件的執(zhí)行情況將在文中作進一步的詳細闡述。
關(guān)鍵詞：可編程控制器(PLC) 石灰窯 過程監(jiān)控 Wincc組態(tài)軟件

Abstract:In this paper,we discuss the application of Programmable Logic Controllers(PLCs) in the process monitoring and control for limekiln production. The PLCs are mainly utilized for collecting process data as well as realizing autocontrolling of field mechanism. In addition, Wincc configuration software with a Human man-Machine Interface (HMI) is used to monitor the dynamical industrial process. Both software and hardware-based implementation of our system are also described in details.
Keywords: PLC Limekiln Process Monitoring and Control Wincc configuration software

0 前言
　　在鋼鐵公司中，石灰窯產(chǎn)出的石灰一般供煉鋼和燒結(jié)使用。某鋼鐵公司現(xiàn)有的是機械石灰豎窯，由于機械石灰豎窯采用固體燃料，生產(chǎn)出的石灰活性度低、CaO的含量低、并且附帶對煉鋼有害的S、SiO2的含量較高?，F(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展對鋼材及質(zhì)量的要求越來越高，對降低鋼中的有害元素及雜質(zhì)的要求也越來越嚴格。為了滿足市場需求，冶煉高潔凈鋼日益受到各鋼鐵企業(yè)的重視。針對以上的問題，某鋼鐵公司根據(jù)現(xiàn)有的煤氣條件新建一座氣燒石灰窯，采用先進的機械設(shè)備和控制方法，生產(chǎn)出高活性度、高CaO、低SiO2、低S、低雜質(zhì)的石灰供給煉鋼和燒結(jié)，是必要的，也是合理可行的。
　　當(dāng)前可編程控制器（PLC）是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的工業(yè)控制計算機，已經(jīng)成為電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的核心位置，它不僅能實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，還能完成各種順序或定時的閉環(huán)控制功能，并且抗干擾能力強、可靠性高、穩(wěn)定性好、體積小，能在惡劣環(huán)境下長時間、不間斷運行，且編程簡單，維護方便，并配有各類通訊接口與模塊處理，可方便各級連接。

1 石灰窯過程監(jiān)控系統(tǒng)的運行環(huán)境
　　根據(jù)生產(chǎn)工藝，石灰窯生產(chǎn)的過程監(jiān)控部分采用典型的兩級監(jiān)控方式。上位機以標準的工業(yè)控制計算機（IPC）作為主要的人機界面(Human-Machine Interface)，為生產(chǎn)管理級，完成對下位機的監(jiān)控、生產(chǎn)操作管理等，主要面向操作人員；下位機由Siem-
　　ens SIMATIC S7-300 的PLC構(gòu)成，為基礎(chǔ)測控級，完成生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集及過程控制等，面向生產(chǎn)過程。工控組態(tài)軟件Wincc(Windows Control Center)是一個集成的人機界面（HMI）和監(jiān)控管理系統(tǒng)，它是Sie-mens公司在過程自動化領(lǐng)域中的先進技術(shù)和微軟公司強大軟件功能相結(jié)合的產(chǎn)物，是世界上第一個集成的人機界面（HMI）軟件系統(tǒng)。它真實的將工廠控制軟件集成到自動化過程中。本文介紹的過程監(jiān)控系統(tǒng)共需要處理130個數(shù)字量輸入點、54個數(shù)字量輸出點、37個模擬量輸入點和8個模擬量輸出點，下面就該系統(tǒng)的控制要求作簡要概述：

（1）在生產(chǎn)過程中，存在大量的物理量，如壓力、溫度、流量等模擬量參數(shù)。需要通過PLC對這些參數(shù)進行實時采集和處理。

（2）石灰生產(chǎn)過程自動控制，即實現(xiàn)整個上料和出料過程的全自動控制，進行故障診斷，并在監(jiān)控畫面上顯示上料批次以及出料時間。

（3）煤氣加壓站和空氣加壓站的控制，煤氣流量、煤氣壓力、空氣流量和空氣壓力采用手操器控制，確保煤氣和空氣以一定的比例混合，使得窯內(nèi)的氣體燃燒的更充分，并對其故障實現(xiàn)實時報警和連鎖停機控制。
根據(jù)以上的控制要求，下面我們將詳述為滿足石灰窯過程監(jiān)控系統(tǒng)所需要的硬件和軟件組態(tài)。

2 硬件組態(tài)
　　為了滿足上面提到的石灰窯過程監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求，在本文中我們采用西門子公司的S7-300可編程控制器，S7-300采用模塊化設(shè)計，在一塊機架底板上可安裝電源、CPU、I/O模板、通信處理器CP等模塊，并且可以通過接口模塊實現(xiàn)多個機架的擴展工作方式。根據(jù)要求本系統(tǒng)所選用的硬件如下所示：
（1）研華的工業(yè)控制計算機（IPC），操作系統(tǒng)為Windows 2000 Professional,采用Pentium Ⅳ處理器，2.66GHz主頻，256M內(nèi)存，40G硬盤;
（2）Siemens SIMATIC PLC S7-300,CPU 314;
（3）Siemens SIMATIC 8*12bit的模擬量輸入模塊5塊；
（4）Siemens SIMATIC 4*12bit的模擬量輸出模塊2塊；
（5）Siemens SIMATIC 32bit的數(shù)字量輸入模塊10塊；
（6）Siemens SIMATIC 32bit的數(shù)字量輸出模塊1塊，16bit的數(shù)字量輸出模塊1塊；
　　組態(tài)的主要工作是完成硬件型號參數(shù)設(shè)置、通訊模式選擇、設(shè)定總線地址、傳輸方式、數(shù)據(jù)通訊方式等。使用西門子PLC專用編程軟件STEP 7進行組態(tài)。具體的組態(tài)過程是這樣的：打開SIMATIC Manager,進入STEP 7，創(chuàng)建一個STEP 7項目，新建S7-300工作站。選中某個站的Hardware并雙擊，打開硬件組態(tài)程序HW config,根據(jù)上面所選的硬件進行組態(tài)，基于硬件的組態(tài)圖如圖1所示。在這里要注意，由于S7－300采用的是固定槽編址，如電源模塊PS 307 10A放在表中的一號槽位上，CPU插入二號槽位，三號槽位為接口模塊保留，本系統(tǒng)中用的接口模塊是IM365,從四號槽位開始可以插入最多八個信號模塊（SM）、通訊處理器（CP）或功能模塊（FM）,每個模塊的地址在組態(tài)硬件下面的模塊信息窗口中顯示。

圖1. PLC的硬件組態(tài)圖

3 軟件組態(tài)
　　在本系統(tǒng)中，上位機用SIMATIC WinCC V5.0組態(tài)軟件，下位機用SIMATIC STEP 7 V5.1編程實現(xiàn)。下面將分兩部分詳細介紹軟件組態(tài)。

3.1 人機界面（HMI）組態(tài)
　　在上位機上用WinCC軟件設(shè)計了標準的人機界面，主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：
（1）工藝流程圖：如圖2所示，在該畫面中通過編程實現(xiàn)動態(tài)模擬顯示整個石灰窯的現(xiàn)場上料和出料過程，并且在窯體上實時顯示了各燃燒帶的溫度，以便于操作者能及時準確的掌握窯內(nèi)的燃燒情況。能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備的故障進行實時診斷。

（2）手操器的操作與對現(xiàn)場儀表的監(jiān)控：手操器有手動和自動兩種工作方式，在設(shè)備安裝調(diào)試階段一般用手動操作方式，進入正常運作時常用自動方式，以實現(xiàn)對一些重要的模擬量數(shù)據(jù)的精確控制，自動調(diào)節(jié)程序由PID閉環(huán)控制回路完成。

（3）報警記錄：對于如煤氣流量、壓力等一些重要的模擬量輸入?yún)?shù)進行實時報警，當(dāng)處于監(jiān)控下的任何一個變量超出預(yù)先設(shè)定的安全值時，報警燈就會立即閃爍，同時會自動彈出一個報警對話框，在該對話框中操作者可以檢查報警超出的范圍以及錯誤的出處，并對此采取相應(yīng)的措施。

（4）歷史趨勢：在此畫面中除了實時顯示變量的變化趨勢，操作員還可以檢查過去的過程數(shù)據(jù)記錄，通過對過去歷史趨勢的比較進而可以對變量未來的發(fā)展趨勢做進一步的預(yù)測。


圖2. 石灰窯監(jiān)控系統(tǒng)的工藝主畫面

　　下面就Wincc的開發(fā)過程中的編程技巧作簡要概述，由于Wincc提供嵌入式C語言編程，用戶可以編程實現(xiàn)特殊的功能。比如在Wincc系統(tǒng)組態(tài)編程中，Tag是核心概念，我們把它理解為一個外部數(shù)據(jù)，可以和下位機的一個內(nèi)存地址單元同步更新，稱為過程Tag；也可以作為Wincc系統(tǒng)組態(tài)編程的一個全局變量，稱為內(nèi)部Tag（Internal Tag）。因此，上位機和下位機的數(shù)據(jù)通訊是通過過程Tag實現(xiàn)的，而不同版本的Wincc軟件提供的過程Tag的最大數(shù)量有限，在這里過程Tag的數(shù)量越多當(dāng)然價格就越高，考慮實際系統(tǒng)的性價比，我們需要在現(xiàn)有的版本基礎(chǔ)上擴展Tag的數(shù)量。當(dāng)需要的工藝參數(shù)超過Wincc版本限制的Tag數(shù)目，可以用嵌入式C語言編程實現(xiàn)多個工藝參數(shù)打包成一個Tag傳送。舉個例子說明一下是如何實現(xiàn)這個過程的，例如，下位機PLC從現(xiàn)場采集到的三個溫度參數(shù)TC-001、TC-002和TC-003,都是16位整數(shù)，分別存放在DB1.DW10、DB1.DW12、DB1.DW14，在Wincc中定義一個過程Tag，命名為PackageTag,類型為32位整數(shù)，地址為DB1.DBD10,再定義三個內(nèi)部Tag，名稱同上，在Global Script中C語言編程如下：
Union
{
long Dword;
int Word[3];
}Union;
Union.Dword=GetTagDWord(“PackageTag”);
SetTagWord(“TC-001”,Union.Word[0]);
SetTagWord(“TC-002”,Union.Word[1]); SetTagWord(“TC-003”,Union.Word[2]);
這樣三個參數(shù)就可以通過一個過程Tag傳送上來了。理論上，只要下位機的內(nèi)存足夠，可以傳送任意數(shù)量的參數(shù)而不受Wincc版本的限制。

3.2 PLC編程
　　系統(tǒng)控制軟件由主程序和多個子程序模塊組成的，它是以Siemens SIMATIC S7 STEP7 V5.0編程軟件為開發(fā)環(huán)境，STEP 7一般有三種編程方式，即LAD、STL和FBD,本文中采用的是梯形圖方式編程。本系統(tǒng)中現(xiàn)場設(shè)備都有兩種工作方式，即手動和自動方式。下面用STEP 7實現(xiàn)整個上料系統(tǒng)的自動控制，圖3為上料部分在自動工作方式下的主流程圖。
　　PLC的一個顯著特點就是進行邏輯控制，可以把這種控制有效的應(yīng)用在處理模擬量數(shù)據(jù)中，如模擬量數(shù)據(jù)的采集與變送。對于象溫度、壓力、流量等這樣的模擬量輸入輸出參數(shù)必須實時在線采集和測量，檢測部分由一次儀表構(gòu)成，即測量溫度的熱電偶或熱電阻，測量流量的孔板，測量壓力的電動差壓變送器或壓力變送器等。信號處理部分包括變送器、轉(zhuǎn)換器、變換器等，作用是將傳感器的輸出信號進行放大、線性化、轉(zhuǎn)換等處理后，變換成標準信號輸出給PLC,在本文中經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換的信號為4－20mA的標準的電流信號輸出。


圖3. 石灰窯自動上料部分的主流程圖

4 通訊方式
　　為了滿足在單元層和現(xiàn)場層的不同要求，SIEMENS提供了下列網(wǎng)絡(luò)：①MPI方式，MPI網(wǎng)絡(luò)可用于單元層，它是SIMATIC S7,M7和C7的多點接口，MPI從根本上是一個PG接口，它被設(shè)計用來連接PG和OP（人－機接口）。②工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet）是一個用于工廠管理和單元層的通訊系統(tǒng)，被設(shè)計為對時間要求不嚴格用于傳輸大量數(shù)據(jù)的通訊系統(tǒng)，可以通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備來連接遠程網(wǎng)絡(luò)。③工業(yè)現(xiàn)場總線（PROFIBUS）是用于單元層和現(xiàn)場層的通訊系統(tǒng)，主要有用于對時間要求嚴格的PROFIBUS DP，用于智能主機和現(xiàn)場設(shè)備間的循環(huán)的數(shù)據(jù)交換。④點到點連接（Point-to-point connections）最初用于對時間要求不嚴格的數(shù)據(jù)交換，可以連接兩個站或連接下列設(shè)備到PLC，如OP,打印機，條碼掃描器等。根據(jù)本系統(tǒng)的特點，我們選用MPI通訊方式，MPI連接的優(yōu)點是CPU可以同時與多個設(shè)備建立通訊聯(lián)系，即編程器、HMI設(shè)備和其他的PLC可以連接在一起并同時運行。無需另外編寫通訊程序，MPI接口通過西門子公司的CP5611網(wǎng)卡與上位機通訊，它的主要特性為：采用RS485物理接口；傳輸率為187.5Kbps;兩個相鄰節(jié)點之間的最大連接距離為50m。

5 結(jié)論
　　本文討論了基于PLC的石灰窯過程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。本控制系統(tǒng)已在生產(chǎn)線上得到實際使用,為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟效益和良好的社會效益。在該系統(tǒng)中PLC控制充分發(fā)揮了其配置靈活、控制可靠、編程方便和可現(xiàn)場調(diào)試的優(yōu)點，給整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來較大的益處。 這種方法對其它生產(chǎn)線或設(shè)備的控制有一定的參考作用。

參考文獻：
1.SIEMENS 公司.STEP7 V5.1 編程手冊，2002.
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Industrial Technology, 2002. IEEE ICIT 02. 2002 IEEE International Conference on , Volume: 2 , 11-14 Dec. 2002
Pages:827 - 832 vol.2
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