周化兵

1  前言
為了貫徹產(chǎn)業(yè)政策，優(yōu)化產(chǎn)品結構，降低成本和防止環(huán)境污染，馬鋼公司決定將第一煉鋼廠(chǎng)的平爐―模鑄―初軋開(kāi)坯生產(chǎn)工藝改造成轉爐―連鑄工藝。最終形成鐵水預處理―復吹轉爐―爐外精煉―連鑄―連軋的短流程先進(jìn)生產(chǎn)工藝路線(xiàn)。
馬鋼第一煉鋼廠(chǎng)設計建設兩座95噸頂底復合吹氧氣轉爐以及與之配套的主、副原料系統，爐外精煉；汽化冷卻，煤氣凈化回收、二次除塵，連鑄和能源公輔設施等系統。其中汽化冷卻系統與轉爐煉鋼密不可分，降低成本和實(shí)現負能煉鋼主要取決于該系統。該系統要求自動(dòng)化程度高，涉及到大量的切斷閥、泵組等按照一定的程序時(shí)間和邏輯關(guān)系的定時(shí)開(kāi)、停操作，以及根據工藝要求對溫度、壓力、流量、液位的閉環(huán)控制。根據上述控制任務(wù)和特點(diǎn)，該廠(chǎng)采用了美國通用公司的GE FANUC 90-30PLC保證工藝設備長(cháng)期安全、可靠的運行。PLC及其網(wǎng)絡(luò )以接口簡(jiǎn)單、組態(tài)方便、編程容易、實(shí)時(shí)性強而廣泛應用于自動(dòng)化控制系統中。下面詳細介紹PLC系統的硬件結構和程序設計。
2  控制系統結構
2.1  系統構成
汽化冷卻系統的控制系統的硬件結構如圖1所示。整個(gè)控制系統由操作員站、90-30PLC、遠程I/O模塊及現場(chǎng)設備組成。操作員站采用PⅢ系列工控機，內存128M、100M以太網(wǎng)卡、21寸PHILIPS純平彩色顯示器。操作系統為中文WINDOWS NT4.0。PLC系統由電源模塊、CPU模塊（集成100M以太網(wǎng)接口）、Genis網(wǎng)卡以及各種專(zhuān)用的I/O模塊組成。
 

圖1  硬件結構簡(jiǎn)圖

在這個(gè)控制系統中有兩種網(wǎng)絡(luò )：GE工業(yè)以太網(wǎng)和Genius網(wǎng)，GE工業(yè)以太網(wǎng)用于操作員站與PLC的通訊，該網(wǎng)絡(luò )支持標準的TCP/IP協(xié)議，傳輸速率為10Mbps，硬件通用性好。Genius網(wǎng)是GE公司開(kāi)發(fā)的現場(chǎng)總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )，PLC則采用現場(chǎng)分布式I/O，即Genius Field Control現場(chǎng)I/O。Genius網(wǎng)是GE FANUC最具特色的PLC網(wǎng)絡(luò )通訊方式，傳輸速率為153.6Kbps，每個(gè)網(wǎng)可最多掛31個(gè)遠程站，配置靈活、功能強大，在現場(chǎng)操作室設置遠程站，可節約大量的信號和控制電纜，不僅簡(jiǎn)化了外部管線(xiàn)，節省投資，也進(jìn)一步提高了系統的可靠性，滿(mǎn)足煉鋼現場(chǎng)的數據采集。
2.2  系統軟件
PLC的編程軟件是VersaProV11軟件包，具有強大的編程和組態(tài)功能，操作畫(huà)面友好、直觀(guān)并提供了豐富的在線(xiàn)幫助。
上位機監控軟件選用了GE FANUC公司的Cimplicity4.0監控軟件包，用戶(hù)可以利用它提供的各種功能在操作員站上對汽化整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的運行參數和設備狀態(tài)進(jìn)行集中監控。
3  控制系統的功能及編程實(shí)現
3.1  控制模式
對現場(chǎng)設備的控制模式包括以下三種方式：
①  就地手動(dòng)操作方式 現場(chǎng)機旁操作箱的選擇開(kāi)關(guān)切換到“機旁”方式。單體設備由機旁操作箱的按鈕直接控制開(kāi)、關(guān)，但命令和設備的狀態(tài)都進(jìn)入PLC中。
②  PLC遠程手動(dòng)操作 現場(chǎng)機旁操作箱的選擇開(kāi)關(guān)切換到“自動(dòng)”方式。操作人員用操作員站的鼠標及鍵盤(pán)直接操作設備的啟、停。這種操作方式使操作人員不用到現場(chǎng)就可控制設備，是就地控制按鈕的延伸，一般只用于調試，維修及緊急備用。
③  自動(dòng)操作方式 對汽化冷卻系統的泵組，各種調節閥、切斷閥動(dòng)作的控制，都由PLC按照預先編制的程序自動(dòng)進(jìn)行，不需要操作人員的干預。該種操作方式克服了各種人為因素的干擾，準確可靠，同時(shí)降低了操作人員的勞動(dòng)強度。
3.2  編程實(shí)現
汽化冷卻系統既包括泵組等電氣設備的MCC柜控制，又包括大量的模擬量的常規儀表控制系統?，F代編程技術(shù)要求模塊化，汽化冷卻系統的控制程序如圖2所示。下面對各種模塊功能作一簡(jiǎn)要說(shuō)明：
 

圖2  汽化冷卻系統控制程序框圖

①  初始化模塊 PLC的所有寄存器清零，現場(chǎng)設備預設的操作方式。
②  接收連鎖數據的通訊模塊 汽化冷卻系統作為轉爐系統的一個(gè)子系統，接收煉鋼PLC發(fā)送的允許啟動(dòng)和緊急停止的連鎖信號。
③  模擬量數據的處理模塊 對所檢測到的溫度、壓力、流量、液位等工藝參數進(jìn)行工程轉換，并用上位機顯示。上下限報警處理。
④  儀控系統連鎖處理模塊 對系統各主體設備進(jìn)行監視，根據檢測的數據加以處理，保障設備的安全性。
⑤  儀控系統自動(dòng)控制模塊 處理PID控制回路的手/自動(dòng)無(wú)擾切換，PID控制參數的整定。汽化冷卻系統的控制回路包括單回路、串級、汽包水位三沖量。
⑥  設備狀態(tài)的處理模塊 檢測現場(chǎng)的設備狀態(tài)，判斷設備是否在故障狀態(tài)，用作報警。
⑦  電氣設備邏輯處理模塊 根據現場(chǎng)設備的狀態(tài)，進(jìn)行設備間的邏輯關(guān)系處理。
⑧  電氣設備驅動(dòng)模塊 根據電氣設備邏輯處理模塊的結果，控制MCC柜的動(dòng)作。驅動(dòng)電氣設備。
⑨  發(fā)送的連鎖數據處理模塊 發(fā)送汽化冷卻系統到煉鋼PLC的允許吹氧和緊急停止的連鎖信號。
3.3  操作監視
操作員站采用GE公司Cimplicity 4.0工業(yè)控制軟件編制人機界面。該操作站主要功能有：
①  提供工藝過(guò)程參數流程圖，模擬量顯示值，設備操作子畫(huà)面，用醒目顏色表示的設備狀態(tài) 據此操作人員對整個(gè)工藝和設備有一個(gè)詳細和形象的了解，并可通過(guò)鼠標及鍵盤(pán)直接操作現場(chǎng)設備。
②  系統報警信號登錄 登錄數據可供工藝人員及控制系統的設計人員參考，以及分析設備的運行情況，進(jìn)一步改進(jìn)控制方案，提高系統的運行效率。以顏色閃爍等形式提醒操作人員，保證生產(chǎn)安全，同時(shí)給出可能的故障原因及解決方法。
③  實(shí)時(shí)趨勢及歷史趨勢 對主要的過(guò)程參數編制實(shí)時(shí)趨勢和歷史趨勢，存儲為表格形式，便于對故障進(jìn)行分析和優(yōu)化工藝參數的設定計算。
④  開(kāi)機直接進(jìn)入監控主畫(huà)面和退出監控系統的口令保護 避免無(wú)關(guān)人員隨意進(jìn)出監控畫(huà)面。
⑤  中央控制室三臺操作站完全冗余 部分操作員站在死機等緊急情況下可以互為備用操作。
4  結語(yǔ)
汽化冷卻控制系統包括各種水泵的MCC控制系統、儀控單回路控制系統、串級控制系統、汽包的三沖量控制系統?？刂茖ο蠖?，處理數據量大，設備安全要求高。該套PLC控制系統自2001年投入運行以來(lái)，充分體現了PLC集順序控制和過(guò)程控制于一體的特點(diǎn)，使用方便、靈活、組網(wǎng)簡(jiǎn)單、可靠性高。在實(shí)時(shí)性、精確性和可靠性方面，系統都達到了設計要求?，F轉爐產(chǎn)量已達到設計生產(chǎn)能力7.5萬(wàn)噸/月。據有關(guān)資料顯示，轉爐煉鋼成本比平爐煉鋼成本每噸降低367.37元，年節約成本3.30633億元，因此，本套系統的使用對馬鋼降低煉鋼成本、提高整體經(jīng)濟效益起到了舉足輕重的作用。