摘要：本文主要介紹了西門子S7-400系列PLC在天鐵集團(tuán)石礦廠活性石灰回轉(zhuǎn)窯控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過人機界面和PLC實現(xiàn)電氣設(shè)備的啟停、儀表參數(shù)監(jiān)控等，并通過PROFIBUS總線將其他廠商的電子皮帶秤和變頻器連接到系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：可編程控制器(PLC) 回轉(zhuǎn)窯 過程監(jiān)控 Wincc組態(tài)軟件
一、概述
1.1設(shè)計目標(biāo)
基于“集中管理，分散控制”的模式，數(shù)字化、信息化工程的思想，著眼于企業(yè)“管控一體化”信息系統(tǒng)的建設(shè)，建立一個先進(jìn)、可靠、高效、安全且便于進(jìn)一步擴充的集過程控制、監(jiān)視、管理于一體并且具備良好開放性的監(jiān)控系統(tǒng)，完成對整個工藝過程及全部生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測與自動控制。
1.2項目概述
本項目是天鐵石礦回轉(zhuǎn)窯工程，本工程分二期建設(shè)，一期工程建設(shè)1座600t/d回轉(zhuǎn)窯（于2006年11月投產(chǎn)），二期再建設(shè)1座600t/d回轉(zhuǎn)窯（于2008年5月投產(chǎn)），但相應(yīng)的輔助設(shè)施按2座窯規(guī)模一次建成。其工藝是將運來的石灰石原料送入貯倉，貯倉中的石灰石經(jīng)倉下的振動給料機給出，經(jīng)帶式輸送機轉(zhuǎn)運后送至篩分樓篩分，>18mm的篩上料經(jīng)帶式輸送機送入回轉(zhuǎn)窯中煅燒；而<18mm的篩下料進(jìn)入貯槽暫存后再經(jīng)汽車運出。
篩上料由帶式輸送機送入預(yù)熱器頂部料倉，然后由溜料管將石灰石（白云石）分布到豎式預(yù)熱器內(nèi)預(yù)熱，經(jīng)過預(yù)熱的物料由液壓推桿推出，經(jīng)轉(zhuǎn)運溜槽進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯中，物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)經(jīng)過焙燒分解，熱煙氣進(jìn)入預(yù)熱器。煙氣在預(yù)熱石灰石后經(jīng)過帶式除塵器除塵后由除塵風(fēng)機排入大氣。焙燒好的石灰石進(jìn)入豎式冷卻器，冷卻器的底部送入冷空氣冷卻，通過振動給料機排出至集料斗。冷空氣在冷卻器內(nèi)冷卻物料的同時被加熱，經(jīng)窯頭罩進(jìn)入窯內(nèi)，作為燃料燃燒的二次空氣，回轉(zhuǎn)窯采用煤氣為燃料。
出窯后的石灰經(jīng)帶式輸送機送入成品倉上的振動篩篩分，<3mm的篩下料進(jìn)入碎石灰料倉裝入汽車后外運，而>3mm的篩上料經(jīng)帶式輸送機分別送入石灰貯倉。
窯體裝置和輔助設(shè)備的運行與監(jiān)視將在控制室中實現(xiàn)完全自動化控制，通過人機界面實現(xiàn)電氣設(shè)備的起動和停止、儀表參數(shù)監(jiān)測，被控參數(shù)的閉環(huán)調(diào)節(jié)、控制系統(tǒng)報警和生產(chǎn)過程報警以及數(shù)據(jù)歸檔等功能，使整個回轉(zhuǎn)窯能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)的自動化和管理的自動化，大大減少工人的勞動強度，提高企業(yè)的自動化水平，提高了生產(chǎn)率，并合理的節(jié)省了能源。
二.系統(tǒng)組成
2.1 PLC控制系統(tǒng)
為了保證整個系統(tǒng)安全可靠和生產(chǎn)的連續(xù)性，提高自動化水平，適應(yīng)回轉(zhuǎn)窯工藝要求，并且從該系統(tǒng)I/O測點較多等方面考慮到系統(tǒng)對設(shè)備的硬件條件要求較高以及以往的使用情況，我們采用以西門子S7-400 PLC為核心的集中和分散相結(jié)合的計算機控制系統(tǒng)，由中央控制室、現(xiàn)場PLC控制站、遠(yuǎn)程I/O站組成。
☆中央控制室：設(shè)監(jiān)控計算機、打印機等，負(fù)責(zé)對整個回轉(zhuǎn)窯工藝參數(shù)、電氣參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、管理、歷史數(shù)據(jù)存儲以及報表打印；另外還設(shè)一臺網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，負(fù)責(zé)工控網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)內(nèi)部管理網(wǎng)絡(luò)之間的訪問控制；
☆現(xiàn)場PLC控制站：由帶DP接口CPU模塊（CPU414和CPU416）、以太網(wǎng)模塊（CP443-1）和I/O模塊組成，通過高速、實時的工業(yè)以太網(wǎng)與中央控制室進(jìn)行通訊；
☆遠(yuǎn)程I/O站：由DP從站接口模塊（IM153-1）、I/O模塊、電子皮帶秤和變頻器組成，通過Profibus-DP現(xiàn)場總線與現(xiàn)場PLC控制站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。
該回轉(zhuǎn)窯控制系統(tǒng)由三套（一期兩套、二期一套）西門子PLC的S7-400系統(tǒng)組成。一套S7-414和ET200M遠(yuǎn)程站用于原料工段、循環(huán)水和空壓機站的控制，一套S7-416用于1#窯體和成品工段控制，一套S7-414用于2#窯體控制。主站CPU都放置在主場房內(nèi)，三套PLC系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位監(jiān)控系統(tǒng)通訊實現(xiàn)集中管理分散控制。
S7-400特點：
功能強大的PLC，適用于中高性能控制領(lǐng)域
解決方案滿足最復(fù)雜的任務(wù)要求
功能分級的CPU以及種類齊全的模板，總能為其自動化任務(wù)找到最佳的解決方案
實現(xiàn)分布式系統(tǒng)和擴展通訊能力都很簡便，組成系統(tǒng)靈活自如
用戶友好性強，操作簡單，免風(fēng)扇設(shè)計
隨著應(yīng)用的擴大，系統(tǒng)擴展無任何問題
ET200M站：
接口模塊IM153用于與PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的連接而組成分布式I/O系統(tǒng)，各種I/O模塊插入有源總線模塊內(nèi),可在線更換模塊，實現(xiàn)帶電插拔功能。各分站放置在相應(yīng)的配電室內(nèi)，便于以后進(jìn)行擴展，并且大大減少電纜和工程施工量。
PROFIBUS現(xiàn)場總線：
用于現(xiàn)場控制主站與現(xiàn)場遠(yuǎn)程ET200M分站之間的數(shù)據(jù)通訊，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線，通訊速率為9.6K -12Mbps。
用一根串行的數(shù)字總線替代傳統(tǒng)的并行24V 信號和 4...20 mA 模擬信號；
通過一根雙芯屏蔽電纜連接中央控制器和現(xiàn)場設(shè)備；
對于所有的設(shè)備，只需要一個通用的組態(tài)和工程工具 ；
連接不同廠商的設(shè)備 ；
開放的、不依賴于廠商的現(xiàn)場總線，并符合IEC 61158國際標(biāo)準(zhǔn)。
2. 2 上位監(jiān)控系統(tǒng)
上位機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)一臺工程師站和四臺操作員站，選用原裝研華工業(yè)控制計算機，每臺機器上裝有網(wǎng)絡(luò)通訊卡CP1613，它們各通過工業(yè)以太網(wǎng)與三套S7-400系統(tǒng)的通訊處理器CP443-1通訊口連接，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換。
監(jiān)控組態(tài)軟件不僅有監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）功能，而且有組態(tài)、開發(fā)和開放功能，是自動化系統(tǒng)集成中不可缺少的關(guān)鍵組成部分。我們在此監(jiān)控系統(tǒng)中采用西門子公司的WINCC6.0組態(tài)軟件，WINCC是Windows Control Conter（視窗控制中心）的簡稱，它運行于個人計算機環(huán)境，可以與多種自動化設(shè)備及控制軟件集成，用戶在其友好的界面下進(jìn)行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，可形成所需的操作畫面、監(jiān)控畫面、控制畫面、報警畫面、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報表等。它為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環(huán)境，不僅縮短了軟件設(shè)計周期，而且提高了工作效率。
上位監(jiān)控計算機提供了友好的人機界面。
三、控制系統(tǒng)功能
3.1 控制方式
整個系統(tǒng)控制方式設(shè)計為計算機控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程手動操作（即遠(yuǎn)程手動）、計算機控制系統(tǒng)全自動控制（即遠(yuǎn)程自動）兩種控制方式。兩種方式的級別由高到低依次為遠(yuǎn)程手動、遠(yuǎn)程自動。
☆遠(yuǎn)程手動：通過中控室內(nèi)監(jiān)控計算機實現(xiàn)遠(yuǎn)程手動控制；
☆遠(yuǎn)程自動：根據(jù)工藝要求設(shè)定控制程序，實現(xiàn)對工藝過程的自動控制。
3.2 回轉(zhuǎn)窯調(diào)節(jié)控制
工藝流程是物料經(jīng)加料機連續(xù)向窯尾加料，它隨窯體轉(zhuǎn)動而緩慢的向窯頭移動，并且從窯尾向窯頭移動的過程中，首先經(jīng)過預(yù)熱帶預(yù)熱，然后在900~1100℃的高溫帶煅燒，煅燒好的物料從窯頭下料管落入下部的冷卻機內(nèi)。
☆ 混合煤氣和空氣調(diào)節(jié)
混合煤氣量和空氣量的合理配合是保證回轉(zhuǎn)窯煅燒溫度的關(guān)鍵調(diào)節(jié)，使煤氣量和空氣量能根據(jù)產(chǎn)量和熱值等參數(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。
流量限幅報警，越限報警、無攏動切換、非線性PID調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)儲存。該系統(tǒng)故障率低，運行可靠，可使燃燒更趨合理，焙燒溫度穩(wěn)定，并能大幅度降低煤氣單耗，改善勞動條件，提高安全性。
☆窯尾溫度和負(fù)壓自動控制
回轉(zhuǎn)窯在正常的生產(chǎn)中，窯內(nèi)始終保持負(fù)壓，窯頭的負(fù)壓要求保持在2mmH2O柱以上?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)負(fù)壓的大小對窯內(nèi)溫度控制有較大的影響。負(fù)壓過大，窯內(nèi)抽力增大，窯內(nèi)的細(xì)粉將被抽光，導(dǎo)致燃燒效率下降;負(fù)壓過小，會造成回轉(zhuǎn)窯內(nèi)外壓差小，使窯頭窯尾冒煙，惡化操作環(huán)境，也會使窯內(nèi)廢氣流動緩慢，造成窯內(nèi)混濁不清，窯內(nèi)溫度難以控制。通過調(diào)節(jié)窯尾的溫度，使窯尾溫度基本穩(wěn)定。
☆ 物料給料定量控制
為了保證焙燒質(zhì)量，要求回轉(zhuǎn)窯的給料量穩(wěn)定、均勻和連續(xù)。只有給料量連續(xù)、均勻、穩(wěn)定，才能保證熱工制度穩(wěn)定，也才能保證焙燒質(zhì)量穩(wěn)定。
回轉(zhuǎn)窯屬于大慣性負(fù)載生產(chǎn)設(shè)備，料在窯內(nèi)移動速度對回轉(zhuǎn)窯的焙燒質(zhì)量和生產(chǎn)能力都有很大的影響。焙燒物料在窯內(nèi)移動速度太快，物料在窯內(nèi)停留時間短，得不到充分加熱，焙燒質(zhì)量差; 若移動速度太慢，將會使焙燒損失增大，降低回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)能力。物料的移動速度與窯體的傾斜度、窯體內(nèi)徑尺寸、窯體轉(zhuǎn)動速度、窯內(nèi)料層斷面和窯中心的圓心角等因素有關(guān)。
窯內(nèi)的工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)是整個窯生產(chǎn)水平的關(guān)鍵，工藝參數(shù)調(diào)節(jié)包括窯的轉(zhuǎn)速、煤氣流量、一二次風(fēng)流量、引風(fēng)機液偶開度和摻冷風(fēng)閥等，所有工藝參數(shù)調(diào)節(jié)的性能指標(biāo)都能很好的達(dá)到要求。
四、 系統(tǒng)特點
本系統(tǒng)以PLC和監(jiān)控計算機為核心，以工業(yè)以太網(wǎng)作為系統(tǒng)骨干網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場PLC控制站和監(jiān)控計算機連接起來，構(gòu)成一個分布式控制系統(tǒng)。
本系統(tǒng)具有如下特點：
☆先進(jìn)性
本系統(tǒng)不僅采用了先進(jìn)的軟、硬件，而且著眼于企業(yè)“管控一體化”的需求，貫徹了數(shù)字化、信息化的先進(jìn)思想，使企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步智能應(yīng)用成為現(xiàn)實。該方案使控制系統(tǒng)有機地成為企業(yè)整個IT架構(gòu)的一部分。
☆高可靠性
控制系統(tǒng)在嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)境下長期、穩(wěn)定地運行。系統(tǒng)組件的的設(shè)計符合真正的工業(yè)等級，滿足國內(nèi)、國際的安全標(biāo)準(zhǔn)。并且易配置、易接線、易維護(hù)、隔離性好，結(jié)構(gòu)堅固，抗腐蝕，適應(yīng)較寬的溫度變化范圍。
現(xiàn)場控制站的PLC能夠在惡劣的環(huán)境中長期可靠運行，平均無故障間隔時間（MTBF）5年。
☆強大的功能
PLC的編程語言符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，易學(xué)、易懂、易用。
CPU內(nèi)置軟PID，并提供了豐富的指令集及函數(shù)庫，用戶直接調(diào)用。
高速工業(yè)以太網(wǎng)作為系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸、高度數(shù)據(jù)共享。
組態(tài)軟件圖庫豐富，網(wǎng)絡(luò)功能強大，報警、報表、歷史數(shù)據(jù)以及二次開發(fā)功能完善而易用。
☆優(yōu)良的開放性
TCP/IP協(xié)議是目前開放性最好的協(xié)議，可以輕松進(jìn)行系統(tǒng)擴展。
組態(tài)軟件支持DDE、OPC、ODBC、SQL，且提供豐富的API編程接口，同時也為世界各大廠商，如Modicon、Siemens、AB、GE、Omron等的設(shè)備提供了完善的驅(qū)動程序庫，從而可以將其它系統(tǒng)輕松接入本系統(tǒng)。
五、 結(jié)束語
本控制系統(tǒng)自投產(chǎn)以來一直運行穩(wěn)定,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、編程方便和功能強大的優(yōu)點，給整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來較大的益處。
