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引言:

    合鋼3#高爐熱風爐控制系統是高爐自動化系統工程中基礎自動化子系統,其運行的安全可靠性，直接影響高爐煉鐵的正常運行。原熱風爐系統工藝流程簡單，設備自動化程度不高，控制方式落后，使得熱風爐的熱效率、熱風溫度大大降低，并影響熱風爐設備的工作能力。因此，對該系統進行了工藝流程以及控制設備的改造。改造后的合鋼3#高爐熱風爐系統是由3座高溫大型外燃式熱風爐組成,輪流交替地燃燒和送風,為高爐煉鐵提供連續不斷的高溫助燃空氣。控制系統選用PLC控制方式，以西門子公司的S7-400 PLC作為控制計算機，穩定可靠、功能強大且自動化程度大大提高。以西門子公司的WinCC軟件平臺為基礎的監控系統能夠實時監控系統的運行狀態并及時作出反饋顯示。其他控制及監測設備均選用國內外著名品牌，提高了系統的可靠性。

1 系統介紹

    高爐是鋼鐵工業生產生鐵的機組，它需鼓進熱風來燃燒焦碳以把鐵礦石還原成鐵水，熱風爐的作用是把鼓風加熱到要求的溫度，在燃燒室里燃燒煤氣，高溫廢氣通過格子磚并使之蓄熱，當格子磚充分加熱后熱風爐就可改為送風，冷風經格子磚被加熱并送出。其布置圖如圖1。

    其工藝流程主要由送風系統和燃燒系統構成。熱風爐的操作包括兩個部分，即燃燒控制和自動換爐。整個系統裝置主要由熱風爐、預熱器、助燃風機等工藝設備組成。并以高爐煤氣為燃料，同時采用了雙預熱系統，以提高燃燒介質的物理熱。每座熱風爐配備有復雜的閥門系統，用以控制燃燒和送風過程。

2   系統組成

2.1  硬件
    熱風爐監控系統采用上位機和下位機組成。上位機使用研華工控機，工控機的具體配置為：Pentium IV處理器，2.66GHz主頻，512MB內存，80GB硬盤，Windows 2000操作系統，21英寸PHILIPS CRT。PLC程序的開發以及將軟件通過串口傳送至PLC的CPU單元。下位機采用功能強大、可靠性高、維護方便且抗干擾能力強的可編程控制器SIMATIC S7-400作控制站，該產品作為新一代的產品，具有高速的指令處理、容易擴展和廣泛的通訊能力。該主站通過PROFIBUS-DP連接3個ET200M遠程I/O從站,其中1＃IM153-1機架：八塊模擬量輸入模塊（AI8x12bit 6ES7 331-7KF02-0AB0）；允許輸入的最大輸入電流是40mA，允許輸入的最大輸入電壓是20V，可用于電流測量，接受4～20mA的標準信號。測量范圍可機械設定；微調由編程裝置中的STEP7 的硬件組態功能進行設定。2＃ IM 153-1機架：七塊模擬量輸入模塊（AI8xTC 6ES7 331-7PF10-0AB0）,八路模擬量輸入，用于熱電偶，適合的熱電偶的類型為B、E、J、K、L、N、R、S、T、U；組態方式與AI8x12bit相同。一塊數字量輸出模塊（DO 16xDC24V/0.5A 6ES7 322-1BH01-0AA0）。3＃IM 153-1機架：二塊模擬量輸入模塊（AI8xRTD 6ES7 331-7PF00-0AB0）,八路模擬量輸入，用于熱電阻，適合的熱電阻類型為PT100、PT200、PT500、PT1000、Ni100、Ni120、Ni200、Ni500、Ni1000、Cu10；三塊模擬量輸出模塊（AO4x12bit 6ES7 332-5HD01-0AB0）,四路模擬量輸出，當輸出為有符號數時（±10V,±20mA），分辨率為11位+符號位，當輸出為無符號數時（4-20mA，1-5V）分辨率為12位；二塊數字量輸入模塊（DI 16xDC24V 6ES7 321-1BH02-0AA0），有十六路開關量輸入通道。 

2.2 軟件
    PLC控制軟件采用Siemens公司的STEP7軟件開發，它是用于SIMATIC S7-300／400和基于PC控制產品的組態、編程和維護的標準軟件包。STEP7中集成的SIMATIC編程語言和語言表達式符合EN61161-3或IEC1131-3的標準。通過STEP7，用戶可以進行系統配置和程序的編寫、調試；在線診斷PLC硬件配置狀態；控制PLC的運行狀態 和I／O通道的狀態等。    
     工業控制組態軟件是可以從可編程控制器、各種數據采集卡等設備中實時采集數據，發出控制命令并監控系統運行是否正常的一種軟件包，組態軟件能充分利用Windows強大的圖形編輯功能，以動畫方式顯示監控設備的運行狀態，方便地構成監控畫面和實現控制功能，并可以生成報表、歷史數據庫等，為工業監控軟件開發提供了便利的軟件開發平臺，從整體上提高了工控軟件的質量。Siemens公司的WinCC V6.0是基于32位操作系統 Windows2000或Windows NT的面向對象的開放式的HMI軟件，提供了基于全面開放式接口的解決方案，具有標準的應用程序接口。它提供了各種PLC的驅動軟件，和STEP7結合使用大幅度降低了工程時間。

2.3 通信
    熱風爐過程控制站主要完成對3座熱風爐富氧系統及預熱器各工藝參數的數據采集和控制,包括熱風爐爐頂溫度、熱風爐冷風流量、煤氣的流量、壓力、燒嘴、廢氣溫度，高爐煤氣流量調節閥等參數的檢測及燃燒配比自動控制；空氣、煤氣預熱器前后溫度、壓力、差壓的檢測及冷風壓力，流量，溫度的檢測和熱風溫度的控制等。一個S7-400主站通過PROFIBUS-DP帶三個ET-200遠程I/O從站.如圖:

    系統網絡結構分為二層，即下層控制網和上層管理網:
    下層控制網采用雙芯屏敝電纜，適合PROFIBUS國際標準。滿足現場信號的采集、處理和控制器的通訊，為PROFIBUS―DP現場通訊網。
    上層管理網分為TCPBP協議的管理以太網，通過OS站、ES站上的網卡連接，主要實現工程師和操作員站之間文件管理。

3 功能實現

    1)顯示功能：工藝流程、設備運行狀態、操作模式、報警等顯示畫面調用等功能；
    2)報警處理和報表生成功能：記錄報警發生時間、故障內容等信息,并對報警信息進行管理，系統輸出的報表有時報、日報、月報等；
    3)歷史趨勢功能：對現場的煤氣壓力、煤氣溫度、閥門開度等以曲線圖形顯示。每個趨勢曲線顯示的畫面主要包括畫面名稱、時間、趨勢、說明等；
    4)數據庫存儲與訪問：實現Access歷史數據庫在每次系統運行時的自動創建并按分鐘級記錄，現場數據的存儲；
    5)畫面系統對系統參數、控制器參數進行修改與儲存，能實現監控系統自動/半自動/手動操作模式間的無擾切換；
    6)管理權限：實現不同級別的系統管理權限，系統操作員可以選擇操作模式，查看趨勢曲線及報表等；系統工程師可以根據實際情況對監控軟件和下位機軟件進行修改。

4 結論語（系統特點）

    本文研究的基于PLC和組態軟件Wincc6.0的熱風爐監控系統利用了PLC抗干擾能力強、組網方便、適用于工業現場的特點,又利用了組態軟件強大數據處理和圖形表現的能力，融合了較先進的自動化技術、計算機技術、通訊技術、故障診斷技術和軟件技術，具有可靠性高、組網簡單、維護容易等特點。目前該系統已經成功的在合鋼應用，效果良好，對熱風爐的運行監控順利開展具有重要意義，同時極大得提高了自動化水平。