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周化兵

1  前言
為了貫徹產業(yè)政策，優(yōu)化產品結構，降低成本和防止環(huán)境污染，馬鋼公司決定將第一煉鋼廠的平爐―模鑄―初軋開坯生產工藝改造成轉爐―連鑄工藝。最終形成鐵水預處理―復吹轉爐―爐外精煉―連鑄―連軋的短流程先進生產工藝路線。
馬鋼第一煉鋼廠設計建設兩座95噸頂?shù)讖秃洗笛鯕廪D爐以及與之配套的主、副原料系統(tǒng)，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(tǒng)。其中汽化冷卻系統(tǒng)與轉爐煉鋼密不可分，降低成本和實現(xiàn)負能煉鋼主要取決于該系統(tǒng)。該系統(tǒng)要求自動化程度高，涉及到大量的切斷閥、泵組等按照一定的程序時間和邏輯關系的定時開、停操作，以及根據(jù)工藝要求對溫度、壓力、流量、液位的閉環(huán)控制。根據(jù)上述控制任務和特點，該廠采用了美國通用公司的GE FANUC 90-30PLC保證工藝設備長期安全、可靠的運行。PLC及其網(wǎng)絡以接口簡單、組態(tài)方便、編程容易、實時性強而廣泛應用于自動化控制系統(tǒng)中。下面詳細介紹PLC系統(tǒng)的硬件結構和程序設計。
2  控制系統(tǒng)結構
2.1  系統(tǒng)構成
汽化冷卻系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示。整個控制系統(tǒng)由操作員站、90-30PLC、遠程I/O模塊及現(xiàn)場設備組成。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(tǒng)為中文WINDOWS NT4.0。PLC系統(tǒng)由電源模塊、CPU模塊（集成100M以太網(wǎng)接口）、Genis網(wǎng)卡以及各種專用的I/O模塊組成。
 

圖1  硬件結構簡圖

在這個控制系統(tǒng)中有兩種網(wǎng)絡：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公司開發(fā)的現(xiàn)場總線型網(wǎng)絡，PLC則采用現(xiàn)場分布式I/O，即Genius Field Control現(xiàn)場I/O。Genius網(wǎng)是GE FANUC最具特色的PLC網(wǎng)絡通訊方式，傳輸速率為153.6Kbps，每個網(wǎng)可最多掛31個遠程站，配置靈活、功能強大，在現(xiàn)場操作室設置遠程站，可節(jié)約大量的信號和控制電纜，不僅簡化了外部管線，節(jié)省投資，也進一步提高了系統(tǒng)的可靠性，滿足煉鋼現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集。
2.2  系統(tǒng)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，操作畫面友好、直觀并提供了豐富的在線幫助。
上位機監(jiān)控軟件選用了GE FANUC公司的Cimplicity4.0監(jiān)控軟件包，用戶可以利用它提供的各種功能在操作員站上對汽化整個生產過程的運行參數(shù)和設備狀態(tài)進行集中監(jiān)控。
3  控制系統(tǒng)的功能及編程實現(xiàn)
3.1  控制模式
對現(xiàn)場設備的控制模式包括以下三種方式：
①  就地手動操作方式 現(xiàn)場機旁操作箱的選擇開關切換到“機旁”方式。單體設備由機旁操作箱的按鈕直接控制開、關，但命令和設備的狀態(tài)都進入PLC中。
②  PLC遠程手動操作 現(xiàn)場機旁操作箱的選擇開關切換到“自動”方式。操作人員用操作員站的鼠標及鍵盤直接操作設備的啟、停。這種操作方式使操作人員不用到現(xiàn)場就可控制設備，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  自動操作方式 對汽化冷卻系統(tǒng)的泵組，各種調節(jié)閥、切斷閥動作的控制，都由PLC按照預先編制的程序自動進行，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，同時降低了操作人員的勞動強度。
3.2  編程實現(xiàn)
汽化冷卻系統(tǒng)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(guī)儀表控制系統(tǒng)。現(xiàn)代編程技術要求模塊化，汽化冷卻系統(tǒng)的控制程序如圖2所示。下面對各種模塊功能作一簡要說明：
 

圖2  汽化冷卻系統(tǒng)控制程序框圖

①  初始化模塊 PLC的所有寄存器清零，現(xiàn)場設備預設的操作方式。
②  接收連鎖數(shù)據(jù)的通訊模塊 汽化冷卻系統(tǒng)作為轉爐系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，接收煉鋼PLC發(fā)送的允許啟動和緊急停止的連鎖信號。
③  模擬量數(shù)據(jù)的處理模塊 對所檢測到的溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)進行工程轉換，并用上位機顯示。上下限報警處理。
④  儀控系統(tǒng)連鎖處理模塊 對系統(tǒng)各主體設備進行監(jiān)視，根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)加以處理，保障設備的安全性。
⑤  儀控系統(tǒng)自動控制模塊 處理PID控制回路的手/自動無擾切換，PID控制參數(shù)的整定。汽化冷卻系統(tǒng)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(xiàn)場的設備狀態(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(jù)現(xiàn)場設備的狀態(tài)，進行設備間的邏輯關系處理。
⑧  電氣設備驅動模塊 根據(jù)電氣設備邏輯處理模塊的結果，控制MCC柜的動作。驅動電氣設備。
⑨  發(fā)送的連鎖數(shù)據(jù)處理模塊 發(fā)送汽化冷卻系統(tǒng)到煉鋼PLC的允許吹氧和緊急停止的連鎖信號。
3.3  操作監(jiān)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  提供工藝過程參數(shù)流程圖，模擬量顯示值，設備操作子畫面，用醒目顏色表示的設備狀態(tài) 據(jù)此操作人員對整個工藝和設備有一個詳細和形象的了解，并可通過鼠標及鍵盤直接操作現(xiàn)場設備。
②  系統(tǒng)報警信號登錄 登錄數(shù)據(jù)可供工藝人員及控制系統(tǒng)的設計人員參考，以及分析設備的運行情況，進一步改進控制方案，提高系統(tǒng)的運行效率。以顏色閃爍等形式提醒操作人員，保證生產安全，同時給出可能的故障原因及解決方法。
③  實時趨勢及歷史趨勢 對主要的過程參數(shù)編制實時趨勢和歷史趨勢，存儲為表格形式，便于對故障進行分析和優(yōu)化工藝參數(shù)的設定計算。
④  開機直接進入監(jiān)控主畫面和退出監(jiān)控系統(tǒng)的口令保護 避免無關人員隨意進出監(jiān)控畫面。
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
汽化冷卻控制系統(tǒng)包括各種水泵的MCC控制系統(tǒng)、儀控單回路控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、汽包的三沖量控制系統(tǒng)。控制對象多，處理數(shù)據(jù)量大，設備安全要求高。該套PLC控制系統(tǒng)自2001年投入運行以來，充分體現(xiàn)了PLC集順序控制和過程控制于一體的特點，使用方便、靈活、組網(wǎng)簡單、可靠性高。在實時性、精確性和可靠性方面，系統(tǒng)都達到了設計要求。現(xiàn)轉爐產量已達到設計生產能力7.5萬噸/月。據(jù)有關資料顯示，轉爐煉鋼成本比平爐煉鋼成本每噸降低367.37元，年節(jié)約成本3.30633億元，因此，本套系統(tǒng)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。