PLC和WinCC系統(tǒng)在環(huán)形加熱爐中的應(yīng)用
本文采用了西門子S7-300系統(tǒng)和WinCC系統(tǒng)及模糊控制技術(shù)設(shè)計(jì)了環(huán)形加熱爐的軟硬件控制系統(tǒng)，運(yùn)行表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理有效。
環(huán)形加熱爐是無縫鋼管生產(chǎn)的第一環(huán)節(jié)，其加熱質(zhì)量直接影響到鋼管的質(zhì)量，其能耗和氧化燒結(jié)直接影響鋼管的成本。因此，保證環(huán)形加熱爐的最佳生產(chǎn)狀況和爐溫自動(dòng)控制是關(guān)鍵。
由于該爐體控制變量較多，用常規(guī)的控制控制方法很難達(dá)到要求。鑒于此，我們采用基于PLC的模糊控制技術(shù)，以德國西門子公司的S7-300PLC作為控制器，其穩(wěn)定可靠功能強(qiáng)大。
以西門子公司W(wǎng)inCC軟件為平臺開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠及時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行并做出反饋顯示。整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，運(yùn)行穩(wěn)定。本文就此控制系統(tǒng)的軟硬件組成予以介紹。
1 環(huán)形加熱爐工藝流程及控制要求
1.1 主要工藝流程：
（1）管坯首先在爐前輥道上進(jìn)行稱重定位，滿足裝鋼條件時(shí)，爐門打開，裝料小車將管坯夾起送到爐內(nèi)指定位置，升起返回，爐門關(guān)閉，爐底旋轉(zhuǎn)一個(gè)料位角，然后準(zhǔn)備裝下根料。坯料經(jīng)過預(yù)熱段，加熱一段，加熱二段，均熱一段，均熱二段之后，滿足要求后出料，出料小車將管坯取出，環(huán)形爐工作完成。
（2）溫度采用模糊控制系統(tǒng)建立反饋模型來實(shí)現(xiàn)，采用前饋和反饋相結(jié)合方法，使它們的配比接近燃燒的最佳空燃比，如圖1所示。
圖1 加熱爐空氣燃料比尋優(yōu)控制系統(tǒng)示意圖
1.2 環(huán)形加熱爐的控制要求
（1）裝出料小車定位——精確的小車定位才能精準(zhǔn)的夾取坯料。本例中我們選取西門子6ES70系列變頻器和增量式編碼器來給小車定位。由于小車慣性較大限位開關(guān)能起到的作用有限，必須結(jié)合軟件提前減速。還因?yàn)榕髁祥L度不定有2m、2.5m、3m、3.8m，所以定位比較復(fù)雜，當(dāng)坯料改變長度時(shí)，必須由上位機(jī)寫進(jìn)從而選定所需要的編碼器讀數(shù)。
（2）爐底傳動(dòng)裝置——爐底由支承輥支撐，定心輥對活動(dòng)進(jìn)行固定，防止?fàn)t底跑偏；爐底傳動(dòng)采用液壓推動(dòng)。爐底關(guān)鍵是控制旋轉(zhuǎn)角度是否是預(yù)設(shè)的料位角角度，必須保證出料小車在大量取料之后還能精確定位。我們采用的是與環(huán)爐齒輪同步的減速盤上裝有增量式編碼器，預(yù)以精確定位。
（3）爐溫爐壓的控制——爐溫控制系統(tǒng)的主要目的是將爐溫控制在允許范圍內(nèi)，并保證燃燒的合理性，力求達(dá)到最佳燃燒狀態(tài)。爐膛壓力控制也是一個(gè)重要參數(shù)，壓力過高，煙會(huì)大量冒出，使大量熱散失，增加損耗；爐壓過低會(huì)吸入大量冷風(fēng)，可能引起燒鋼。爐溫爐壓必須控制在一定范圍之內(nèi)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本著結(jié)合實(shí)際，便于操作和維護(hù)，最大限度的滿足環(huán)形加熱爐工藝流程需求的原則，采用PLC的集中控制加上上位機(jī)的過程及參數(shù)監(jiān)控。我們采用西門子公司的S7-300系列PLC（CPU為315-2DP）,上位機(jī)采用研華工控機(jī)IPC610L，并配有UPS，采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式進(jìn)行PLC與上位機(jī)間的通訊。
熱工控制設(shè)一臺上位機(jī)作為操作員站，爐體機(jī)械控制設(shè)一臺操作員站，另外集中設(shè)一臺工程師站用于進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的生成、生產(chǎn)流程畫面的產(chǎn)生，連續(xù)控制回路的組態(tài)和順序控制的組態(tài)等。
該系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：
（1）系統(tǒng)包括了PLC控制站、操作員站、工程師站等子系統(tǒng)。PLC控制站完成對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集、處理、設(shè)備的順控與調(diào)節(jié)。操作員站實(shí)現(xiàn)過程參數(shù)顯示、監(jiān)控和設(shè)置。工程師站實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制程序編制、調(diào)試、修改、維護(hù)及生產(chǎn)管理等功能。
（2）該系統(tǒng)是由PROFIBUS-DP構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)。SIEMATIC PLC S7-300,上位機(jī)Wincc作為主站，變頻器及其遠(yuǎn)程I/O ET200M作為從站。全系統(tǒng)各站聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)工作，整個(gè)系統(tǒng)都是一個(gè)聯(lián)網(wǎng)的大系統(tǒng)。先進(jìn)可靠數(shù)據(jù)分布合理、操作速度快、使用方便。
2.2 上位機(jī)配置
上位機(jī)采用臺灣研華工控機(jī)IPC610L（CORE雙核2.66/2GDDR/160GHDD/1000M網(wǎng)卡）配以明基19寸顯示器。共設(shè)3臺，其中操作員站2臺、工程師站1臺。上位機(jī)與S7-300PLC構(gòu)成分布控制系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)與PLC通信。
2.3下位機(jī)配置
下位機(jī)采用西門子S7-300功能強(qiáng)大、處理速度快、可靠性高，模塊化設(shè)計(jì)使其擴(kuò)展靈活，是本控制系統(tǒng)的核心。
本系統(tǒng)中，爐體外部機(jī)械控制一臺PLC，熱工技術(shù)控制一臺PLC。每臺PLC的硬件模塊配置如圖2所示。
圖2 硬件模塊配置
電源模塊采用PS 307 2A；CPU用315-2DP模塊；由PROFIBUS-DP構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)。西門子S7-300，上位機(jī)WinCC作為主站，6ES440變頻器，6ES70（6臺）變頻器及其遠(yuǎn)程I/O ET200M作為從站；CP343-1通信模塊；數(shù)字輸入輸出模塊各一塊。
另有，F(xiàn)M350-2高速計(jì)數(shù)模塊，作為簡單計(jì)數(shù)任務(wù)的單通道智能模塊以及直接連接增量式編碼器。熱工控制模塊如圖3。
圖3 硬件模塊配置
電源模塊采用PS 307 5A的模塊共3塊；CPU也是315-2 DP模塊；IM360/IM361連接模塊連接三個(gè)導(dǎo)軌；CP 343-1通信模塊；以及模擬輸入輸出，數(shù)字輸入輸出模塊。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)的軟件包括下位機(jī)和上位機(jī)兩部分。下位機(jī)PLC的組態(tài)編程在西門子STEP7 V5.4實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)人機(jī)界面采用西門子WinCC V6.0來完成。
3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
PLC的控制軟件來完成工藝要求的全部任務(wù)，該部分的設(shè)計(jì)是本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。我們在西門子STEP7 V5.4開發(fā)平臺上，采用結(jié)構(gòu)化編程，將系統(tǒng)中的相對獨(dú)立的功能編寫成功能FC，然后在主程序OB1調(diào)用，這樣減少了重復(fù)編程工作量，簡化了程序的組織，且增加了可讀性可維護(hù)性。
本系統(tǒng)控制的塊有：
（1）組織塊。OB1主程序塊。OB35循環(huán)中斷組織，OB82診斷中斷，OB83插入取出模塊中斷，OB84 CPU硬件故障，OB85優(yōu)先級錯(cuò)誤，OB86機(jī)架故障或分布I/O的站故障，OB87通信錯(cuò)誤，OB121編程錯(cuò)誤，OB122 I/O訪問錯(cuò)誤。
（2）功能。FC1報(bào)警顯示，F(xiàn)C2換向閥控制，F(xiàn)C3調(diào)節(jié)閥控制， FC5鼓風(fēng)機(jī)控制，F(xiàn)C6引風(fēng)機(jī)控制，F(xiàn)C7摻冷風(fēng)機(jī)控制，F(xiàn)C8快切閥手動(dòng)控制，F(xiàn)C9換向閥到位檢測，F(xiàn)C10 TC_SCALE,FC11 PER TO PQW,FC12 LMN輸出轉(zhuǎn)換，F(xiàn)C13 RDO_SCALE,FC20爐膛壓力控制，F(xiàn)C21加熱一段爐溫控制，F(xiàn)C24加熱二段爐溫控制，F(xiàn)C27均熱段爐溫控制，F(xiàn)B10模糊控制算法模塊。
（3）數(shù)據(jù)塊。DB1上位通訊數(shù)據(jù)，DB2傳動(dòng)通訊數(shù)據(jù)，DB10編碼器通訊數(shù)據(jù)。DB11至DB15為模糊控制算法數(shù)據(jù)塊，DB20模糊控制算法模塊。
在本控制系統(tǒng)中，環(huán)形加熱爐內(nèi)溫度是被控量，煤氣的流量是調(diào)節(jié)量。爐內(nèi)影響溫度的因素很多，比如：進(jìn)料的數(shù)量，空氣流量，煤氣流量濃度等等。因此，該系統(tǒng)屬于多變量、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)。傳統(tǒng)的控制方法很難以控制，所以本例中采用較先進(jìn)的模糊控制進(jìn)行控制，具體在功能塊FB10中實(shí)現(xiàn)。
圖4 模糊算法流程圖
3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)人機(jī)界面（HMI）的開發(fā)采用組態(tài)軟件西門子視窗中心SIMATIC WinCC ，WinCC V6.0采用標(biāo)準(zhǔn)Microsoft SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)歸檔，同時(shí)具有Web瀏覽器功能，可使經(jīng)理、廠長在辦公室內(nèi)看到生產(chǎn)流程的動(dòng)態(tài)畫面，從而更好地調(diào)度指揮生產(chǎn)。
并且確保與S7-300PLC連接的方便和通訊的高效；WinCC與STEP7編程軟件的緊密結(jié)合縮短了項(xiàng)目開發(fā)的周期。WinCC畫面如圖5所示。
圖5 WinCC畫面
我們根據(jù)具體的生產(chǎn)要求與條件，設(shè)計(jì)了以下幾個(gè)畫面：
（1）系統(tǒng)總貌。主要監(jiān)視環(huán)形爐爐溫、爐壓以及一些重要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。這部分功能由WinCC的圖形編輯器來實(shí)現(xiàn)。啟動(dòng)WinCC后隨即啟動(dòng)此畫面。畫面下方設(shè)有歷史記錄、歷史曲線、分段顯示、參數(shù)設(shè)置、煙氣溫度、報(bào)警畫面幾個(gè)功能選項(xiàng)按鈕。
（2）歷史記錄。
（3）歷史曲線。通過該畫面顯示每時(shí)刻的爐溫曲線，以至于直觀的分析溫度的變化情況。
（4）分段顯示。
（5）參數(shù)設(shè)置。在爐體外部機(jī)械主畫面中，所需設(shè)置的參數(shù)有：入口輥道、進(jìn)出料小車、爐底傳動(dòng)頻率，此外還有布料角度、班組、鋼種和工藝參數(shù)的錄入畫面；熱工主畫面中，包括鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、摻冷風(fēng)機(jī)設(shè)置、調(diào)節(jié)閥數(shù)值和反饋量以及燒嘴情況以及每個(gè)分段的溫度。
（6）煙氣溫度。顯示當(dāng)前的煙氣溫度，以便于做良好的調(diào)節(jié)。
（7）報(bào)警畫面。報(bào)警記錄負(fù)責(zé)采集和歸檔報(bào)警消息，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到設(shè)備不能正常運(yùn)行的信息，就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，報(bào)警一般來自設(shè)備的超溫超壓等。
結(jié)語
利用PLC作控制系統(tǒng)不僅節(jié)省了大量的人力物力，而且保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。WinCC具有方便直觀的系統(tǒng)圖形，以及強(qiáng)大功能的報(bào)表與記錄系統(tǒng)。操作人員只需要通過WinCC監(jiān)控與管理就可以掌控生產(chǎn)過程以及記錄數(shù)據(jù)。目前該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期目的。
