西門子PLC在鋼鐵企業原料場的應用

龔世杰

（天津鋼鐵集團有限公司，天津 300301）

0 引言

鋼鐵企業綜合原料場是貯存、加工處理和混勻鋼鐵冶煉所需大宗原、燃物料的場地，主要接收和貯存外來的鐵礦粉、精礦粉、球團礦、塊礦、焦炭、煤，以及燒結、高爐生產所用熔劑，如石灰石、白云石、硅石、菱鎂石等，另外還貯存一部分廠內循環物，如氧化鐵皮、轉爐污泥、高爐除塵灰、碎焦、返礦等。同時還擔負著向高爐、燒結工序供應所需原、燃物料的任務。因此原料場的穩定運行對燒結和高爐生產的穩定有著重要的意義。天津鋼鐵集團有限公司（以下簡稱天鋼）2號原料場主要是負責向廠區3200m3高爐和360m2燒結機供應原、燃物料，主要由受卸料設施、一次料場、混勻配料室、混勻料場、供料設施及配套的公輔設施等構成。因天鋼2號原料場的設備繁多，物料受卸、存儲、供應工藝復雜而且是連續作業，因此對原料場自動化控制系統的功能和穩定性有很高的要求。自動化控制就是為了達到特定的控制目的，在沒有人員直接參與的情況下，使用PLC 模塊組態顯示屏、檢測儀表、傳感器、稱重模塊、通訊模塊等控制裝置對設備或者生產過程進行控制。西門子S7-1500PLC 因控制功能強、運行速度快，通信能力強大、運行穩定性高、組態便捷、人機界面友好、維護方便等特點被廣泛應用于鋼鐵企業綜合原料場的自動化控制系統。

本文以天鋼2 號原料場為例，講解了鋼鐵企業原料場的主要功能以及原料場自動化控制的主要內容，詳細介紹了西門子S7-1500PLC 的主要控制功能以及在天鋼2號原料場的應用情況。

1 原料場自動化控制的主要功能

1.1 物流監控功能

將原料場原、燃物料從A 地運送到B 地，需要通過汽車受卸、火車受卸、皮帶機運輸以及皮帶機受卸等設施完成。汽車和火車受卸的過程均由人員完成，因此原料場自動化控制的功能主要是針對皮帶運輸及受卸設施等相關電控設備的監控。

1.2 含鐵物料混勻配料功能

目前大部分鋼鐵企業使用的鐵礦品種較多、來源復雜、成分波動較大，不利于燒結礦質量和成分的穩定。因此國內現代化大型鋼鐵企業均采用在原料場完成含鐵原料混勻配礦的生產模式，將所有含鐵原料混配成成分均勻的單一混勻礦供應燒結生產。

1.3 計量功能

對原料場進出的各種原、燃物料量以及含鐵原料混勻配礦工序進行工藝計量和計量累計，以滿足原料場的物料管理和生產工藝需要。

1.4 各種工藝控制功能

需要對原料場料堆灑水、物料除鐵、堆取料等設施進行控制。由于這些設備的控制多為現場獨立控制柜，因此需要與主控制系統進行組網，主控制系統通過網絡控制此類設備的啟停。

2 原料場自動化控制的主要對象

（1）料倉控制：料倉一般作為物料輸送的起點和終點，主要監控對象為料倉料位，通常采用重錘式料位計，少數也有采用雷達式料位計等形式。

（2）給料機控制：常見于精確配料或混勻配料，通常為高低速電機或變頻電機。

（3）振動篩控制：通常為供料的首個工藝設備。

（4）皮帶機控制：皮帶機高低壓電機啟停及正反轉控制；皮帶跑偏、打滑、防撕裂保護控制；皮帶機拉繩停機安全保護控制。

（5）分料器控制：分料設施通常為三通分料器和四通分料器，比較多見的是液壓和電控分料器，主要用于控制皮帶機運送物料的走向。

（6）卸料小車控制：通常物料受卸系統由一組料倉構成，卸料小車控制主要是選擇將物料卸到哪個料倉里。

3 原料場自動化控制的主要功能

3.1 原料場物料輸送流程控制

3.1.1 流程控制概念

鋼鐵企業原料場往往是料倉系統、堆場系統與皮帶運輸系統等設施縱橫交錯，形成一個巨大的物料輸送物流網絡。物料由A 地運送到B 地，通常有多個路徑可供選擇，而每個路徑是由不同的電控設備組成，那么怎樣形成物料輸送路徑就引入了流程的概念。

圖1為原料流程控制示意圖。由圖1可以看出，該物料輸送物流網絡是由料倉A～G3、皮帶A1～E1、卸料車F組成。在這一物料輸送物流網絡中，物料輸送是有明確的起點和終點，比如物料從A 倉運送到C1皮帶機或D1皮帶機就沒有實際的物理意義，只有運送到H 倉或G 倉才有實際的物理意義，即完成了一個有意義的物料輸送物流。而有意義的物料輸送物流就是流程的概念。

在一個錯綜復雜的原料場，由于起點和終點明確，所以有意義的物料輸送物流就明確了，即流程的數量是明確的，每個流程包含的設備也是明確的。在圖1中，物流若從A倉運送到G倉，那么可用流程有2 個：流程L101 為A→A1→C1→E1→F→G1～G3，流程L102 為A→A1→C2→E1→F→G1～G3。G 倉是由3 個料倉組成，僅僅是卸料小車F 的位置不同，對于這種所受倉不同，我們定義為一個流程，這是因為在啟動流程之前，操作人員就清晰明確地知道本次卸料要到哪個料倉，在啟動流程之前料車F 已移動到指定位置，料車F 及料倉G 不參與本次流程啟停聯動，故不管有幾個料倉，只要不參與流程啟停順控的，我們均定義為一個流程。

圖1 原料流程控制示意圖

3.1.2 流程控制選擇

綜上所述，物料從A 地到B 地我們有多個流程可供選擇，那么操作人員在實際生產中選擇哪個流程就是流程選擇的概念。流程選擇也可以通過L1級或L2 級尋優，推薦給操作人員最佳流程，在下面的流程優化選擇中會專門提到。由操作人員選擇了某流程，若所選流程中所有設備均正常且未被其它流程占用，則L1 級回饋給操作人員該流程已選擇，同時將流程內所有電控設備占用為本流程，這主要是為大型原料場或ERP準備，即操作人員可以在很早的時候就預約流程啟動。流程選中后，對于不參與該流程啟停的設備，L1 級自動進行初始化（也可按HMI 初始化按鈕實現）。以圖1中流程L101 為例，選中L101 后C 皮帶前的分料器應自動移動到A1 一側，料車F 也自動移動到指定位置，此時系統反饋流程具備啟動條件。

3.2 原料場混勻配料系統啟?？刂?/h3>

原料場混勻配料系統通常是由若干個料倉組成，每個料倉對應一臺圓盤給料機和皮帶秤。圓盤給料機下料量的控制是由下方皮帶秤的料流稱量信息作為反饋。

圖2為混勻配料系統示意圖。由圖2可以看出混勻配料系統PLC 控制對象有3 個：皮帶機、稱量秤、圓盤給料機。正常的啟動順序為先開啟稱量秤，再啟動皮帶機，最后啟動圓盤給料機。正常的停車順序為先停止圓盤給料機，再停止皮帶機，最后關稱量秤。

圖2 混勻配料系統示意圖

3.3 原料場圓盤給料機PID自動控制

3.3.1 圓盤給料機PID自動控制原理

原料場混勻礦配料系統圓盤給料機PID 自動控制系統主要包括：工控機、S7-1500 PLC、稱重控制器、變頻圓盤給料機、稱重皮帶秤、測速傳感器等。該控制系統主要是通過變頻圓盤給料機與稱重皮帶秤的閉環配合來實現定量給料。首先通過工控機將給料量設定值預置到PLC，PLC 輸出4mA～20mA 模擬量電流信號到稱重控制器，稱重控制器通過變頻器控制圓盤給料機的轉速，來調節圓盤下料量。當稱重皮帶秤檢測到物料的重量，同時獲得稱重皮帶秤運轉速度信號，通過稱重控制器計算，即可給出圓盤下料量的瞬時實際值。稱重控制器將圓盤下料量的實際值與預置到PLC 的設定值進行比對，并對其偏差值進行PID 運算，然后輸出調整信號至變頻器來控制圓盤給料機的下料量，最終實現圍繞設定值穩定給料。

3.3.2 圓盤給料機PID自動控制要求

當圓盤給料機停止時，此時PID 沒有執行機構，圓盤下料量的設定值與實際值的偏差永遠不能消除，如果PID 控制此時為自動狀態則PID 輸出值最終會變為極限值，顯然不能滿足實際生產需要。當稱重皮帶秤故障時，此時PID 沒有有效的實際值反饋，如果PID 此時為自動狀態則PID 輸出值不可預測，同樣不能滿足生產實際需要。當圓盤給料機剛開始運行時，此時物料并沒有到達稱重皮帶秤，PID 的實際反饋值為一個虛值，如果PID 此時為自動狀態，因設定值與實際值存在較大偏差必然導致PID大幅調整輸出值，而當料流到達稱重皮帶秤時，實際值與設定值的偏差迅速變小又會導致PID 大幅調整輸出值，造成PID 生產振蕩，顯然同樣不能滿足生產實際需要。

綜上所述，正確的控制方法應該是在圓盤給料機運行5s后，即物料料頭達到稱重皮帶秤時才可投入PID 自動控制模式。當圓盤給料機在停止時，給PID 自動控制置于手動，將給料量設定值置為0，此時手動設定值直接賦給PID 輸出值，最終PID 輸出值為0。當圓盤給料機運行5s 內以及稱量儀表稱故障時，給PID 置手動。另外PID 自動控制時需要把PID 輸出值賦給PID 手動給定值，即PID 手動給定值跟蹤PID 輸出值，防止在PID 控制從自動切換到手動時造成擾動。

4 西門子PLC控制系統的具體應用

4.1 系統概述

天鋼2 號原料場主控制系統采用西門子1500T系列CPU 作為控制核心，實現對原料場物流監控、含鐵物料混勻配料、進出場物料計量、各種工藝自動化控制功能。采用PROFINET 作為自動化以太網標準，通過PROFINET 西門子S7-1500 PLC 可以和其他控制設備進行無縫對接和數據交換，也為日后數據采集、上傳提供了極高自由度。

天鋼2 號原料場全部設備的控制都是通過中央控制室的主控制系統實現的，主要包括3 個方面的操作控制。

（1）設備的單一啟動停止控制。對單體設備進行控制時，可以選擇獨立啟動、停止按鈕進行操作，完成工作。

（2）設備的連鎖啟動停止控制。部分設備工藝要求啟動、停止相互關聯，相互制約?？稍谧钥叵到y的組態界面中設置相應的連鎖開關，點擊連鎖開關后，設備按照自動化控制的順序進行連鎖啟停。特別是原料場供料設備中皮帶較多，相互之間的聯系密切，有順序啟停、條件啟停等多種模式。

（3）設備的緊急停止控制。在出現人身傷害危險和設備損壞的情況時，使用急停按鈕實現對設備的立即停止，以防止出現進一步的危險和事故。一般通過組態軟件設置急停按鈕、在電氣柜明顯位置安裝急停按鈕、在現場配備急停拉繩開關等設施。

4.2 西門子PLC系統拓撲圖

天鋼2 號原料場控制系統采用西門子1500T（1516T-3PN/DP）系列PLC。依據原料場工藝流程和控制功能要求，建立了3個主PLC 控制站，主PLC是由CPU1516T-3PN/DP+DIDO 模塊組成。1 號主PLC 控制1、2、3 號ET200 遠程站，主要是控制原料的受卸。2 號主PLC 控制4、5 號ET200 遠程站，主要控制原料的配料及供給。3 號主PLC 控制6、7 號ET200 遠程站，主要控制原料場的輔助設施。每個主PLC 控制多個ET200 遠程站，通過遠程站完成數據采集及輸出動作執行命令。ET200 遠程站通過PROFINET 現場總線通訊方式與主PLC 進行連接。與同一過程相關的數字量輸入輸出點、模擬量輸入輸出點盡量配置在同一個PLC 控制站，但部分點位可根據實際情況就近接入附近PLC 控制站，再通過PLC控制站之間通信傳遞必要的數據。圖3為原料場控制系統拓撲結構示意圖。

圖3 原料場PLC控制系統拓撲結構示意圖

5 結語

天鋼2 號原料場控制系統采用西門子S7-1500 PLC，很好地實現了原料場的全部控制目標和任務。投用以來整個系統運行穩定、響應速度快、通信功能強大、硬件故障率低，充分體現出了西門子S7-1500 控制系統的優勢。為天鋼3200m3高爐和360 m2燒結機穩產、高產創造了條件，同時也推動了天鋼生產系統自動化控制水平的整體提高。

我國的鋼鐵工業的發展離不開先進的自動化控制系統，尤其是在鋼鐵企業現代化的大型原料場的生產控制上。將來鋼鐵企業原料場的自動化控制系統要向著更加智能化方向發展，在提升原料場運行效率的同時，進一步優化物料輸送流程，提高混勻配礦的控制精度，更好地服務于高爐和燒結的生產。