基于Siemens S7-400PLC 的烧结过程控制系统设计

徐晓鹤 陈 靖 牛传峰

（山东莱芜钢铁集团有限公司 自动化部，山东 莱芜 271104)

1 引言

唐山瑞丰钢铁集团198m2烧结机生产线是2008年6月建成投产，该生产线是由配料系统、烧结机、筛分系统、点火炉、胶带输送机、成品矿仓等组成。整个烧结生产线采用西门子S7-400 组成控制系统，满足了生产工艺要求，实现了计算机自动控制。

2 硬件构成

该系统网络结构采用研华上位机、SiemensS7-400PLC 两级控制系统，PLC 系统CPU 采用CPU414-2DP，各子站与主站采用Profibus-DP，通讯模板选用CP443-1 通讯模块，远程I/O 站采用ET200M，稳定性强，节约成本。上位监控软件选用西门子公司的Wincc6.0。PLC 通过PROFIBUS-DP 网与远程I/O 站、变频器，实现了控制要求。

3 网络结构

本系统是一个基于Profibus 现场总线的分布式控制，系统最低层是设备控制层，主要完成设备的现场控制与监控，第二层是监控层，主要完成烧结系统的在线监控，并向控制层发送控制命令。主站与配料，混合，筛分的ET200M 远程机架，通过的PROFIBUS-DP 网进行通讯，PROFIBUS-DP 是目前国际通用的现场总线标准之一，以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为最重要的现场总线标准。保证了通讯的稳定性。在主控室设有电视监控站和操作员工作站，通过操作站下达生产指令，实现烧结系统的自动控制。烧结自控系统网络图如下图1 所示。

4 控制功能

系统主要控制功能包括主工艺参数设定、设备连锁启停、主工艺参数的浏览和查询等，PLC 将采集的各设备状态、料流量、仓位量通过以太网送到工控机上显示，便于生产工艺控制。同时Simatic wincc6.0 将各电机实际速度、电流信号、配料仓下料量、仓位信号的数据保存历史记录，有利于设备、生产故障原因查询。

4.1 自动配料系统

配料系统是生产烧结矿的核心部分，对配料的精度可靠性和保密性要求都很高。自动配料系统采用质量配料法，各种含铁、碳、硅在这里按操作员输入的配比通过称量设备配料。配料的精确度直接影响烧结矿含量的稳定性，所以对控制系统提出了较高的要求。其控制原理如图2。

自动配料系统主要由PLC、给料装置、称量装置、变频器等组成。操作人员通过操作员站输入各种原料的化学成分及配比，流量信号经称量设备、称重显示器转换为4～20mA的信号输入到功能模块，与设定值比较，经FB41 连续控制块的PID 运算，把得出的控制字通过Profibus-DP 总线传至变频器，变频器根据这个信号控制给料装置电机的转速，从而使各台给料装置的给料量在设定值的上下做轻微波动，实现自动配料功能。其PID 算法如下：设Y(t)为t 时刻的下料量的设定值，Y(t)为t 时刻的下料偏差，设此时控制系统的控制输出为 u(t)，u(t)=Kpfe(t)+I/丁 if e(t)dt+Td[de(t)/dt]}，其中 K”Ti、1Id、分别为比例系数、积分时间常数、微分时间常数，通过调整这三个系数可以改变控制输出，取得较好的控制效果。

4.2 混合料水分自动控制

在一、二次混合中还需加适当的水量，以保证烧结矿的透气性，提高产量和质量。一次混合加水量与原料的原始含水量有关；二次加水，使混合料的含水量达到二次混合加水设定的目标值，以提高透气性；一次加水按粗略的加水百分比进行定值控制，二次加水采用PID 控制，设定好目标含水量，根据测得的目前含水量，与目标含水量进行比较，与给定偏差进行反馈校正，实现水分的自动控制。控制原理如图3。

4.3 烧结点火炉控制

烧结点火炉控制系统主要完成烧结点火炉相关参数的检测和控制，如点火炉炉膛压力、点火炉点火段温度、点火炉预热段温度、煤气压力、煤气流量、助燃空气压力、助燃空气流量等参数的手自动控制。并通过数据显示画面和历史趋势画面实现监控，并有报警／历史记录等功能。

4.4 无扰动切换

在上述自动调节中，可实现手动/PID 无扰动快速切换，要求切换前后控制量或被控量平均值相等，所以，必须先计算切换前控制量或被控量平均值，然后再切换，才能达到对工艺的影响最小，真正实现无扰动切换。先在上位机跟踪计算出当时每分钟被控量平均值；将此值作为自动初始时的给定值；在自动向手动切换时，先在上位机跟踪计算出当时每分钟控制量平均值，将此值作为手动初始时的控制值。PID 控制可以在手动控制与自动控制之间无扰动切换。

5 监控系统

整个烧结控制系统的监控画面采用WinCC6.0+SQLserver2000 来实现。监控系统完成：工艺画面监控、通讯配置、人机接口功能。

5.1 总貌画面

显示整个工艺流程中各设备、装置、区域的运行状态及过程参数变量的状态、设定/测量值、高低报警等信息。软件界面如图4。

5.2 分组画面

按工艺要求分组显示某段工艺、某段生产工艺流程图、过程参数变量的测量值、调节器的设定值、输出值、控制方式、报警、状态等信息。

5.3 趋势画面

可显示多点测量数据的实时趋势和历史趋势值，其历史趋势数据可自动存放在硬盘上，并根据用户要求设置保存时间。

5.4 报警画面

按优先级显示当前正在进行的过程参数报警和系统硬件报警。

5.5 棒状图

以水平或垂直方式多点显示过程变量的实时变化。

5.6 生产过程参数报警、设备，重要设备事故按优先级显示报警信息。

6 结束语

该系统投运以来，提高了数据的可靠性、正确性和计算准确率，极大节约了人员，减轻了实际操作人员的计算负担设备运转正常。运行可靠，性能稳定，保证了该厂烧结矿质量的稳步提高。

[1]廖常初.S7-300／400 PLC 应用技术 [M].北京：机械工业出版社，2OO5

[2]西门子工业网络通讯指南

[3]冶金原料生产自动化技术