西门子S7-1500系统在电石炉中的应用

刘凌夫

（大连重工机电设备成套有限公司 工程技术设计院，辽宁大连，116013）

0 引言

电石化学名称为碳化钙，作为重要的基础化工原料，在保障国民经济平稳较快发展、满足相关行业需求的方面发挥着重要的作用。近年来，我国电石行业保持较快增长，产能产量屡创新高，技术装备水平持续提升。电石炉自动化控制系统广泛使用可编程逻辑控制器（PLC）作为控制器。西门子新一代的S7-1500 PLC，凭借其更高性能和更高性价比，正快速代替S7-300/S7-400 PLC。S7-1500系统已成为电石炉冶炼新的重要的控制系统。

1 S7-1500系统概述

■1.1 系统简介

S7-1500是西门子新一代的PLC，其系统是在S7-300/400的基础上开发的自动化系统。S7-1500系统性能卓越且应用灵活，满足系统高复杂性和高性能要求，适用于中高端设备和中大型工厂工程的各种控制应用。系统组态可扩展，现场可根据当地条件对PLC进行调整。

■1.2 系统结构

S7-1500系统主要由CPU模块、电源模块、信号模块、通信模块、工艺模块、分布式I/O系统ET200MP、交换机和工控机组成，各种模块安装在标准DIN导轨上。ET200MP主要包括接口模块、信号模块、通信模块和工艺模块，通过接口模块上的PROFINET或PROFIBUS与CPU进行通信。每台工控机上配置以太网卡，通过工业以太网交换机与S7-1500PLC进行通信。

■1.3 系统特点

S7-1500系统性能卓越，CPU位处理速度最快达1ns，背板总线达到百兆级，PROFINET数据刷新最快达125μs。系统诊断可靠，可在现场快速定位错误，发生故障时无需编程就可通过编程软件等途径快速实现通道级诊断。系统设计优秀，CPU自带面板支持诊断和初始调试，每个机架可扩展多达30个模块[1]。系统工程组态高效，具有统一的编程调试平台，支持多种编程语言和高级语言算法，程序通用，拓展性强。系统还集成工艺功能、安全功能和保密功能。

2 电炉主要设备与工艺简介

电石生产主要是将优质的块状兰炭（或焦炭）和块状生石灰等原料，混合后送入电石炉内，依靠电极电弧放电所产生的高温反应生成电石。电石炉主要由炉体、炉盖、电极系统、短网系统、烟道、炉顶加料系统、炉顶环形加料机、液压系统、水冷系统、炉底风冷装置、炉前排烟系统、炉前设备和电炉变压器组成。炉顶环形加料机将原料加入每一个炉顶料仓内，原料通过料管溜入炉内。电炉变压器通过二次母线系统与电炉形成低压回路，从而提供电炉冶炼所需电能。炉盖用于密封炉膛，收集炉气。烟道将炉气送入炉气净化系统或直接排空。液压系统为电极升降、压放和把持器等液压执行器提供动力。水冷系统用于高温条件下工作的炉盖、电极柱、短网、烟道和电炉变压器等设备进行冷却。炉底风冷装置用于降低炉底温度，提高炉壳和炉衬的使用寿命。炉前排烟系统用于出电石时对出炉口烟气进行收集和输送。炉前设备主要由开堵眼机、炉前挡屏、烧穿母线及烧穿器、电石出炉小车和卷扬机系统组成。

3 系统网络架构

根据电石炉工艺控制需求，整个系统网络架构按功能分为三层，从上至下分别为监控层、控制层和现场层。现场层主要设备是分布式I/O从站，从站基本配置包括通讯接口模块、各种I/O信号模块、通讯模块和功能模块。现场层采集车间各层设备仪表数据并上传至控制层，接收控制层指令控制各层电机和阀门等执行机构。控制层主要设备是电炉主站的中央控制器，是实现电炉控制的关键。控制层是监控层与现场层之间的枢纽，与监控层通信并接收监控层的命令，对现场层设备进行控制。监控层主要由操作员站、工程师站和打印机组成。操作员站采集监视生产数据，控制设备运行，具有故障报警、数据归档、报表生成等功能。工程师站主要用于软件组态编程、下载调试和系统诊断。系统网络架构如图1所示。

图1 系统网络架构

4 系统硬件配置

电石炉S7-1500系统CPU选用1515-2PN标准型CPU。电源模块可选择24VDC系统电源PS或/和24V负载电源PM。系统电源连接到背板总线并专门为背板总线提供内部所需的系统电源。负载电源为CPU、系统电源、信号模块、接口模块等提供DC 24V电源。分布式I/O系统选用ET200MP，CPU中央机架和分布式I/O系统中的信号模块包括32×24VDC高性能型数字量输入模块、32×24VDC高性能型数字量输出模块、8×U/I/RTD/TC标准型模拟量输入模块、8×U/I高速型模拟量输出模块。各类信号模块均使用相同的螺钉型40针35mm模块前连接器。通信模块选用PtP RS422/485高性能型通讯模块。接口模块选用155-5PN标准型接口模块。CPU中央机架和分布式I/O系统的机架均使用482mm安装导轨。

5 系统软件设计

■5.1 PLC编程

使用西门子TIA博途STEP 7专业版组态软件编写电石炉S7-1500系统PLC程序，PLC编程主要包括硬件组态和程序编写。

5.1.1 硬件组态

博途STEP 7组态软件中新建项目，添加电石 炉1515-2PN CPU，组态PROFINET接口的以太网地址及其它CPU参数。在中央机架CPU右侧添加信号模块和通信模块。信号模块设定信号模块的I/O地址、模块通道测量类型和范围等参数。通信模块设定RS422/485接口的I/O地址、操作模式和端口参数等其它参数。中央机架硬件组态如图2所示。

图2 中央机架硬件组态

在网络视图界面中，将电石炉所有分布式I/O从站的155-5PN ST接口模块添加到PN/IE子网中。返回设备视图，对每个分布式I/O从站添加信号模块并组态。程序硬件组态网络视图如图3所示。

图3 硬件组态网络视图

5.1.2 程序编写

电石炉PLC编程语言主要使用梯形图LAD，个别程序段使用语句表STL。程序主要由组织块OB、功能块FB、功能FC、数据块DB、系统功能块SFB和系统功能SFC组成。组织块包括主程序扫描组织块OB1、启动组织块OB100和各类中断组织块。电石炉程序复杂，采用结构化编程[2]方式，将电石炉控制任务按电炉工艺流程或设备划分为多个较小的子任务，这些子任务的程序和数据编写在功能块、功能和共享数据块中。同类多个设备的控制，使用功能块的多重实例。在该类设备功能块或功能中通过一个功能块控制多个相同设备，每个设备的数据保存在一个或多个背景数据块中。除了自己编程外，使用CPU提供的可在用户程序中调用的预编程系统功能块和功能。

电石炉程序主要功能包括电极位置自动调节、电极消耗补充、自动连续配上料、料仓刮板伸缩、料仓缺料堵料检测、电炉变压器档位升降、炉气压力自动调节、电极加热、炉底冷却、液压系统设备启停、各种生产操作和生产数据统计、与除尘系统等其它工段通信交换数据等。

■5.2 上位机软件组态

图5 配上料系统画面

使用西门子WinCC V7.2或更高版本组态软件进行电石炉S7-1500系统上位机软件组态，软件组态主要内容包括通信与变量组态、画面组态、过程值归档组态、报警组态和报表组态。

WinCC与S7-1500 PLC之间使用TCP/IP协议进行以太网通信。在工控机控制面板“设置PG/PC接口”选项界面中，添加一个“CP-TCPIP”访问点并为其分配使用TCPIP协议的普通以太网卡。在WinCC变量管理中，添加驱动程序“SIMATIC S7-1200,S7-1500 Channel”。在通道单元“OMS+”中建立一个电石炉连接，设置IP地址、访问点、产品系列连接参数。电石炉WinCC项目变量数量较多，为方便变量的查找，将变量按设备分组。在WinCC用户管理器中为用户分配WinCC功能的访问权限，用户需在起始画面登录后再进入操作画面，确保电炉生产操作安全可靠。电石炉操作画面包括电炉主画面、配上料系统画面、水分配器画面、历史趋势画面和报警信息画面等。用户使用操作画面菜单栏上的按钮，可将当前操作画面切换至其它画面。操作画面实时显示工艺流程、系统设备运行状态、仪表参数、冶炼数据历史变化趋势等信息。用户通过操作画面可设置系统设备运行参数，控制系统设备运行。电炉主画面、配上料系统画面和水分配器画面如图4~图6所示。使用WinCC过程值归档功能采集和归档电石炉冶炼的过程数据，过程数据在归档数据库中保存1个月，为 WinCC项目的趋势和报表提供历史数据。使用WinCC消息系统功能，在报警记录界面中实时显示系统设备的报警和故障等信息，并将这些信息归档。使用WinCC DataMonitor选件，定时以Microsoft Excel文件形式生成并发布电炉冶炼历史数据报表。

图4 电炉主画面

图6 水分配器画面

6 结语

本文通过建立系统网络架构、配置系统硬件、编写PLC程序和组态上位机软件，详细阐述了西门子S7-1500系统在电石炉中的应用。现场运行结果表明，该系统稳定可靠，为电石炉连续冶炼提供了保障。该系统凭借优越的性能，强大的可操作性，提升了电石炉控制系统的自动化程度，减少了现场工人的数量和劳动量，降低了企业的人力成本，最大限度释放了机械设备的生产能力，提高了企业的生产效率和经济效益。