摘要：广东韶钢焙烧厂共有150m3气烧石灰窑17座，自动化控制程度相对偏低，人工劳动强度大，随着自动化程度的提高及响应公司减员增效号召，对1-17#150m3气烧石灰窑控制系统进行了自动化改造。本文介绍了韶钢焙烧厂150m3气烧石灰窑自动化控制系统的技术改进历程，采用西门子公司PCS7冗余控制系统配置、控制网络、软件编程和气烧石灰竖窑生产过程控制中的应用等。在提高产品质量和降低劳动强度等方面具有明显效果，能实现生产过程的自动化控制及各种管理功能，从而获得显著的经济效益。
关键词：气烧石灰窑、自动化、控制 、改造
前言
150m3气烧石灰窑传统的电气控制系统为继电器控制系统，传统的电气控制系统受各种条件的影响在气烧石灰窑使用时间较长。传统气烧窑电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难，需要器件比较多,电路繁杂,不易维护。另外继电器触点数量有限，所以继电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。经过广泛深入的调查研究和技术分析论证，我们对150m3气烧石灰窑控制系统进行了改造，根据气烧石灰窑生产工艺及环境要求，采用西门子公司PCS7冗余控制系统。实践证明，该系统稳定可靠，在提高产品质量和降低劳动强度等方面具有明显效果，能实现生产过程的自动化控制及各种管理功能，从而获得显著的经济效益。
1自动化控制系统介绍
自动化控制系统为PLC控制系统，控制系统构成分为PLC硬件和软件。
PLC是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。
编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。
人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。
输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。
PLC的软件由系统程序和用户程序组成。系统程序由PLC制造厂商设计编写的，并存入PLC的系统存储器中，用户不能直接读写与更改。系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。
2采用自动化控制系统的必要性
当前可编程控制器（PLC）是专为工业环境下应用而设计的工业控制计算机，已经成为电气控制系统中应用最为广泛的核心位置，它不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能，并且抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、体积小，能在恶劣环境下长时间、不间断运行，且编程简单，维护方便，并配有各类通讯接口与模块处理，可方便各级连接。
自动化控制系统产品随着电子技术的发展，从以前气动仪表、电动仪表发展到目前的集散系统，把单回路的控制集成到了对整个生产装置的所有控制系统的控制，操作可以在中央控制室足不出户就可以控制现场的阀门，能够及时通过对工艺设备里面的温度、压力、流量或液位进行控制，达到稳准快的控制效果。在我公司的150m3气烧石灰窑采用先进的自动化控制系统，生产出高活性度、高CaO、低SiO2、低S、低杂质的石灰供给炼钢和烧结，是必要的，也是合理可行的。
3 150m3气烧石灰窑中自动化控制系统改造
3.1 自动化控制系统设计思路
鉴于150m3气烧窑生产设备控制繁多和煤气应用的安全性问题，控制系统必须充分考虑系统的安全可靠性。因此采用以S7-400H为主控制器构成的PCS7冗余控制方案，CPU采用CPU-414-4H , I/ 0处理单元采用ET200M，服务器、电源和通信采用冗余配置方案，系统具有故障无扰切换功能，这样就保证了系统的安全性和可靠性的需求。系统配置图如下：
图一:系统配置图
系统完成的功能有：
数据采集、显示、记录、保存；石灰竖窑各检测温度的检测、显示、保存；石灰竖窑各流量、压力的检测、显示、保存；各石灰仓料位的检测、显示、保存；各石灰竖窑窑体料位的检测、显示、保存。
系统主要控制内容有：
石灰窑上料系统自动、手动控制；石灰窑出料系统自动、手动控制；石灰窑煤气快速切断阀控制；石灰窑除尘系统的自动、手动控制；原料处理系统自动、手动控制；系统远程监测.
系统主要控制要求：
按照工艺流程定时完成上、出料系统的自动控制和非正常情况下的手动控制；按照除尘系统要求完成除尘系统的自动控制；按照快切阀动作要求完成快切阀的自动控制；按照工艺流程完成原料处理系统的自动控制和非正常情况下的手动控制。
系统改造后的HMI画面如下图所示:
图二：HMI画面
整个系统操作都可以在上位机进行操作.
3.2 自动化控制系统硬件系统改造
150m3气烧窑上位机系统由工程师站、客户机和服务器等组成。它包括一台工程师站、两台冗余服务器和四台操作员站。工程师站上安装的主要工业控制软件有SIEMENS PCS7工具集软件包，包括了STEP7、WINCC等工业控制监视软件，主要完成系统组态、管理、编程、调试等功能。服务器安装有OS Server软件，主要用于从客户机接受数据库请求和处理数据库请求以及数据采集、管理的功能。操作员站安装有OS Client软件，主要用于从用户接受数据和处理应用逻辑及过程控制的监控。上位机系统和控制系统是通过100MHz的工业以太网络连接。
S7-400H由两台独立的中央控制器组成，每个中央控制器有一块有容错功能的CPU-414-3DP、一块PS 407电源模块和一个CP443通讯网卡。S7-400H 按照“热备用”模式(无冲击、出现故障自动切换)的主动冗余原理运行，无故障时两个中央控制器都是活动的。如果发生故障，正常工作的中央控制器能独立完成整个过程的控制，真正做到无扰动地自动切换。AS414-4H在两个CPU中之间通过高速光纤同步专线相连，其容错结构对用户来说是透明的，它可以同标准PCS7系统那样进行处理、编程和设计。
气烧窑控制系统采用ET200M多通道模块化分布式I/O,共有12个扩展机架，通过冗余的现场总线Profibus一DP现场总线与AS一400中央控制器进行实时通信。它主要功能是:采集现场I/O信号，通过ET200M的I/O模块将现场数字量或模拟量信号传送到中央控制站，同时将中央控制器发送来的控制信号送至现场。由于每个ET200M分布式I/O站的有源背板总线上插有两个IM153通信接口模块，且I/O模块采用了背板总线模块，因此在系统运行过程中，当其中某一个IM153通信接口模块或I/O模块发生故障时，系统也能自动地切换到另一个IM153通信接口模块，并可带电热插拔更换故障模块，不会影响系统正常运行。
气烧窑项目采用三级总线结构，即现场总线、系统总线和终端总线。现场总线采用冗余Profibus一DP现场总线，用于CPU与现场I/O模块的通讯。系统总线和终端总线采用快速交换式工业以太网，网络为双环光纤冗余结构。其中系统总线用于CPU与工程师站及服务器间的高速数据交换，而终端总线用于客户机与服务器之间的通讯。
下图为改造后的硬件系统图:
图三：改造后硬件系统图
3.3 自动化控制系统软件系统改造
系统设计有一台工程师站，工程师站（服务器）上安装的主要工业控制软件有SIEMENS PCS7工具集软件包，包括了STEP7、WINCC等工业控制监视软件。工程师站（服务器）主要完成系统组态、管理、编程、调试等功能，本系统中工程师站还兼有服务器功能，它为安装在远程的操作员站（客户机）提供系统服务和管理。
系统设计有二台操作员站（客户机），对于操作员站（客户机），同样安装有WINCC工业监控软件，与工程师站（服务器）所不同的是它主要用于过程控制的监控以及数据采集、管理的功能，然而系统组态、编程、调试等任务仍然集中在工程师站（服务器）上。操作员站（客户机）安装在远程的办公室。
在上位机上用WinCC软件设计了标准的人机界面，主要包括以下几个方面的内容：
工艺流程图：该画面中通过编程实现动态模拟显示整个石灰窑的现场上料和出料过程，并且在窑体上实时显示了各燃烧带的温度，以便于操作者能及时准确的把握窑内的燃烧情况。能够对现场设备的故障进行实时诊断。
手操器的操作与对现场仪表的监控：手操器有手动和自动两种工作方式，在设备安装调试阶段一般用手动操作方式，进入正常运作时常用自动方式，以实现对一些重要的模拟量数据的精确控制，自动调节程序由PID闭环控制回路完成。下图为我公司改造煤气加压站的流程图:
图四：改造煤气加压站的流程图
报警记录：对于如煤气流量、压力等一些重要的模拟量输入参数进行实时报警，当处于监控下的任何一个变量超出预先设定的安全值时，报警灯就会立即闪烁，同时会自动弹出一个报警对话框，在该对话框中操作者可以检查报警超出的范围以及错误的出处，并对此采取相应的措施。
历史趋势：在此画面中除了实时显示变量的变化趋势，操作员还可以检查过去的过程数据记录，通过对过去历史趋势的比较进而可以对变量未来的发展趋势做进一步的猜测。
4结语
本文讨论了基于PLC的石灰窑过程监控系统的设计与实现。本控制系统已在生产线上得到实际使用, 改变了以往气烧窑操作自动化程度低的状况，在减轻工人劳动强度和稳定石灰质量方面起到了重要作用，为企业带来了可观的经济效益和良好的社会效益。在该系统中PLC控制充分发挥了其配置灵活、控制可靠、编程方便和可现场调试的优点，给整个系统的稳定性带来较大的益处。
论文作者:张兴国1,梁坤2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/23
标签：系统论文; 石灰窑论文; 控制系统论文; 冗余论文; 操作员论文; 客户机论文; 现场论文; 《基层建设》2019年第13期论文;