劉凌夫

（大連重工機(jī)電設(shè)備成套有限公司 工程技術(shù)設(shè)計(jì)院，遼寧大連，116013）

0 引言

電石化學(xué)名稱(chēng)為碳化鈣，作為重要的基礎(chǔ)化工原料，在保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)較快發(fā)展、滿(mǎn)足相關(guān)行業(yè)需求的方面發(fā)揮著重要的作用。近年來(lái)，我國(guó)電石行業(yè)保持較快增長(zhǎng)，產(chǎn)能產(chǎn)量屢創(chuàng)新高，技術(shù)裝備水平持續(xù)提升。電石爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)廣泛使用可編程邏輯控制器（PLC）作為控制器。西門(mén)子新一代的S7-1500 PLC，憑借其更高性能和更高性?xún)r(jià)比，正快速代替S7-300/S7-400 PLC。S7-1500系統(tǒng)已成為電石爐冶煉新的重要的控制系統(tǒng)。

1 S7-1500系統(tǒng)概述

■1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

S7-1500是西門(mén)子新一代的PLC，其系統(tǒng)是在S7-300/400的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化系統(tǒng)。S7-1500系統(tǒng)性能卓越且應(yīng)用靈活，滿(mǎn)足系統(tǒng)高復(fù)雜性和高性能要求，適用于中高端設(shè)備和中大型工廠工程的各種控制應(yīng)用。系統(tǒng)組態(tài)可擴(kuò)展，現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件對(duì)PLC進(jìn)行調(diào)整。

■1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

S7-1500系統(tǒng)主要由CPU模塊、電源模塊、信號(hào)模塊、通信模塊、工藝模塊、分布式I/O系統(tǒng)ET200MP、交換機(jī)和工控機(jī)組成，各種模塊安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上。ET200MP主要包括接口模塊、信號(hào)模塊、通信模塊和工藝模塊，通過(guò)接口模塊上的PROFINET或PROFIBUS與CPU進(jìn)行通信。每臺(tái)工控機(jī)上配置以太網(wǎng)卡，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與S7-1500PLC進(jìn)行通信。

■1.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

S7-1500系統(tǒng)性能卓越，CPU位處理速度最快達(dá)1ns，背板總線(xiàn)達(dá)到百兆級(jí)，PROFINET數(shù)據(jù)刷新最快達(dá)125μs。系統(tǒng)診斷可靠，可在現(xiàn)場(chǎng)快速定位錯(cuò)誤，發(fā)生故障時(shí)無(wú)需編程就可通過(guò)編程軟件等途徑快速實(shí)現(xiàn)通道級(jí)診斷。系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)秀，CPU自帶面板支持診斷和初始調(diào)試，每個(gè)機(jī)架可擴(kuò)展多達(dá)30個(gè)模塊[1]。系統(tǒng)工程組態(tài)高效，具有統(tǒng)一的編程調(diào)試平臺(tái)，支持多種編程語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言算法，程序通用，拓展性強(qiáng)。系統(tǒng)還集成工藝功能、安全功能和保密功能。

2 電爐主要設(shè)備與工藝簡(jiǎn)介

電石生產(chǎn)主要是將優(yōu)質(zhì)的塊狀蘭炭（或焦炭）和塊狀生石灰等原料，混合后送入電石爐內(nèi)，依靠電極電弧放電所產(chǎn)生的高溫反應(yīng)生成電石。電石爐主要由爐體、爐蓋、電極系統(tǒng)、短網(wǎng)系統(tǒng)、煙道、爐頂加料系統(tǒng)、爐頂環(huán)形加料機(jī)、液壓系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、爐底風(fēng)冷裝置、爐前排煙系統(tǒng)、爐前設(shè)備和電爐變壓器組成。爐頂環(huán)形加料機(jī)將原料加入每一個(gè)爐頂料倉(cāng)內(nèi)，原料通過(guò)料管溜入爐內(nèi)。電爐變壓器通過(guò)二次母線(xiàn)系統(tǒng)與電爐形成低壓回路，從而提供電爐冶煉所需電能。爐蓋用于密封爐膛，收集爐氣。煙道將爐氣送入爐氣凈化系統(tǒng)或直接排空。液壓系統(tǒng)為電極升降、壓放和把持器等液壓執(zhí)行器提供動(dòng)力。水冷系統(tǒng)用于高溫條件下工作的爐蓋、電極柱、短網(wǎng)、煙道和電爐變壓器等設(shè)備進(jìn)行冷卻。爐底風(fēng)冷裝置用于降低爐底溫度，提高爐殼和爐襯的使用壽命。爐前排煙系統(tǒng)用于出電石時(shí)對(duì)出爐口煙氣進(jìn)行收集和輸送。爐前設(shè)備主要由開(kāi)堵眼機(jī)、爐前擋屏、燒穿母線(xiàn)及燒穿器、電石出爐小車(chē)和卷?yè)P(yáng)機(jī)系統(tǒng)組成。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

根據(jù)電石爐工藝控制需求，整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)按功能分為三層，從上至下分別為監(jiān)控層、控制層和現(xiàn)場(chǎng)層?，F(xiàn)場(chǎng)層主要設(shè)備是分布式I/O從站，從站基本配置包括通訊接口模塊、各種I/O信號(hào)模塊、通訊模塊和功能模塊。現(xiàn)場(chǎng)層采集車(chē)間各層設(shè)備儀表數(shù)據(jù)并上傳至控制層，接收控制層指令控制各層電機(jī)和閥門(mén)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？刂茖又饕O(shè)備是電爐主站的中央控制器，是實(shí)現(xiàn)電爐控制的關(guān)鍵?？刂茖邮潜O(jiān)控層與現(xiàn)場(chǎng)層之間的樞紐，與監(jiān)控層通信并接收監(jiān)控層的命令，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備進(jìn)行控制。監(jiān)控層主要由操作員站、工程師站和打印機(jī)組成。操作員站采集監(jiān)視生產(chǎn)數(shù)據(jù)，控制設(shè)備運(yùn)行，具有故障報(bào)警、數(shù)據(jù)歸檔、報(bào)表生成等功能。工程師站主要用于軟件組態(tài)編程、下載調(diào)試和系統(tǒng)診斷。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4 系統(tǒng)硬件配置

電石爐S7-1500系統(tǒng)CPU選用1515-2PN標(biāo)準(zhǔn)型CPU。電源模塊可選擇24VDC系統(tǒng)電源PS或/和24V負(fù)載電源PM。系統(tǒng)電源連接到背板總線(xiàn)并專(zhuān)門(mén)為背板總線(xiàn)提供內(nèi)部所需的系統(tǒng)電源。負(fù)載電源為CPU、系統(tǒng)電源、信號(hào)模塊、接口模塊等提供DC 24V電源。分布式I/O系統(tǒng)選用ET200MP，CPU中央機(jī)架和分布式I/O系統(tǒng)中的信號(hào)模塊包括32×24VDC高性能型數(shù)字量輸入模塊、32×24VDC高性能型數(shù)字量輸出模塊、8×U/I/RTD/TC標(biāo)準(zhǔn)型模擬量輸入模塊、8×U/I高速型模擬量輸出模塊。各類(lèi)信號(hào)模塊均使用相同的螺釘型40針35mm模塊前連接器。通信模塊選用PtP RS422/485高性能型通訊模塊。接口模塊選用155-5PN標(biāo)準(zhǔn)型接口模塊。CPU中央機(jī)架和分布式I/O系統(tǒng)的機(jī)架均使用482mm安裝導(dǎo)軌。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■5.1 PLC編程

使用西門(mén)子TIA博途STEP 7專(zhuān)業(yè)版組態(tài)軟件編寫(xiě)電石爐S7-1500系統(tǒng)PLC程序，PLC編程主要包括硬件組態(tài)和程序編寫(xiě)。

5.1.1 硬件組態(tài)

博途STEP 7組態(tài)軟件中新建項(xiàng)目，添加電石 爐1515-2PN CPU，組態(tài)PROFINET接口的以太網(wǎng)地址及其它CPU參數(shù)。在中央機(jī)架CPU右側(cè)添加信號(hào)模塊和通信模塊。信號(hào)模塊設(shè)定信號(hào)模塊的I/O地址、模塊通道測(cè)量類(lèi)型和范圍等參數(shù)。通信模塊設(shè)定RS422/485接口的I/O地址、操作模式和端口參數(shù)等其它參數(shù)。中央機(jī)架硬件組態(tài)如圖2所示。

圖2 中央機(jī)架硬件組態(tài)

在網(wǎng)絡(luò)視圖界面中，將電石爐所有分布式I/O從站的155-5PN ST接口模塊添加到PN/IE子網(wǎng)中。返回設(shè)備視圖，對(duì)每個(gè)分布式I/O從站添加信號(hào)模塊并組態(tài)。程序硬件組態(tài)網(wǎng)絡(luò)視圖如圖3所示。

圖3 硬件組態(tài)網(wǎng)絡(luò)視圖

5.1.2 程序編寫(xiě)

電石爐PLC編程語(yǔ)言主要使用梯形圖LAD，個(gè)別程序段使用語(yǔ)句表STL。程序主要由組織塊OB、功能塊FB、功能FC、數(shù)據(jù)塊DB、系統(tǒng)功能塊SFB和系統(tǒng)功能SFC組成。組織塊包括主程序掃描組織塊OB1、啟動(dòng)組織塊OB100和各類(lèi)中斷組織塊。電石爐程序復(fù)雜，采用結(jié)構(gòu)化編程[2]方式，將電石爐控制任務(wù)按電爐工藝流程或設(shè)備劃分為多個(gè)較小的子任務(wù)，這些子任務(wù)的程序和數(shù)據(jù)編寫(xiě)在功能塊、功能和共享數(shù)據(jù)塊中。同類(lèi)多個(gè)設(shè)備的控制，使用功能塊的多重實(shí)例。在該類(lèi)設(shè)備功能塊或功能中通過(guò)一個(gè)功能塊控制多個(gè)相同設(shè)備，每個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)保存在一個(gè)或多個(gè)背景數(shù)據(jù)塊中。除了自己編程外，使用CPU提供的可在用戶(hù)程序中調(diào)用的預(yù)編程系統(tǒng)功能塊和功能。

電石爐程序主要功能包括電極位置自動(dòng)調(diào)節(jié)、電極消耗補(bǔ)充、自動(dòng)連續(xù)配上料、料倉(cāng)刮板伸縮、料倉(cāng)缺料堵料檢測(cè)、電爐變壓器檔位升降、爐氣壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)、電極加熱、爐底冷卻、液壓系統(tǒng)設(shè)備啟停、各種生產(chǎn)操作和生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、與除塵系統(tǒng)等其它工段通信交換數(shù)據(jù)等。

■5.2 上位機(jī)軟件組態(tài)

圖5 配上料系統(tǒng)畫(huà)面

使用西門(mén)子WinCC V7.2或更高版本組態(tài)軟件進(jìn)行電石爐S7-1500系統(tǒng)上位機(jī)軟件組態(tài)，軟件組態(tài)主要內(nèi)容包括通信與變量組態(tài)、畫(huà)面組態(tài)、過(guò)程值歸檔組態(tài)、報(bào)警組態(tài)和報(bào)表組態(tài)。

WinCC與S7-1500 PLC之間使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行以太網(wǎng)通信。在工控機(jī)控制面板“設(shè)置PG/PC接口”選項(xiàng)界面中，添加一個(gè)“CP-TCPIP”訪問(wèn)點(diǎn)并為其分配使用TCPIP協(xié)議的普通以太網(wǎng)卡。在WinCC變量管理中，添加驅(qū)動(dòng)程序“SIMATIC S7-1200,S7-1500 Channel”。在通道單元“OMS+”中建立一個(gè)電石爐連接，設(shè)置IP地址、訪問(wèn)點(diǎn)、產(chǎn)品系列連接參數(shù)。電石爐WinCC項(xiàng)目變量數(shù)量較多，為方便變量的查找，將變量按設(shè)備分組。在WinCC用戶(hù)管理器中為用戶(hù)分配WinCC功能的訪問(wèn)權(quán)限，用戶(hù)需在起始畫(huà)面登錄后再進(jìn)入操作畫(huà)面，確保電爐生產(chǎn)操作安全可靠。電石爐操作畫(huà)面包括電爐主畫(huà)面、配上料系統(tǒng)畫(huà)面、水分配器畫(huà)面、歷史趨勢(shì)畫(huà)面和報(bào)警信息畫(huà)面等。用戶(hù)使用操作畫(huà)面菜單欄上的按鈕，可將當(dāng)前操作畫(huà)面切換至其它畫(huà)面。操作畫(huà)面實(shí)時(shí)顯示工藝流程、系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、儀表參數(shù)、冶煉數(shù)據(jù)歷史變化趨勢(shì)等信息。用戶(hù)通過(guò)操作畫(huà)面可設(shè)置系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，控制系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行。電爐主畫(huà)面、配上料系統(tǒng)畫(huà)面和水分配器畫(huà)面如圖4~圖6所示。使用WinCC過(guò)程值歸檔功能采集和歸檔電石爐冶煉的過(guò)程數(shù)據(jù)，過(guò)程數(shù)據(jù)在歸檔數(shù)據(jù)庫(kù)中保存1個(gè)月，為 WinCC項(xiàng)目的趨勢(shì)和報(bào)表提供歷史數(shù)據(jù)。使用WinCC消息系統(tǒng)功能，在報(bào)警記錄界面中實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)設(shè)備的報(bào)警和故障等信息，并將這些信息歸檔。使用WinCC DataMonitor選件，定時(shí)以Microsoft Excel文件形式生成并發(fā)布電爐冶煉歷史數(shù)據(jù)報(bào)表。

圖4 電爐主畫(huà)面

圖6 水分配器畫(huà)面

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、配置系統(tǒng)硬件、編寫(xiě)PLC程序和組態(tài)上位機(jī)軟件，詳細(xì)闡述了西門(mén)子S7-1500系統(tǒng)在電石爐中的應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，為電石爐連續(xù)冶煉提供了保障。該系統(tǒng)憑借優(yōu)越的性能，強(qiáng)大的可操作性，提升了電石爐控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，減少了現(xiàn)場(chǎng)工人的數(shù)量和勞動(dòng)量，降低了企業(yè)的人力成本，最大限度釋放了機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)能力，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。