武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 童堯斌 潘煉

1 引言
　　
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)引入工業(yè)控制系統(tǒng)，PLC已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的重要組成部分。包鋼原料場(chǎng)是一個(gè)大型綜合原料處理系統(tǒng)，整個(gè)綜合料場(chǎng)占地約6平方公里。要保證一個(gè)大型現(xiàn)代化鋼鐵企業(yè)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，首先必須保證原料正常、穩(wěn)定、高效供應(yīng)。包鋼原料場(chǎng)工藝復(fù)雜、設(shè)備多、距離長(zhǎng)，原料場(chǎng)主要生產(chǎn)設(shè)備有：膠帶運(yùn)輸機(jī)、堆料機(jī)、取料機(jī)、帶斗門機(jī)、圓盤給料機(jī)、卸車機(jī)、移動(dòng)小車等。由這些設(shè)備組成輸入、混勻、配料、輸出等主要系統(tǒng)。這些運(yùn)輸系統(tǒng)由皮帶運(yùn)輸機(jī)構(gòu)成復(fù)雜的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，工藝流程復(fù)雜。為提高設(shè)備效率，穩(wěn)定地向高爐、燒結(jié)供料，必須實(shí)現(xiàn)原料處理作業(yè)的自動(dòng)化控制[1]。

2 控制系統(tǒng)的組成及原理
　　
電氣控制設(shè)備主要由浙江中控技術(shù)有限公司的GCS-1控制系統(tǒng)和各種電機(jī)和變頻器組成。

圖1 系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D
　　
2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
　　
2.1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
　　
由于整個(gè)料場(chǎng)設(shè)備很多，所以控制系統(tǒng)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電氣的分配原則分為11個(gè)控制站（電磁站），分別控制混勻系統(tǒng)、卸料系統(tǒng)、礦石及焦炭篩分系統(tǒng)、原料輸入系統(tǒng)、原料輸出系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備。每個(gè)控制站均采用冗余的PLC控制系統(tǒng)，通過雙層雙光纖環(huán)網(wǎng)與中心調(diào)度室進(jìn)行通訊，來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的監(jiān)控。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1。
　　
2.1.2 雙層光纖環(huán)網(wǎng)
　　
由于系統(tǒng)分站較多，地域廣，而且系統(tǒng)要求的可靠性很高，所以在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中采用冗余方式。雙層光纖環(huán)網(wǎng)由兩個(gè)平行的單層光纖環(huán)網(wǎng)構(gòu)成，主要網(wǎng)絡(luò)部件采用MOXA的光纖轉(zhuǎn)RJ45口的光纖環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。它除了具備光纖網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸信號(hào)不易受到干擾的特點(diǎn)外，還具有環(huán)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，處在環(huán)網(wǎng)中的任何節(jié)點(diǎn)斷開或環(huán)網(wǎng)中的任一點(diǎn)斷開，并不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，只是由原來的環(huán)網(wǎng)變?yōu)閱慰偩€的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。雙層的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)本身就具有冗余的功能，使網(wǎng)絡(luò)更加可靠。
　　
2.1.3 控制站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
　　
在各控制站中均配置為冗余的CPU，使各站具有冗余功能，各有兩個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，用于連接兩層光纖環(huán)網(wǎng)。由于整個(gè)綜合料場(chǎng)是一個(gè)整體，工藝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊密，設(shè)備間連鎖信號(hào)較多，而我們各個(gè)控制站的分站原則是按照電氣站進(jìn)行分離的，主要依據(jù)是現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)設(shè)備所在的地理位置，人為將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分割，所以在各個(gè)控制站的站間數(shù)據(jù)交換將非常頻繁，而且相對(duì)比較重要，因此我們將CPU以太網(wǎng)接口直接與光纖交換機(jī)相連。
　　
2.2 控制原理
　　
綜合料場(chǎng)作業(yè)流程控制是一種生產(chǎn)過程控制。原料運(yùn)輸與加工的生產(chǎn)過程，是在統(tǒng)一控制下的一群設(shè)備的集約化行動(dòng)。原料區(qū)改造后共有作業(yè)流程335條，其中允許同時(shí)運(yùn)行的流程32條;運(yùn)行過程中可切換路線的流程有49組98條;運(yùn)行過程中可換料種的流程有11條，此外，還有9組流程具有疊加功能。
　　
流程控制要求：
　　
1） 擁有相關(guān)設(shè)備的流程，稱為互相“干擾”的流程，通常情況下只允許其中一條運(yùn)行?？紤]到系統(tǒng)能力充裕，輸送物料相同，起點(diǎn)不同，終點(diǎn)相同的若干流程可不互相干擾，允許同時(shí)交叉運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，還有一些流程可以相互切換。
　　
2） 綜合料場(chǎng)最多可以有25條無相關(guān)設(shè)備的互相不干擾的流程，這些流程可以同時(shí)運(yùn)行。
　　
3） 不論是原料運(yùn)輸作業(yè)還是加工作業(yè)，流程的啟動(dòng)、給料、順停全過程，必須完全符合工藝要求，必須把整個(gè)生產(chǎn)線上的余料全部排放干凈才能停止。
　　
4） 任一流程的順序啟動(dòng)、順序停止或設(shè)備故障，不影響正在運(yùn)行的其它流程。
　　
5） 具有完善的流程狀態(tài)演變過程的顯示和報(bào)警功能，可保障運(yùn)行安全，操作靈活方便[2]。
　　
2.2.1 皮帶控制程序
　　
皮帶控制包括：普通皮帶控制和正反轉(zhuǎn)皮帶控制，原理類似，下面以普通皮帶控制為例簡(jiǎn)要說明。
　　
設(shè)備自動(dòng)啟動(dòng)條件具備，自動(dòng)狀態(tài)下按下啟動(dòng)按鈕（或順啟條件具備），首先輸出電鈴信號(hào)，發(fā)出啟動(dòng)警報(bào)，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，3秒后發(fā)出皮帶啟動(dòng)指令輸出至現(xiàn)場(chǎng)接觸器，使其動(dòng)作，啟動(dòng)電機(jī)，同時(shí)返回設(shè)備運(yùn)行信號(hào)，會(huì)同啟動(dòng)輸出指令一起為DO輸出做自保持。當(dāng)按下停止按鈕后，自動(dòng)啟動(dòng)回路斷開，DO無輸出，接觸器斷開，設(shè)備停止。
　　
設(shè)備手動(dòng)啟動(dòng)條件具備，手動(dòng)狀態(tài)下按下手動(dòng)啟動(dòng)壓扣，手動(dòng)啟動(dòng)回路接通，發(fā)出皮帶啟動(dòng)輸出指令至現(xiàn)場(chǎng)接觸器，接觸器動(dòng)作，啟動(dòng)電機(jī)，同時(shí)返回設(shè)備運(yùn)行信號(hào)，會(huì)同啟動(dòng)輸出指令一起為DO輸出做自保持。當(dāng)按下手動(dòng)停止按鈕后，手動(dòng)啟動(dòng)回路斷開，DO無輸出，接觸器斷開，設(shè)備停止。
　　
2.2.2 設(shè)備連鎖停止
　　
當(dāng)所選料線設(shè)備正常運(yùn)行，若料線其中一個(gè)設(shè)備停止（故障或非故障停車），則所選料線此設(shè)備上游設(shè)備將聯(lián)鎖停止，下游設(shè)備仍保持運(yùn)行。例如，若所選料線為A1→A2→A3→A4→A5→A6都處于運(yùn)行裝態(tài)，當(dāng)A5出現(xiàn)故障停車時(shí)，其上游設(shè)備A1→A2→A3→A4都將停止，而下游設(shè)備A6則仍處于運(yùn)行狀態(tài)。由于料場(chǎng)控制是順控的過程，這樣可以避免因中間設(shè)備故障停機(jī)而發(fā)生堆料情況，有效地減少經(jīng)濟(jì)損失。
　　
2.2.3 設(shè)備順起
　　
設(shè)備順起首先要確定所選料線中各設(shè)備具備自動(dòng)啟動(dòng)條件。選擇合適料線，按下順起按鈕后，設(shè)備將從所選料線從下往上逐個(gè)啟動(dòng)。直至所選擇的料線全部啟動(dòng)完畢后或順起指令發(fā)出100秒后順起復(fù)位。若順起失敗或其他原因需要停止設(shè)備啟動(dòng)，則可按下順起復(fù)位按鈕將其手動(dòng)復(fù)位。
　　
2.2.4 倒系統(tǒng)
　　
當(dāng)所選料線設(shè)備正常運(yùn)行，若需要小范圍更改料線而不是整個(gè)系統(tǒng)停車，則可執(zhí)行“倒系統(tǒng)”操作。此時(shí)倒系統(tǒng)不會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)停車，但是在倒系統(tǒng)結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)點(diǎn)擊“倒系統(tǒng)”按鈕使倒系統(tǒng)操作結(jié)束。
　　
2.2.5 系統(tǒng)急停
　　
在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)常會(huì)發(fā)生人們難以預(yù)料的情況，此時(shí)如果每個(gè)設(shè)備都要現(xiàn)場(chǎng)操作人員手動(dòng)停止的話，往往可能快速性不夠，很難達(dá)到一有情況就全線立即停車的目的。在軟件中設(shè)置“急停”，保證對(duì)現(xiàn)場(chǎng)事故迅速作出反應(yīng)，最大限量達(dá)到避免現(xiàn)場(chǎng)操作人員傷亡和減少經(jīng)濟(jì)損失的效果。當(dāng)監(jiān)控畫面按下“急停”按鈕時(shí)，整個(gè)料場(chǎng)系統(tǒng)所有設(shè)備都會(huì)無條件停車。

3 系統(tǒng)功能
　　
（1）按照生產(chǎn)需要選擇上料、堆料、取料、應(yīng)急取料等不同的流程， 并控制流程上設(shè)備的順序啟動(dòng)、同時(shí)啟動(dòng)、順序停止、同時(shí)停止、緊急停止、故障停止等。
　　
（2）可以根據(jù)生產(chǎn)需要選擇不同的含鐵原料， 改變或設(shè)定各種含鐵原料的配比，通過自動(dòng)配料控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所選原料按配比下料。
　　
（3）報(bào)表打印功能?？梢栽诿看胃淖兣浔群髮⒃浔群托屡浔却蛴〕鰜? 可以統(tǒng)計(jì)各班的配料總量、各種原料的消耗量， 在當(dāng)班結(jié)束時(shí)打印出來; 統(tǒng)計(jì)每月的配料總量、各種原料的月消耗量，每月末以報(bào)表的形式打印出來。
　　
（4）報(bào)警功能。本控制系統(tǒng)可以在生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控各種關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀況，若設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)超出預(yù)先設(shè)定的上下限，則在主控室的上位機(jī)上發(fā)出報(bào)警信息，提醒操作人員采取相應(yīng)的措施。
　　
（5）故障記錄功能。本系統(tǒng)可以記錄在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障的設(shè)備， 故障時(shí)間及有關(guān)故障的簡(jiǎn)單信息， 方便維護(hù)人員維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備[3]。

4 結(jié)束語
　　
系統(tǒng)自調(diào)試、投入運(yùn)行以來，運(yùn)行狀態(tài)良好。實(shí)踐證明，采用GCS-1控制系統(tǒng)及光纖環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，很好的適應(yīng)了控制設(shè)備多、采集分站較多、地域分布較廣、實(shí)時(shí)性要求較高，系統(tǒng)可靠性要求高的場(chǎng)合，解決了綜合料場(chǎng)各控制站與中心控制站數(shù)據(jù)交換的問題，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在中心調(diào)度室進(jìn)行集中控制節(jié)省了大量的操作人員和項(xiàng)目投資。在整個(gè)系統(tǒng)中，PLC、變頻器和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合使用，減少了現(xiàn)場(chǎng)電纜的敷設(shè)，提高了設(shè)備的可靠運(yùn)行和自動(dòng)化程度，降低了設(shè)備維護(hù)量，且在生產(chǎn)過程中節(jié)省人力、減少中間環(huán)節(jié)，有效提高了生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)
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