武漢科技大學信息科學與工程學院 童堯斌 潘煉
1 引言
隨著計算機技術(shù)引入工業(yè)控制系統(tǒng)，PLC已經(jīng)成為工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的重要組成部分。包鋼原料場是一個大型綜合原料處理系統(tǒng)，整個綜合料場占地約6平方公里。要保證一個大型現(xiàn)代化鋼鐵企業(yè)正常運轉(zhuǎn)，首先必須保證原料正常、穩(wěn)定、高效供應。包鋼原料場工藝復雜、設備多、距離長，原料場主要生產(chǎn)設備有：膠帶運輸機、堆料機、取料機、帶斗門機、圓盤給料機、卸車機、移動小車等。由這些設備組成輸入、混勻、配料、輸出等主要系統(tǒng)。這些運輸系統(tǒng)由皮帶運輸機構(gòu)成復雜的運輸網(wǎng)絡，工藝流程復雜。為提高設備效率，穩(wěn)定地向高爐、燒結(jié)供料，必須實現(xiàn)原料處理作業(yè)的自動化控制[1]。
2 控制系統(tǒng)的組成及原理
電氣控制設備主要由浙江中控技術(shù)有限公司的GCS-1控制系統(tǒng)和各種電機和變頻器組成。
圖1 系統(tǒng)整體網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)拓撲圖
2.1 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)
2.1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖
由于整個料場設備很多，所以控制系統(tǒng)依據(jù)現(xiàn)場電氣的分配原則分為11個控制站（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)的各個設備。每個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)度室進行通訊，來實現(xiàn)設備的監(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)絡結(jié)構(gòu)中采用冗余方式。雙層光纖環(huán)網(wǎng)由兩個平行的單層光纖環(huán)網(wǎng)構(gòu)成，主要網(wǎng)絡部件采用MOXA的光纖轉(zhuǎn)RJ45口的光纖環(huán)網(wǎng)交換機。它除了具備光纖網(wǎng)絡的傳輸距離遠，傳輸信號不易受到干擾的特點外，還具有環(huán)網(wǎng)的優(yōu)點，處在環(huán)網(wǎng)中的任何節(jié)點斷開或環(huán)網(wǎng)中的任一點斷開，并不會影響網(wǎng)絡的正常運行，只是由原來的環(huán)網(wǎng)變?yōu)閱慰偩€的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，從而提高了網(wǎng)絡的可靠性。雙層的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)本身就具有冗余的功能，使網(wǎng)絡更加可靠。
2.1.3 控制站內(nèi)部網(wǎng)絡結(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，各有兩個光纖環(huán)網(wǎng)交換機，用于連接兩層光纖環(huán)網(wǎng)。由于整個綜合料場是一個整體，工藝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊密，設備間連鎖信號較多，而我們各個控制站的分站原則是按照電氣站進行分離的，主要依據(jù)是現(xiàn)場各個設備所在的地理位置，人為將整個系統(tǒng)進行分割，所以在各個控制站的站間數(shù)據(jù)交換將非常頻繁，而且相對比較重要，因此我們將CPU以太網(wǎng)接口直接與光纖交換機相連。
2.2 控制原理
綜合料場作業(yè)流程控制是一種生產(chǎn)過程控制。原料運輸與加工的生產(chǎn)過程，是在統(tǒng)一控制下的一群設備的集約化行動。原料區(qū)改造后共有作業(yè)流程335條，其中允許同時運行的流程32條;運行過程中可切換路線的流程有49組98條;運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行。考慮到系統(tǒng)能力充裕，輸送物料相同，起點不同，終點相同的若干流程可不互相干擾，允許同時交叉運轉(zhuǎn)。另外，還有一些流程可以相互切換。
2） 綜合料場最多可以有25條無相關(guān)設備的互相不干擾的流程，這些流程可以同時運行。
3） 不論是原料運輸作業(yè)還是加工作業(yè)，流程的啟動、給料、順停全過程，必須完全符合工藝要求，必須把整個生產(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、順序停止或設備故障，不影響正在運行的其它流程。
5） 具有完善的流程狀態(tài)演變過程的顯示和報警功能，可保障運行安全，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要說明。
設備自動啟動條件具備，自動狀態(tài)下按下啟動按鈕（或順啟條件具備），首先輸出電鈴信號，發(fā)出啟動警報，同時開始計時，3秒后發(fā)出皮帶啟動指令輸出至現(xiàn)場接觸器，使其動作，啟動電機，同時返回設備運行信號，會同啟動輸出指令一起為DO輸出做自保持。當按下停止按鈕后，自動啟動回路斷開，DO無輸出，接觸器斷開，設備停止。
設備手動啟動條件具備，手動狀態(tài)下按下手動啟動壓扣，手動啟動回路接通，發(fā)出皮帶啟動輸出指令至現(xiàn)場接觸器，接觸器動作，啟動電機，同時返回設備運行信號，會同啟動輸出指令一起為DO輸出做自保持。當按下手動停止按鈕后，手動啟動回路斷開，DO無輸出，接觸器斷開，設備停止。
2.2.2 設備連鎖停止
當所選料線設備正常運行，若料線其中一個設備停止（故障或非故障停車），則所選料線此設備上游設備將聯(lián)鎖停止，下游設備仍保持運行。例如，若所選料線為A1→A2→A3→A4→A5→A6都處于運行裝態(tài)，當A5出現(xiàn)故障停車時，其上游設備A1→A2→A3→A4都將停止，而下游設備A6則仍處于運行狀態(tài)。由于料場控制是順控的過程，這樣可以避免因中間設備故障停機而發(fā)生堆料情況，有效地減少經(jīng)濟損失。
2.2.3 設備順起
設備順起首先要確定所選料線中各設備具備自動啟動條件。選擇合適料線，按下順起按鈕后，設備將從所選料線從下往上逐個啟動。直至所選擇的料線全部啟動完畢后或順起指令發(fā)出100秒后順起復位。若順起失敗或其他原因需要停止設備啟動，則可按下順起復位按鈕將其手動復位。
2.2.4 倒系統(tǒng)
當所選料線設備正常運行，若需要小范圍更改料線而不是整個系統(tǒng)停車，則可執(zhí)行“倒系統(tǒng)”操作。此時倒系統(tǒng)不會使整個系統(tǒng)停車，但是在倒系統(tǒng)結(jié)束后，應及時點擊“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)場時常會發(fā)生人們難以預料的情況，此時如果每個設備都要現(xiàn)場操作人員手動停止的話，往往可能快速性不夠，很難達到一有情況就全線立即停車的目的。在軟件中設置“急停”，保證對現(xiàn)場事故迅速作出反應，最大限量達到避免現(xiàn)場操作人員傷亡和減少經(jīng)濟損失的效果。當監(jiān)控畫面按下“急停”按鈕時，整個料場系統(tǒng)所有設備都會無條件停車。
3 系統(tǒng)功能
（1）按照生產(chǎn)需要選擇上料、堆料、取料、應急取料等不同的流程， 并控制流程上設備的順序啟動、同時啟動、順序停止、同時停止、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， 改變或設定各種含鐵原料的配比，通過自動配料控制系統(tǒng)實現(xiàn)所選原料按配比下料。
（3）報表打印功能?？梢栽诿看胃淖兣浔群髮⒃浔群托屡浔却蛴〕鰜? 可以統(tǒng)計各班的配料總量、各種原料的消耗量， 在當班結(jié)束時打印出來; 統(tǒng)計每月的配料總量、各種原料的月消耗量，每月末以報表的形式打印出來。
（4）報警功能。本控制系統(tǒng)可以在生產(chǎn)過程中實時監(jiān)控各種關(guān)鍵設備的運行狀況，若設備的運行參數(shù)超出預先設定的上下限，則在主控室的上位機上發(fā)出報警信息，提醒操作人員采取相應的措施。
（5）故障記錄功能。本系統(tǒng)可以記錄在運行過程中出現(xiàn)故障的設備， 故障時間及有關(guān)故障的簡單信息， 方便維護人員維護系統(tǒng)設備[3]。
4 結(jié)束語
系統(tǒng)自調(diào)試、投入運行以來，運行狀態(tài)良好。實踐證明，采用GCS-1控制系統(tǒng)及光纖環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，很好的適應了控制設備多、采集分站較多、地域分布較廣、實時性要求較高，系統(tǒng)可靠性要求高的場合，解決了綜合料場各控制站與中心控制站數(shù)據(jù)交換的問題，使現(xiàn)場設備在中心調(diào)度室進行集中控制節(jié)省了大量的操作人員和項目投資。在整個系統(tǒng)中，PLC、變頻器和網(wǎng)絡的結(jié)合使用，減少了現(xiàn)場電纜的敷設，提高了設備的可靠運行和自動化程度，降低了設備維護量，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
[1] 王沖輪.PLC在馬鋼原料場自動化控制系統(tǒng)中的應用[J].電氣應用,2005,24（1）:110～112
[2] 付應紅，李曉帆，項進解.軟PLC（SoftPLC）技術(shù)、產(chǎn)品及控制方案探討[J].微計算機信，2000，16（5）：27～29
[3] 鄭晨，鞏建平.現(xiàn)代可編程控制器原理與應用[M].（第三版）.北京：科學出版社，1997
