西门子PLC在高炉上料自动控制系统中的应用

樊建国

（新疆昆玉钢铁有限公司，新疆伊犁833200）

摘要：新疆昆玉钢铁三座高炉自动控制系统均由西门子公司S7?400可编程控制器和工业微机组成，现对该系统进行简单介绍。该系统为集中控制系统，上位机与PLC之间采用串行通讯完成数据交换，通讯协议为TCP/IP以太网协议。各系统之间互相通讯、多座高炉联网，为实现高炉生产过程控制和生产管理自动化提供了有力的支持。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：西门子PLC；自动控制；通讯

0引言

高炉炼铁是一项比较复杂的生产过程，首先必须在槽下将烧结矿、球团矿、块矿、焦炭、焦丁、熔剂等各种入炉原料混合、搭配合理，再通过高炉上料小车或运输皮带将混合后的原料输送至高炉炉内。准确、及时上料是保证高炉产量和产品质量的前提，本文所述高炉上料方式为双料车循环上料，应用西门子PLC自动控制技术可有效提高上料的准确性、布料的均匀性，保障生产的稳定进行。

1高炉上料系统工艺流程

高炉上料是指从槽下供料到炉顶设备将入炉料（烧结矿、球团矿、焦炭等）装入炉内的全过程。高炉原料从槽下输送到炉顶有两种方式：皮带输送、小车输送。新疆昆玉钢铁三座高炉均采用小车输送方式，小车卷扬机采用交流电机拖动，电机正、反转控制，牵引通过钢丝绳连接的两台料车在斜桥上一上一下交替工作。槽下备料系统有两个熔剂仓、两个球团焦炭混合仓、四个烧结矿仓、四个焦炭仓和一个焦丁仓，烧结矿仓、球团矿仓经振动筛，熔剂仓经给料机后，按配料料单规定送称量料斗称量，然后放料，由槽下主皮带送到地坑称量漏斗。地坑分南、北两个称量斗。料车到料坑后，坑斗把料放入料车，坑斗闸门关到位且炉顶备好后，料车启动。两台料车按生产要求将槽下各种物料由料车卷扬机提升到炉顶，经炉顶受料斗放料阀、上密封阀、料流调节阀、下密封阀，再经布料器将物料均匀地布到炉内。

2西门子PLC系统组成

西门子PLC采用STEP7编程软件对现场设备进行控制编程，有梯形图、语句表、功能块等多种编程语言，上位机通过WinCC监控画面实现对现场设备的操作和监控。硬件系统采用S7?400PLC为主站，通过Profibus?DP网络与ET200从站及炉顶用DP编码器进行数据交换。

新疆昆玉钢铁高炉上料系统中硬件PLC选用了以下模块：（1）CPU模块：CPU416?2DP，程序运行及编辑存储。（2）电源模板：PS407/4A，通过背板总线向模块提供DC5V和DC24V电源。（3）通讯模板：CP443?1，进行通讯和数据交换。（4）ET200从站：是基于Profibus?DP现场总线的分布式I/O，与西门子的其他自动化系统协同运行，采用S7?300全系列模块，最多8个模块。（5）数字量输入模板：DC24V，现场状态信号与PLC控制器之间的接口。（6）数字量输出模板：DC24V，PLC控制器与现场设备的接口。（7）模拟量输入模板：现场模拟量信号与PLC控制器之间的接口。（8）模拟量输出模板：PLC控制器与现场设备的接口。

3槽下自动化控制系统

槽下自动化控制系统主要包括备料自动化控制系统、称量自动化控制系统和卷扬料车自动化控制系统。

3.1备料自动化控制系统

高炉矿槽用振动给料机对入炉原料振动给料，控制料流速度、流量，防止料流阻塞，电机振动使物料连续不断流动，达到均匀输送物料的目的；用振动筛对烧结矿、球团矿、块矿等入炉含铁原料及焦炭、焦丁、熔剂等进行筛分，筛分后合格的原料进入称量斗，筛分出的碎焦则经返碎焦丁皮带运到焦丁仓，筛下碎矿则经返碎矿皮带运到烧结仓。

需要时根据程序使选定的给料机、振动筛、称量斗进行自动备料，备料时自动启动给料机和振动筛向料仓内受料，为避免振动筛压料，PLC内程序设定振动筛启动5s后给料机启动，料仓达到设定秤值时停止振料，备好的入炉原料经槽下1#、2#主皮带输送至集中称量斗，经上料小车输送至炉内。

3.2称量自动化控制系统

为控制炉内料批的大小，操作人员根据炉长下发的料单从上位机输入料种、料批大小及称量斗放料顺序，振动筛根据料批大小自动振料、自动称量，并完成称量误差的自动补偿。当称量斗内原料秤值与设定值之差小于误差范围时，振动筛停止振料。

3.3卷扬料车自动化控制系统

在炼铁高炉上料系统控制中，上料小车的控制是核心。本套设备由主控单元、现场变送单元、连接电缆组成，主控单元由西门子操作面板TD400、西门子S7?200PLC（CPU224）、输出继电器、控制电源等组成；现场变送单元由机座、传动机构和8位绝对型旋转编码器组成，通过旋转编码器和连接电缆将上料小车的位置信号送至主控单元。

对料车的控制有自动和手动两种方式，自动由PLC完成，手动由操作箱转换开关完成。小车在斜桥上运动时，同步带动编码器旋转，PLC采集到的是一系列编码，确定了原点之后，小车在斜桥上整个行程中任一位置都在PLC中有一个唯一的相对于原点的编码，这些编码按十进制整数连续排列，反映小车当前位置与原点之间的距离关系。根据现场实际情况一般把斜桥底部小车装料位置设为原点，TD400面板上显示的“当前位”及其他设定的限位都以原点为参考点。

精度计算：本文料车滚筒直径为1800mm，当卷筒旋转一周时编码器也旋转一周，由于编码器旋转一周为256个码，所以主令精度为3.14×1800/256≈22mm。

也就是当前位每增加1个点，小车实际运行约22mm；每减少1个点，小车反向运行22mm。主控单元内有5个输出继电器

Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4分别作为料车运行中的减速点一、减速点二、低速检查点、上限点、上超限点。当小车上行时当前位编码连续增加，料车上行出料坑时控制系统控制小车高速运行；当小车上行至减速点一时Q0.0输出，控制料车进行一级减速；当小车上行至减速点二时Q0.1输出，控制料车进行二级减速；此时控制系统控制小车低速运行，当小车实际运行速度与变频器给定速度一致时Q0.2输出，表示料车已降至低速运行；当小车上行至上限点时Q0.3输出，控制料车停止；上超限Q0.4直接控制料车接触器，当Q0.4输出时，料车进线接触器直接分闸，抱闸机构动作，以避免料车冲顶，保证控制系统安全。

4炉顶设备自动化逻辑控制

炉顶设备主要包括炉顶阀门、炉顶探尺、溜槽等，炉顶阀门又包括受料斗放料阀、料罐上密封阀、料罐下密封阀、料流调节阀、均压阀、放散阀。根据PLC内部程序，炉顶阀门可实现自动控制和手动控制操作。正常情况下，整个高炉放料过程实现全自动放料，当探尺检测到炉内料面低于设定料线时，探尺自动提起，发出请求放料信号，料罐均压显示“OK”，下密封阀开至全开位置，料流调节阀开至设定角度进行放料，此时溜槽根据设定角度及设定圈数放料，当料罐内出现料空信号时，料流调节阀开至全开位置，标志着一次料罐放料结束。

探尺控制方式：炉内设有两套探尺装置，通过西门子PLC与ABB变频器结合控制放尺和提尺。每套探尺在控制柜柜门都设有操作方式选择开关，包括手动/自动、提尺/放尺及相应指示等，可实现连续测量和点测料面。两个探尺可同时工作，也可任选一个。手动方式可在柜门上操作，自动方式则由程序控制。每放入高炉中一批料，探尺自动下放进行探料，料线到达设定值后允许放料。放料之前，探尺必须提升到零位，以免料线探尺重锤被埋入料层内烧坏。料线测量通过编码器进行，并在上位机上动态显示，料线可通过WinCC监控画面设定。

布料器控制方式：分为旋转角度β控制和倾动角度α控制。旋转角度β控制采用西门子PLC与ABB变频器结合的控制方式，可在WinCC画面设定“N圈/min”，自动控制布料器旋转速度，通过步进角度控制料罐下密封阀开阀位置，步进角度可以在WinCC画面上根据需要设定0～360°范围内任意角度。倾动角度α控制采用西门子PLC与液压控制技术调整布料角度α，通过旋转编码器计算出具体角度值，反馈至PLC，通过WinCC画面显示，供高炉操作人员检测及调整。

5结语

本文讨论了基于西门子PLC的高炉上料自动控制系统的控制情况，本系统已在高炉生产中得到了实际应用，满足了现场的生产工艺要求。

［教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献］

［1］廖常初.S7?300/400PLC应用技术［M］.3版.北京：机械工业出版社，2012.

［2］刘锴，周海.深入浅出西门子S7?300PLC［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004.

收稿日期：2015?06?25

作者简介：樊建国（1988—），男，山东菏泽人，助理工程师，研究方向：电气自动化。