一、 引 言

　　隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展， 特別是控制技術(shù)，工業(yè)IT技術(shù)，數(shù)據(jù)庫技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等普及應(yīng)用，對現(xiàn)代化企業(yè)的工業(yè)過程控制要求越來越高，全自動計量配料控制系統(tǒng)在各行業(yè)的應(yīng)用已屢見不鮮，它是成品生產(chǎn)的首要環(huán)節(jié)，特別是有連續(xù)供料要求的行業(yè)，其配比的過程控制直接影響了成品的質(zhì)量，它是企業(yè)取得最佳經(jīng)濟(jì)效益的先決條件。雖然行業(yè)各自不同的工藝特點對配料控制要求也不同，但其高可靠性，先進(jìn)性，開放性，免維護(hù)性，可擴(kuò)展性是各行業(yè)所追求的一致目標(biāo)。而西門子SIMATIC工業(yè)自動化產(chǎn)品正是符合當(dāng)今這一潮流的代表。

二、 項目簡介

　　在配煤煉焦生產(chǎn)工藝過程中，需要將各種不同的精煤如：肥煤、氣煤、瘦煤、焦煤、貧煤等以適當(dāng)比例配合成混合煤稱之為自動配煤過程，它是整個焦化生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)，對生產(chǎn)高質(zhì)量的焦炭、合理利用煤炭資源及生產(chǎn)成本控制具有重大意義。山西太鋼焦化有限公司（太鋼合資經(jīng)營企業(yè)─惠晉焦業(yè)）7.63米焦?fàn)t有著“中國第一爐”之稱，乃至亞洲最大焦?fàn)t，它屬于先進(jìn)環(huán)保的搗固焦?fàn)t，該工程由德國伍德公司提供焦?fàn)t技術(shù)，負(fù)責(zé)初步設(shè)計，最終形成年產(chǎn)全焦115萬噸的生產(chǎn)能力，可確保太鋼300萬噸/年不銹鋼生產(chǎn)所需優(yōu)質(zhì)鐵水對焦炭低硫高強(qiáng)度的要求，實現(xiàn)大型、高效、環(huán)保、節(jié)能的清潔生產(chǎn)目標(biāo)，是太鋼實施全力打造全球最具競爭力的不銹鋼企業(yè)戰(zhàn)略步驟之一。為使焦?fàn)t煤料的配比更加準(zhǔn)確及系統(tǒng)可靠，實現(xiàn)自動配煤裝置智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，向企業(yè)級實時數(shù)據(jù)庫和管理數(shù)據(jù)庫提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來源，為此在反復(fù)比較了當(dāng)今市場流行的自動化方案優(yōu)劣基礎(chǔ)上，最后選擇西門子SIMATIC自動化產(chǎn)品解決方案，由上海大和衡器有限公司進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計集成。

　　焦化廠外景照

三、 系統(tǒng)工藝要求

　　1. 工藝概述

　　每個儲煤槽中的單種煤通過圓盤給料機(jī)均勻地落到定量給料機(jī)皮帶上，稱量和速度信號分別進(jìn)入到控制系統(tǒng)，經(jīng)過乘積運(yùn)算處理計算出實際給料量，將實際給料量與設(shè)定的給料量不斷進(jìn)行比較輸出兩路PID控制信號，分別對圓盤給料機(jī)和定量給料皮帶機(jī)進(jìn)行雙變頻調(diào)速控制，使之精確地以恒定的期望給料速率出料，保持每臺CFW給料流量的恒定，以確保所設(shè)定總配比的要求。自動配煤裝置實現(xiàn)24套圓盤給料機(jī)、定量給料機(jī)的順序起停、報警以及模擬量的輸入、輸出，實現(xiàn)系統(tǒng)全自動、半自動及手動的控制，完成不同原煤料混勻給料、煤比計算及配煤流量控制并實現(xiàn)配料系統(tǒng)與帶式輸送機(jī)的起停連鎖。圓盤及定量給料皮帶機(jī)原理

　　如圖1所示：

　　2.計量控制原理

　　CFW定量給料機(jī)主要分為四大單元：稱重單元、皮帶測速單元、積算控制單元、驅(qū)動單元，其中稱重單元，皮帶測速單元，驅(qū)動單元作為給料機(jī)的部件安裝在機(jī)械本體上。稱重單元主要由計量托輥和兩個應(yīng)變式荷重傳感器組成。稱重傳感器安裝在高精度的平臺上，其測量出輸送帶上物料的單位長度重量；皮帶測速單元采用高精度脈沖編碼器安裝在從動滾筒的軸端，通過滾筒轉(zhuǎn)動產(chǎn)生脈沖信號，以上重量信號（毫伏級）及脈沖信號分別傳送至積算控制系統(tǒng)。

　　其積算稱重原理如下所示：

　　Q：輸送量 （重量范圍 0～t1） （kg）

　　q：瞬時輸送量 （kg/min）

　　W：物料的單位長度重量 （kg/m） （載荷密度）

　　V：皮帶速率 （m/min）

　　設(shè)輸送帶的運(yùn)行長度為［l］，輸送帶的速度為［v］，輸送帶運(yùn)行時間為［t］，

　　其關(guān)系為l=vt

　　因此在輸送帶運(yùn)行了t1時間后，輸送帶的運(yùn)行長度為l1=vt1，那么，輸送流量可用下列方程式表示：

　　給料機(jī)的輸送量為A，B，C三點所包圍的面積。

　　如下圖所示。

　　A

　　W = f （l） ： 在任選的單位運(yùn)行長度 ［l］上的載荷密度

　　Wdl ： 在微小運(yùn)行距離（dl）上的輸送量

　　上述表明：要計算獲得輸送量，需通過稱量傳感器檢測到煤流的單位長度的瞬時重量信號，同時速度傳感器檢測到速度脈沖信號。通過控制儀表將重量信號與速信號進(jìn)行乘積運(yùn)算，從而求得輸送量，并通過輸送量積算求得累積量。

3.工藝設(shè)備主要參數(shù)

　　物料粒度： 0～80mm

　　物料散密度： 800kg/m3

　　物料水分： 10～12％

　　物料溫度： 常溫

　　給料方式： 圓盤給料

　　皮帶驅(qū)動電機(jī)： 3.7KW 3φAC380V

　　圓盤驅(qū)動電機(jī)： 15KW 3φAC380V

　　軸端編碼器： 600P/R DC12V～24V

　　給料機(jī)輸送帶寬度： 800mm

　　輸送機(jī)能力范圍： 10～100t/h

　　輸送機(jī)速度： 0.1m/s～1m/s

　　輸送機(jī)傾斜角度： 0℃

　　輸送機(jī)頭、尾滾筒中心距： 3m～3.5m

　　配料秤系統(tǒng)精度： 優(yōu)于0.5%

四、 控制系統(tǒng)構(gòu)成

　　1．系統(tǒng)總貌

　　整個自動配煤裝置為生產(chǎn)現(xiàn)場無人化管理，所有的操作和監(jiān)視均在中央控制室中進(jìn)行，系統(tǒng)采用分布式計算機(jī)監(jiān)控管理方式，主要由兩套西門子S7-300PLC、兩套WINCC V6.0監(jiān)控軟件及工控機(jī)、48套SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE70工程型變頻器、24臺CFC-200回路調(diào)節(jié)控制器、3套OSM等控制單元構(gòu)成一個基于TCP/IP 100M光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的SCADA系統(tǒng)。其中各關(guān)鍵裝置如：PLC、變頻器、調(diào)節(jié)控制器、分布式I/O之間數(shù)據(jù)傳輸采用Profibus-DP協(xié)議通訊方式，以確保高實時性和高動態(tài)響應(yīng)要求，Profibus通訊速率最高可達(dá)12Mbit/S， 8個節(jié)點網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總線循環(huán)時間最快可至0.2ms，在全球制造業(yè)自動化和流程工業(yè)自動化的總安裝站點數(shù)已突破1千萬，比任何其它現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)高出許多，它的節(jié)點設(shè)備數(shù)量占有率目前穩(wěn)具全球第一，它是全球范圍內(nèi)目前唯一能夠以標(biāo)準(zhǔn)方式應(yīng)用于所有領(lǐng)域并貫穿整個過程鏈的現(xiàn)場總線。這種系統(tǒng)架構(gòu)充分利用發(fā)揮了西門子SIMATIC自動化產(chǎn)品的資源，具有高可靠性，強(qiáng)抗干擾能力和靈活的可擴(kuò)充性，可獨立完成對設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，精度控制，監(jiān)控聯(lián)鎖。上位機(jī)WINCC V6.0組態(tài)軟件作為HMI，通過操作畫面對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，報警，實現(xiàn)生產(chǎn)工藝過程參數(shù)的實時曲線、歷史趨勢顯示、報警記錄、配方管理、產(chǎn)量統(tǒng)計、各類數(shù)據(jù)歸檔和安全連鎖保護(hù)，同時通過VBA編程實現(xiàn)Excel報表輸出、打印及預(yù)覽等功能。系統(tǒng)需要監(jiān)測重量、速度、位置、缺料、堵料、皮帶打滑、電機(jī)啟停、電流、轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速等一千多個模擬量I/O和數(shù)字量I/O控制點，具有48個PID閉環(huán)控制回路和2套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)操作站。整套系統(tǒng)通過光纖交換機(jī)進(jìn)入Ethernet與焦業(yè)公司的其它焦化工藝段及廠級管理網(wǎng)進(jìn)行銜接，達(dá)到管控一體化水平。自動配煤裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示：

　　2．系統(tǒng)配置

　　本系統(tǒng)24臺配煤秤分為兩個工藝段各為12臺，每個工藝段控制單元由1個S7-315-2DP CPU主站（含1個本地擴(kuò)展主站）及2個ET200M從站、12個CFC-200及6SE70變頻器配帶CBP2從站所組成，兩個工藝段控制單元經(jīng)光纖工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行互連，兩臺帶有WinCC V6.0的工控機(jī)組成配煤系統(tǒng)操作員站，其中一臺兼有工程師站功能。

　?。?）硬件配置組成（2套控制柜）

　　控制系統(tǒng)主要采用西門子SIMATIC系列產(chǎn)品，其硬件主要配置如下：

　　工控機(jī)：ADVANTECH IPC-610、P4/2.8GHz/80Gb/512Mb/CP1613網(wǎng)卡/19’LCD 2套。

　　電源：SITOP電源 24VDC/10A 2個；PS307 24VDC/5A電源模塊 6套；

　　UPS 3KVA在線式 2套。

　　PLC： CPU 315-2DP 2套；

　　SM 321 DI模板 18塊；

　　SM 322 DO模板 8塊；

　　SM 331 AI模板 4塊；

　　CP343-1 以太網(wǎng)模板 2塊；

　　CP342-5 DP模板 2塊；

　　ET200M IM 153-1分布式接口模板 4塊。

　?。?）驅(qū)動配置組成（8套變頻柜）

　　變頻器采用西門子SIMOVERT MASTERDRIVES矢量控制系列產(chǎn)品，其產(chǎn)品配置如下：

　　變頻器：SIEMENS 6SE70234EC61 15KW 24臺（控制圓盤驅(qū)動）；

　　SIEMENS 6SE70210EA61 4KW 24臺（控制皮帶驅(qū)動）。

　　Profibus-DP通訊板：CBP2 48塊。

　　變頻操作面板：OP1S 2塊。

　　SITOP電源：380V AC/24VDC/10A 8個。

　　驅(qū)動裝置：SEW-EURODRIVE 軸裝式電機(jī)/減速機(jī)一體化裝置 48套。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)及軟件配置

　　OSM光纖交換機(jī)： TP22 6GK1105-2AE00 2套；

　　TP62 6GK1105-2AB10 1套。

　　軟件： STEP7 V5.3 1套；

　　WINCC V6.0+SP3 RT 64K 2套；

　　RC 64K 1套；

　　SOFTNET-S7 V6.2 2套。

　?。?）稱重部件配置

　　計量稱重檢測部件主要采用Yamato系列產(chǎn)品

　　稱重傳感器：UB2-100kg 48個。

　　測速單元：LE-627 24套。

　　回路調(diào)節(jié)控制單元：CFC-200C 24套。

　　自動標(biāo)定驅(qū)動單元：ORIENTAL-MOTOR 2RK6GN 24套。

3．網(wǎng)絡(luò)通訊

　　為了滿足在設(shè)備層、控制層及信息層的不同要求，西門子具有多種通信網(wǎng)絡(luò)及國際標(biāo)準(zhǔn)解決方案供我們選擇，主要有Industrial Ethernet、PROFINET、OPEN IE、Profibus、AS-I、EIB、MPI、PtP、MODBUS和3964R等通信方式。

　　根據(jù)本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊要求和特點，在設(shè)備層與控制層之間我們選用了Profibus-DP通訊方式，其優(yōu)點是適合實時性要求高、多個從站設(shè)備位置分散、快速周期性數(shù)據(jù)交換等場合，每套SIMATIC S7-315-2DP CPU所集成的DP口作為分布式I/O ET200M（2套）和CFC-200回路調(diào)節(jié)控制器（12套）的DP1主站，另一路由擴(kuò)展CP342-5模塊作為DP2主站，連接SIMOVERT MASTERDRIVES矢量變頻器 SIEMENS 6SE70+CBP2（24套從站），以上兩路Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)確保了配煤系統(tǒng)的綜合精度、快速數(shù)據(jù)交換、同步響應(yīng)、可靠性、故障診斷和維護(hù)等方面的總體性能要求。

　　控制層與信息層采用TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)通訊，CP343-1以太網(wǎng)模板使S7-300 PLC成為工業(yè)以太網(wǎng)的一個節(jié)點并通過Siemens OSM TP62光纖交換機(jī)建立起PC站對控制層的訪問通道，操作站/工程師站配置Siemens CP1613網(wǎng)卡通過專用雙絞線與OSM連接，3臺OSM交換機(jī)通過光纖連接構(gòu)成一個100M環(huán)形的主網(wǎng)，工業(yè)以太網(wǎng)適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)的交換和遠(yuǎn)距離傳輸，是目前實現(xiàn)自動化系統(tǒng)與計算機(jī)系統(tǒng)間通訊的理想選擇。

　　OSM具有如下特點：

　　·通訊可靠，網(wǎng)絡(luò)出錯后可迅速重構(gòu)（《0.3秒）

　　·通過集成的冗余管理器可以實現(xiàn)快速介質(zhì)冗余

　　·通過100Mbit/s的高速率和負(fù)載隔離技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的提升

　　·冗余環(huán)中的通訊速率為百兆，每個環(huán)上最多可使用50個OSM

　　·使用多模光纖的兩個模塊間的最大距離是3000m

　　·簡單的網(wǎng)絡(luò)配置和擴(kuò)展診斷

　　·24V DC冗余供電

4．STEP7及WINCC編程組態(tài)

　　配煤控制系統(tǒng)以SIMATIC Step7 V5.3和WinCC V6.0為軟件開發(fā)平臺；STEP7編程軟件包主要完成S7-300、ET200M類型配置、物理地址配置、硬件組態(tài)配置、網(wǎng)絡(luò)通信端口配置、OB、FB、FC編程等任務(wù)，WinCC V6.0是SIMATIC全集成自動化的重要組成部分，它向用戶提供了極大的應(yīng)用靈活性和系統(tǒng)開方性，在工業(yè)自動化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是當(dāng)今優(yōu)秀的HMI/SCADA軟件。

　?。?）STEP7編程及硬件組態(tài)

　　PLC軟件設(shè)計中充分利用STEP7的結(jié)構(gòu)化編程方式，根據(jù)不同的需要建立起公共的功能塊，經(jīng)參數(shù)傳遞來反復(fù)進(jìn)行調(diào)用，因而整個系統(tǒng)程序?qū)哟畏置鳎子诶斫夂托薷摹?/p>

　　SIMATIC STEP7 H/W Config中組態(tài)配置內(nèi)容包括：硬件名稱和類型選擇、模塊安裝次序、模塊I/O地址、GSD文件安裝、DP網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（主從站地址、傳輸速率、操作模式）等。

　　H/W硬件配置如下圖所示：

　　圖3：Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)硬件配置圖

　　（2）通信編程

　　西門子S7-315-2DP CPU作為DP Master站訪問各類從站，其通信編程方法有多種，最常用的是在OB1中調(diào)用通訊系統(tǒng)功能塊SFC14和SFC15來完成從站上的I/O數(shù)據(jù)的讀寫訪問，本項目中以上主站通信對應(yīng)的從站類型包含分布式I/O ET200M和調(diào)節(jié)控制器CFC-200。