SiemensPLC在石灰窑监控系统中的应用

　摘要：本文介绍了可编程控制器(PLC)在石灰窑监控系统中的应用。PLC除了用于对现场仪表的数据采集和处理以外，还用来完成对现场的机械设备的连锁自动控制。此外，工控组态软件Wincc作为一种标准的人机界面(HMI)被用于监控工业生产的动态过程。本系统中基于软件和硬件的执行情况将在文中作进一步的详细阐述。
关键词：可编程控制器(PLC) 石灰窑 过程监控 Wincc组态软件

Abstract:In this paper,we discuss the application of Programmable Logic Controllers(PLCs) in the process monitoring and control for limekiln production. The PLCs are mainly utilized for collecting process data as well as realizing autocontrolling of field mechanism. In addition, Wincc configuration software with a Human man-Machine Interface (HMI) is used to monitor the dynamical industrial process. Both software and hardware-based implementation of our system are also described in details.
Keywords: PLC Limekiln Process Monitoring and Control Wincc configuration software

0 前言
　　在钢铁公司中，石灰窑产出的石灰一般供炼钢和烧结使用。某钢铁公司现有的是机械石灰竖窑，由于机械石灰竖窑采用固体燃料，生产出的石灰活性度低、CaO的含量低、并且附带对炼钢有害的S、SiO2的含量较高。现代化工业的发展对钢材及质量的要求越来越高，对降低钢中的有害元素及杂质的要求也越来越严格。为了满足市场需求，冶炼高洁净钢日益受到各钢铁企业的重视。针对以上的问题，某钢铁公司根据现有的煤气条件新建一座气烧石灰窑，采用先进的机械设备和控制方法，生产出高活性度、高CaO、低SiO2、低S、低杂质的石灰供给炼钢和烧结，是必要的，也是合理可行的。
　　当前可编程控制器（PLC）是专为工业环境下应用而设计的工业控制计算机，已经成为电气控制系统中应用最为广泛的核心位置，它不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能，并且抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、体积小，能在恶劣环境下长时间、不间断运行，且编程简单，维护方便，并配有各类通讯接口与模块处理，可方便各级连接。

1 石灰窑过程监控系统的运行环境
　　根据生产工艺，石灰窑生产的过程监控部分采用典型的两级监控方式。上位机以标准的工业控制计算机（IPC）作为主要的人机界面(Human-Machine Interface)，为生产管理级，完成对下位机的监控、生产操作管理等，主要面向操作人员；下位机由Siem-
　　ens SIMATIC S7-300 的PLC构成，为基础测控级，完成生产现场的数据采集及过程控制等，面向生产过程。工控组态软件Wincc(Windows Control Center)是一个集成的人机界面（HMI）和监控管理系统，它是Sie-mens公司在过程自动化领域中的先进技术和微软公司强大软件功能相结合的产物，是世界上第一个集成的人机界面（HMI）软件系统。它真实的将工厂控制软件集成到自动化过程中。本文介绍的过程监控系统共需要处理130个数字量输入点、54个数字量输出点、37个模拟量输入点和8个模拟量输出点，下面就该系统的控制要求作简要概述：

（1）在生产过程中，存在大量的物理量，如压力、温度、流量等模拟量参数。需要通过PLC对这些参数进行实时采集和处理。

（2）石灰生产过程自动控制，即实现整个上料和出料过程的全自动控制，进行故障诊断，并在监控画面上显示上料批次以及出料时间。

（3）煤气加压站和空气加压站的控制，煤气流量、煤气压力、空气流量和空气压力采用手操器控制，确保煤气和空气以一定的比例混合，使得窑内的气体燃烧的更充分，并对其故障实现实时报警和连锁停机控制。
根据以上的控制要求，下面我们将详述为满足石灰窑过程监控系统所需要的硬件和软件组态。

2 硬件组态
　　为了满足上面提到的石灰窑过程监控系统的控制要求，在本文中我们采用西门子公司的S7-300可编程控制器，S7-300采用模块化设计，在一块机架底板上可安装电源、CPU、I/O模板、通信处理器CP等模块，并且可以通过接口模块实现多个机架的扩展工作方式。根据要求本系统所选用的硬件如下所示：
（1）研华的工业控制计算机（IPC），操作系统为Windows 2000 Professional,采用Pentium Ⅳ处理器，2.66GHz主频，256M内存，40G硬盘;
（2）Siemens SIMATIC PLC S7-300,CPU 314;
（3）Siemens SIMATIC 8*12bit的模拟量输入模块5块；
（4）Siemens SIMATIC 4*12bit的模拟量输出模块2块；
（5）Siemens SIMATIC 32bit的数字量输入模块10块；
（6）Siemens SIMATIC 32bit的数字量输出模块1块，16bit的数字量输出模块1块；
　　组态的主要工作是完成硬件型号参数设置、通讯模式选择、设定总线地址、传输方式、数据通讯方式等。使用西门子PLC专用编程软件STEP 7进行组态。具体的组态过程是这样的：打开SIMATIC Manager,进入STEP 7，创建一个STEP 7项目，新建S7-300工作站。选中某个站的Hardware并双击，打开硬件组态程序HW config,根据上面所选的硬件进行组态，基于硬件的组态图如图1所示。在这里要注意，由于S7－300采用的是固定槽编址，如电源模块PS 307 10A放在表中的一号槽位上，CPU插入二号槽位，三号槽位为接口模块保留，本系统中用的接口模块是IM365,从四号槽位开始可以插入最多八个信号模块（SM）、通讯处理器（CP）或功能模块（FM）,每个模块的地址在组态硬件下面的模块信息窗口中显示。

图1. PLC的硬件组态图

3 软件组态
　　在本系统中，上位机用SIMATIC WinCC V5.0组态软件，下位机用SIMATIC STEP 7 V5.1编程实现。下面将分两部分详细介绍软件组态。

3.1 人机界面（HMI）组态
　　在上位机上用WinCC软件设计了标准的人机界面，主要包括以下几个方面的内容：
（1）工艺流程图：如图2所示，在该画面中通过编程实现动态模拟显示整个石灰窑的现场上料和出料过程，并且在窑体上实时显示了各燃烧带的温度，以便于操作者能及时准确的掌握窑内的燃烧情况。能够对现场设备的故障进行实时诊断。

（2）手操器的操作与对现场仪表的监控：手操器有手动和自动两种工作方式，在设备安装调试阶段一般用手动操作方式，进入正常运作时常用自动方式，以实现对一些重要的模拟量数据的精确控制，自动调节程序由PID闭环控制回路完成。

（3）报警记录：对于如煤气流量、压力等一些重要的模拟量输入参数进行实时报警，当处于监控下的任何一个变量超出预先设定的安全值时，报警灯就会立即闪烁，同时会自动弹出一个报警对话框，在该对话框中操作者可以检查报警超出的范围以及错误的出处，并对此采取相应的措施。

（4）历史趋势：在此画面中除了实时显示变量的变化趋势，操作员还可以检查过去的过程数据记录，通过对过去历史趋势的比较进而可以对变量未来的发展趋势做进一步的预测。


图2. 石灰窑监控系统的工艺主画面

　　下面就Wincc的开发过程中的编程技巧作简要概述，由于Wincc提供嵌入式C语言编程，用户可以编程实现特殊的功能。比如在Wincc系统组态编程中，Tag是核心概念，我们把它理解为一个外部数据，可以和下位机的一个内存地址单元同步更新，称为过程Tag；也可以作为Wincc系统组态编程的一个全局变量，称为内部Tag（Internal Tag）。因此，上位机和下位机的数据通讯是通过过程Tag实现的，而不同版本的Wincc软件提供的过程Tag的最大数量有限，在这里过程Tag的数量越多当然价格就越高，考虑实际系统的性价比，我们需要在现有的版本基础上扩展Tag的数量。当需要的工艺参数超过Wincc版本限制的Tag数目，可以用嵌入式C语言编程实现多个工艺参数打包成一个Tag传送。举个例子说明一下是如何实现这个过程的，例如，下位机PLC从现场采集到的三个温度参数TC-001、TC-002和TC-003,都是16位整数，分别存放在DB1.DW10、DB1.DW12、DB1.DW14，在Wincc中定义一个过程Tag，命名为PackageTag,类型为32位整数，地址为DB1.DBD10,再定义三个内部Tag，名称同上，在Global Script中C语言编程如下：
Union
{
long Dword;
int Word[3];
}Union;
Union.Dword=GetTagDWord(“PackageTag”);
SetTagWord(“TC-001”,Union.Word[0]);
SetTagWord(“TC-002”,Union.Word[1]); SetTagWord(“TC-003”,Union.Word[2]);
这样三个参数就可以通过一个过程Tag传送上来了。理论上，只要下位机的内存足够，可以传送任意数量的参数而不受Wincc版本的限制。

3.2 PLC编程
　　系统控制软件由主程序和多个子程序模块组成的，它是以Siemens SIMATIC S7 STEP7 V5.0编程软件为开发环境，STEP 7一般有三种编程方式，即LAD、STL和FBD,本文中采用的是梯形图方式编程。本系统中现场设备都有两种工作方式，即手动和自动方式。下面用STEP 7实现整个上料系统的自动控制，图3为上料部分在自动工作方式下的主流程图。
　　PLC的一个显著特点就是进行逻辑控制，可以把这种控制有效的应用在处理模拟量数据中，如模拟量数据的采集与变送。对于象温度、压力、流量等这样的模拟量输入输出参数必须实时在线采集和测量，检测部分由一次仪表构成，即测量温度的热电偶或热电阻，测量流量的孔板，测量压力的电动差压变送器或压力变送器等。信号处理部分包括变送器、转换器、变换器等，作用是将传感器的输出信号进行放大、线性化、转换等处理后，变换成标准信号输出给PLC,在本文中经过变送器转换的信号为4－20mA的标准的电流信号输出。


图3. 石灰窑自动上料部分的主流程图

4 通讯方式
　　为了满足在单元层和现场层的不同要求，SIEMENS提供了下列网络：①MPI方式，MPI网络可用于单元层，它是SIMATIC S7,M7和C7的多点接口，MPI从根本上是一个PG接口，它被设计用来连接PG和OP（人－机接口）。②工业以太网（Industrial Ethernet）是一个用于工厂管理和单元层的通讯系统，被设计为对时间要求不严格用于传输大量数据的通讯系统，可以通过网关设备来连接远程网络。③工业现场总线（PROFIBUS）是用于单元层和现场层的通讯系统，主要有用于对时间要求严格的PROFIBUS DP，用于智能主机和现场设备间的循环的数据交换。④点到点连接（Point-to-point connections）最初用于对时间要求不严格的数据交换，可以连接两个站或连接下列设备到PLC，如OP,打印机，条码扫描器等。根据本系统的特点，我们选用MPI通讯方式，MPI连接的优点是CPU可以同时与多个设备建立通讯联系，即编程器、HMI设备和其他的PLC可以连接在一起并同时运行。无需另外编写通讯程序，MPI接口通过西门子公司的CP5611网卡与上位机通讯，它的主要特性为：采用RS485物理接口；传输率为187.5Kbps;两个相邻节点之间的最大连接距离为50m。

5 结论
　　本文讨论了基于PLC的石灰窑过程监控系统的设计与实现。本控制系统已在生产线上得到实际使用,为企业带来了可观的经济效益和良好的社会效益。在该系统中PLC控制充分发挥了其配置灵活、控制可靠、编程方便和可现场调试的优点，给整个系统的稳定性带来较大的益处。 这种方法对其它生产线或设备的控制有一定的参考作用。

参考文献：
1.SIEMENS 公司.STEP7 V5.1 编程手册，2002.
2.SIEMENS 公司.WINCC V5.0 编程手册，2002.
3. PLC-based control systems for industrial production of fuel alcohol
Sheng Qiang; Gao, X.Z.; Xianyi Zhuang;
Industrial Technology, 2002. IEEE ICIT 02. 2002 IEEE International Conference on , Volume: 2 , 11-14 Dec. 2002
Pages:827 - 832 vol.2
4.展在宏，西门子S7-300及工控组态软件Wincc的应用，2001.