机械设计与制造西门子PLC在红土矿直接还原窑控制系统中的应

　　《机械设计与制造》杂志于1963年创办，系国家核心期刊、科技论文统计用刊，美国《剑桥科学文摘)，俄罗斯《文摘杂志》收录检索期刊，国内外公开发行。每期发行量2万余份，读者人数超过十万人。三十余年来多次受到国家机械部、中国机械工程学会、新闻出版局、科委等主管部门的表奖，是我国机械行业最有影响的专业刊物之一。
　　摘要：文章以北海诚德不锈钢集团回转窑分厂直接还原窑的控制系统为例，介绍了PLC在红土矿直接还原窑控制系统中的实际应用，囊括直接还原窑的生产工艺流程、系统控制方案的硬件和软件系统构成。此套系统软件的设计完全依据实际生产工艺的要求条件进行，完全满足现场生产的需求。

　　关键词：PLC控制系统,红土矿直接还原窑,生产工艺流程,系统控制方案,STEP7组态软件

　　1 红土矿直接还原窑的工艺流程

　　1.1 工艺第一阶段

　　存放在原料场的含水成份高的红土矿原料，经过铲车搬运到地下料仓，经过板式给料机后，在带式输送机的传动下，经过湿矿破碎机破碎后，被送到烘干窑当中，这些破碎后的红土矿经过800℃～1200℃的废气和热空气的加热蒸发掉大部分水分后，再经过干破设备进行二次破碎设备的破碎，以满足生产工艺对原料粒度要求的5～8mm。这样的干矿可以直接送配料红土矿料仓使用，也可以落地作为备用原料库存。

　　1.2 工艺第二阶段

　　各种原料包括经过烘干的红土矿、除尘灰、焦粉、白云石等经过自动配料后，在带式输送机的传动下，进入混合机进行混合。混合料在带式输送机的传动下，进入压球车间的混合料仓内，经过压球机，制作成球的成品球矿，进入红土矿直接还原窑窑尾的成球仓中。成球料经过拖拉皮带给料秤，进入直接还原窑窑内，进行预热、高温还原，水淬后成品经过捞渣机，而得到还原成品的烧结矿。

　　1.3 工艺第三阶段

　　成品烧结矿在带式输送机的传动下，经过一次粗颚破、二次细颚破，在电磁除铁器的作用下，分离出含镍的干镍铁，此部分直接落地装袋，另外一部分烧结矿再经过一次对辊粗破、二次对辊细破，在永磁电动滚筒的作用下，分离出含镍的高镍铁粉，此部分直接落地存储，另外一部分烧结粉矿，在带式输送机的传动下，进入球磨机进行研磨成细粉，再经过三级磁选机和尾矿磁选机，分离出湿的含镍铁粉，尾渣由冲渣泵送到压滤机进行除水处理，落地做后续处理。

　　详细红土矿直接还原窑工艺流程图如图1所示：

　　2 PLC控制方案

　　整个直接还原窑生产线包括很多系统，如原料烘干系统、配料系统、混料压球系统、皮带联锁系统、直接还原窑系统、窑头喷煤系统、脱硫除尘系统、布袋除尘系统、静电除尘烟气系统、水冷却系统以及附属系统等，所有的这些系统都存在多个子环节，例如设备顺启顺停子环节、原料配比子环节、调速电机控制子环节、现场过程仪表检测子环节等等，这就使直接还原窑生产线结构十分复杂，若这些子环节中的任何一环出了问题，都将导致整个生产线产生严重的事故;考虑到生产线所处的环境较为恶劣、粉尘较大，并伴随强烈的电磁干扰，整个控制系统采用分散控制和集中管理的分布式控制模式，采用以PLC为核心的EIC系统控制，构成仪、电合一的计算机控制系统，系统设备都需要有很高的可靠性要求;此外，为便于企业后期发展的需要，对系统设备预留备用接口。

　　结合上述的系统分析，根据红土矿直接还原窑控制系统所处的特殊环境，同时考虑生产现场的综合要求，北海诚德集团直接还原窑控制系统采用了西门子高性能产品S7-400系列工控整体控制方案。

　　3 系统的硬件构成

　　该系统硬件采用了比较合理的模块化的设计理念，同时硬件的配置和扩展模块的使用可以使系统按照多种不同的要求实现较为灵活的组合。该系统硬件主要是由PS模板(电源模板)、CPU模板(中央处理单元)、SM432模板(模拟量输出模板)、SM421模板(数字化输入模板)、SM431模板(模拟量输入模板)、SM422模板(数字化输出模板)、CP443-1模板(信息通讯模板)、IM153-2模板(扩展接口模板)等多个模块组成。该硬件系统的网络拓扑关系如图2所示：

　　在自动化分区上分为8个控制站，分别为原料准备系统、配混造球系统、回转窑系统、破碎磁选系统、水系统。上位机监控共有13套，分别为原料准备系统2套(1套操作员站+1套工程师站)、配混造球系统2套、回转窑系统5套(4套操作员站+1套工程师站)、破碎磁选系统2套、水系统2套。

　　工厂网络拓扑图如图3所示：

　　3.1 供电模板

　　主站选用PS407电源模板，120/230VAC输入。

　　3.2 中央处理单元

　　该处理单元为此套控制系统的核心部分，所有的操作都是需由其进行才能实现，如外部信号扫描、数据输出、计算和逻辑处理等工作。该硬件系统所选用的中央处理器为CPU417-4H，30MB RAM，它是一个带有PROFIBUSDP主/从接口和中/大规模程序量的中央处理器。它不仅可以组成被构造成集中式的I/O结构，而且还可以构造成为分布式的自动化式结构。

　　3.3 扩展结构模板

　　该模块主要被用于S7-400PLC的中央机架与扩展机架之间的。

　　3.4 信息通讯模板

　　选用西门子400系列CP443-1通讯处理器，该系统具有很多通讯接口，如MPI接口、PROFIBUS接口及工业以太网接口等，并支持各种信息通讯协议。

　　4 软件的构成

　　4.1 系统软件开发平台概要描述

　　直接还原窑自动化系统配有13台操作员站(部分兼工程师站)。在工程师站上安装有完整的SIMATIC自动化系统软件开发平台，利用该软件开发平台，工程技术人员能很方便地完成整个系统所有的组态和编程工作，主要包括系统硬件设备及网络组态、现场控制站控制程序生成、操作员站人界面程序的生成、建立实时数据库、生成各类记录和报表、打印各种系统文档。

　　西门子SIMATIC自动化系统软件开发平台主要包含STEP7工业控制编程软件和WinCC人机界面编程软件两大部分，均可运行在微软XP操作系统平台上。　　4.2 SIMATIC STEP7编程软件

　　SIMATIC STEP7是一个用于SIMATIC S7可编程控制器的标准软件，它是一种采用模块化设计、符合国际标准、支持多种编程语言、简单易用的编程工具。利用此编程工具，可使工程技术人员很方便地完成自动化系统要求的多方面功能，例如硬件的配置，参数设置，网络通讯组态，程序文档生成，控制程序的编写、测试、启动和维护，系统故障诊断等。

　　该编程软件可以为用户提供3种设计程序的方法，分别是模块化编程方法、线性化编程方法及结构化编程方法。针对红土矿直接还原窑控制系统的复杂性，本系统采用了编程软件的结构化编程方法来进行系统开发，该方法对原来那些比较复杂的控制任务进行逐一分解，使之能够更加直接反映整个的工艺、控制过程功能或能实现反复利用的小模块集合。同时充分利用了西门子编程软件本身自带的丰富的功能模块，比如FB(功能块)、OB(组织块)、DB(数据块)和FC(功能函数)等。

　　4.3 上位机的SIMATIC WINCC组态软件

　　系统采用了西门子SIMATIC WinCCV7.0 SP1版作为此套系统上位机的主要监控系统，此系统具有丰富的设置项目、使用方式非常灵活，同时自身功能十分强大。直接还原要整个系统所需实现的上位监控及操作界面有如下：(1)原料烘干系统流程运行图界面;(2)烟气除尘脱硫塔系统运行图界面;(3)静电除尘系统运行图界面;(4)多种原燃料配料系统流程运行图界面;(5)混料压球系统流程运行图界面;(6)每座回转窑工艺流程运行图界面;(7)选矿系统流程运行图界面;(8)系统温度趋势变化图界面;(9)系统报警记录图界面;(10)系统压力趋势图界面等。以上操作界面可以让中控操作人员在主控室内可以通过上位机各个系统界面的切换按钮实现各系统监控画面相互无扰动自由切换。另外，在中控室的数据服务器后台还可以完成对现场设备监控数据的采集设置与调用输出、实时通讯、数据处理与算法实现、数据存储、打印等多种

　　功能。

　　5 结语

　　本文以北海诚德不锈钢集团红土矿直接还原窑的现场实际使用的控制系统为例，介绍了国际知名品牌西门子工控硬件、编程软件Step7和组态软件WinCC在直接还原窑控制系统中的应用。

　　该红土矿直接还原窑控制系统自2013年11月投入正常运行以来，系统的稳定性、可靠性和安全性都得到较好的好评，设备运行良好，事故率接近于零。此套系统的软件的设计完全依据实际生产工艺的要求条件进行，完全满足现场生产的需求。该套系统使得诚德集团的红土矿直接还原窑的成品的质量与产量都得到了很大的提高，同时使得依含高镍铁的烧结矿为主要产品的整个直接还原回转窑生产流程实现了高安全、高稳定、高节能的目标，也取得了数目可观的经济效益。

　　参考文献

　　[1] 苏昆哲，何华.深入浅出西门子WinCCV6[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

　　[2] 廖常初.西门子工业自动化系列教材：S7-300/400PLC应用教程[M].北京：机械工业出版社.