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0 概述
我厂2#高炉的原有电气控制系统，仅槽下上料系统使用富士的可编程控制器进行控制，其他系统仍为传统仪表盘面显示各生产参数手动控制操作，炉顶上料采用大小钟配合料车自动控制上料的模式。该高炉控制设备陈旧，除了2006年曾对槽下做过一些升级改造将其改造为西门子S7-300可编程控制器控制，并使用Step7和winCC重新编制控制程序与操作界面外其它部分大大落后于当今的高炉控制水平，制约了生产成本的降低及工艺操作水平，影响了炼铁整体生产水平，汉钢于2008年对2#高炉系统进行了全面改造，全系统采用西门子PLC自动控制。炉顶上料形式保留料车上料方式，将高炉大小钟投料方式改为无料钟投料方式。
1 系统配置
改造后系统电气控制部分PLC主机采用西门子S7-400系列的CPU414-2DP，各远程站采用S7-300系列的CPU及10模块，完成现场数据采集、逻辑运算、联锁、数据处理及输出执行指令等功能。系统采用2种网络连接方式：工业以太网和ProfibuS-DP总线网络。硬件配置如图1所示。
以太网采用光缆作为主干传输网络，通过光纤收发器、交换机用双绞线连接各操作站电脑；卷扬没有设置电脑操作，直接采用ProfibuS-DP总线连接至远程站。
图1 硬件配置
2 软件配置及实现方法
系统软件在bbbbbbsXP操作环境下运作。编程软件采用西门子STEP7编程软件包，用梯形图逻辑语言实现控制软件的开发与应用。人机界面用WinCCV6.0软件开发组成监控站，监视、控制设备和自动化过程。
主要功能：
按高炉生产需要设定的配料顺序自动地将炉料配好装入焦斗和矿斗中，通过料车送到炉顶，再按不同布料要求将炉料自动布入炉内，实现了整个给料、称量、配料、输送、布料过程全自动。
槽下配料与自动称量
槽下共14个称量斗，对称分布于上料小车轨道两侧，紧挨轨道两侧是两个焦炭称量斗，随后每边依次排列六个称量矿斗，在轨道两侧还有两个左右中间矿斗。工艺画面如图2所示。
图2 工艺画面
配料分设左中问斗备料和右中问斗备料，分别用以设定装入左中问矿斗、右中间矿斗的称量斗代码——也就是说每个矿石振动筛根据所对应的每个称量斗所设定的称料重量来振料，通过左右中问斗备料代码来选择需要下料的称量斗，再通过1#、2#皮带将需要的料分别装入左右中间矿斗，以备料车到达料坑时装入料车。左右中间斗空后，备料指针后移，进行下一个备料行为，形成一个独立的循环。各种料的称料重量、料种在界面中各个称斗中设置。各振筛根据本称量斗所设置称量定值及称量斗满、空信号自动备料，并自动进行称量补偿、修正定值、称量值零点校正、余振值测定、称量斗料空后延时关闸门等控制。配料代码随时可由操作员在线设定修改。界面中还有料批设定，可共设定A、B、C、D、E、F六种料批，每种料批分前半批和后半批及附加焦，每半批料多可上4车料，根据每车是否填写代码来确定实际上料车数，当没填时视为没有。当料车到料坑时根据装车代码确定是打开中问矿斗还是焦称量斗还是空走，每上完‘车料料批前进一位，整个循环周期按界面中所设定的料制中的所选的料批代码进行，构成整个上料大循环。在每一个料批结束时均可加进行“附加焦”，不会打乱周期程序。
布料方式
布料器电气部分由原来的简单电机控制改为由变频器拖动，α(溜槽倾角)、β(溜槽回转角)、γ(料流调节阀开度)三个值编码器反馈布料器位置状态。布料系统主要功能是与槽下系统1起控制上料，将炉料正确地装入料罐，并控制炉顶设备，完成向高炉装料和按照设定布料数据进行布料，可根据需要随时调整布料倾动角度、旋转角度、旋转圈数、料流开度。灵活多变的布料方式带给操作人员全新的操作模式，例如：难以解决的边缘问题，现在可利用扇形和定点布料克服；布料不均的问题，可利用多圈环行布料随时纠正等等。
当每半批料装入受料罐，装料指令下达后，打开放散阀卸压，随后先开启上密封阀，再开启上料闸，将上罐中炉料装入下罐。装料完毕，关闭上料闸、上密封阀，关闭放散阀，探尺探料降至规定料线深度提探尺，提尺打开两个均压阀向下罐均压，布料器倾动到位，打开下密封阀在溜槽到达步进角位置时打开下料闸(料流调节阀)，用下料闸的开度大小来控制料流速度，炉料由布料溜槽布入炉内。为使炉项全自动布料准确无误，本系统对如下信号作了重点处理：
(1)上罐料空及料满的信号处理；
(2)上罐料满与均压放散阀、上密阀、放料阀的联锁；
(3)下罐料满及料阀的联锁；
(4)控尺与布料器阀的联锁。
为配合jingque布料，炉顶还增设有炉内成像设备，由清晰的视频摄像机在氮气流套筒的保护下及时传送炉内料面燃烧分布情况，高炉操作室配有监视器随时眼观炉内情况，有配套分析软件及时分析料面燃烧温度分布，显示在专门的计算机画面上。灵活多变的布料方式，tigao了布料质量，tigao了高炉的利用系数。无料钟炉顶具有布料灵活、密封性好、维修方便等明显优势，是小高炉优化工艺设备的发展趋势。变频器的大量应用使得控制精度大大tigao并节省很多电力。
3 HMI(Human MachineInterface)监控技术
HMI(人机界面)使系统实现了集中监视控制，可对现场采集的数据进行显示、报警，供生产人员及时掌握生产运行情况。HMI显示了整个系统的工艺设备画面，可以对所有设备进行在线监控，完成各个工艺设备或者工艺流程的顺序控制、故障报警处理及显示，可设定修改各种生产工艺数据和运作方式，可设定是使用自动方式还是手动方式，是否连锁等，以便在检修、调试时能够方便地测试单个设备的运转或特定情况下的单个设备运行，使系统在合理的工艺要求下有序的运行。系统按操作区域共划分为槽下上料、高炉监控操作、热风炉操作控制，布袋除尘等四部分，各系统数据互相联络共享。其中槽下上料系统主要控制槽下各个称斗的料制配比、皮带运行和上料小车的运行以及炉顶设备的动作控制，高炉系统安置四台操作站，分别用以操作和监控高炉的各项操作如炉温、混风温度、冷风liuliang控制、探尺反馈的炉内料位以及槽下上料情况等，根据高炉运作情况随时连锁或禁止某些关键阀门的开闭。热风炉系统操作站负责控制热风炉各项操作，控制烧炉温度向高炉提供高风温。布袋除尘控制炉顶煤气的处理、除尘等工作。对这几个区域系统的改造，主要是将原有仪表盘、操作台等占用空间又大又重的设施改为计算机显示与操作控制，大大降低故障率，全局参数与运行状态一览无余，操作方便，效率tigao。
4
整个系统的控制方式分为集中自动、手动和机旁手动等几种方式。在自动方式下，对单体设备可以手动干预，而不影响整个系统的自动流程。这既减轻了操作人员的负担，又减少了操作转换时间，tigao了冶炼速度。而机旁手动时，又可以在设备检修调试时方便地控制其动作幅度和时机。
1引言
沧州炼油厂炼油三部沥青车间现有年产十万吨道路沥青装置一套，车间配套有装车用桥式起重机两台，该桥式起重机是张家口起重机厂1979年10月生产，我厂1980年4月投用，经过20多年的使用，该设备已经非常陈旧，且随着近几年产量的增加，起重机使用频率增加，天车故障频发，沥青桥式起重机（又称天车）的电气维护一直是我们日常维护的一项重要工作，往往投入了大量的人力物力，还不能保证天车的正常使用，每年都消耗大量的材料费用。为解决该问题，2004年4月份我们组织了技术人员进行了QC攻关，经过比较决定采用施耐德公司生产的ModiconTSX Neza PLC，代替原电路中的JT3-11/1时间继电器，改造后，经过几年的使用，效果良好。
2控制电路的分析与改造
在桥式起重机电路中，故障发生比较多的是抓斗tisheng、张合部分的控制电路。抓斗tisheng、张合主电路如图1所示。控制电路如图2所示。
图1 原主电路
图2 原控制电路
图2中，KM11、KM33、KM22、KM44分别是控制抓斗tisheng、张合的主接触器，KM1～KM6是切除电阻的接触器，KT1～KT6是时间继电器，时间继电器的作用是分级延时接触启动电阻，由于动作频繁故障频发。我们通过分析可以看出:
（1）由于时间继电器的型号是JT3-11/1-110V，工作回路是一个半波整流降压回路，要使JT3-11/1正常工作，该回路中的二极管、降压电阻、接触器辅助接点均应可靠工作;
（2）JT3-11/1型号的时间继电器的辅助接点导致电气故障经常发生的一个主要点，如机构故障、接点接触不良故障，检修起来非常烦琐;
（3）JT3-11/1的线圈本身也经常出现短路和断路故障;在这部分控制电路中，切除电阻的接触器和时间继电器辅助触点相互控制，互为因果，电路比较复杂。我们通过以上分析可以看出:无论哪一点出问题，都会导致抓斗电动机直接起动，使电机的起动转矩大大下降，如果发现不及时，极易烧坏电机。
施耐德公司生产的Modicon TSX NezaPLC功能比较丰富，容易使用且工作可靠，CPU单元具有12点输入和8点输出的20点I/O的基本结构，可根据需要多连接3个扩展模块扩展至80个I/O点。根据原电路要求，笔者用两个ModiconTSX NezaPLC更换了6个时间继电器，用PLC的输出节点对KM1～KM6接触器进行控制。改造后的原理图如图3、图4所示。
图3 Modicon TSX Neza PLC的电源回路
图4 Modicon TSX Neza PLC的输出回路
由于Modicon TSX NezaPLC一接通电源就运行其中的程序，通过抓斗主接触器来控制Neza PLC是否运行。我们对NezaPLC进行了编程，使其输出节点依据设定的延时时间依次导通，达到原电路的动作要求。考虑到NezaPLC的安全运行，实测了接触器（CJ12-100）线圈的实际工作电流是0.7A，为了防止线圈烧毁而损坏继电器的输出接点，该接点的额定电流是2A，在输出回路中串联了一个2A的保险管，保障该回路的接点不致被损坏。
3 抗干扰措施
由于PLC的安装地点是在桥式起重机的电气控制箱上，处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要tigaoPLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家tigao设备的抗干扰能力;另一方面，要求工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。
3.1 采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰
在PLC控制系统中，电源占有极重要的地位。电网干扰窜入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源（如CPU电源、I/O电源）等进入的。对于给PLC系统供电的电源，必须采用隔离性能较好电源。
3.2 电缆选择的铺设
为了减少动力电缆辐射的电磁干扰，我们选用了屏蔽电缆。在工程中，采用铜带铠装屏蔽电力电缆，可以大大降低动力线产生的电磁干扰，使工程取得满意的效果。
不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层铺设，严禁用同一电缆的不同导线传送动力电源和信号;避免信号线与动力电缆靠近平行铺设，以减少电磁干扰。
4 结束语
我们改造后的电路简单，使用可靠，维护方便，从2004年6月份投用以来，两部桥式起重机的改造电路故障率为零，节省了大量人力物力，降低了劳动强度，并且每年可节约几万元的材料消耗，解决了多年沥青桥式起重机电气部分频繁故障的一个重大难题
1 引言
PLC广泛应用于工业控制领域,因其具备良好的扩展性和独有内部逻辑的二次编程功能,大大扩展其在工业生产和工业控制领域的应用范围。本文从电力系统智能装置的自动测试系统原理出发,简要介绍自动测试系统结构,详细介绍PLC在本系统功能和具体应用, 并针对PLC在电力系统智能装置自动测试系统特殊领域的应用中出现的触点检测的条件、采样数据上送和特殊控制逻辑的要求问题进行讨论,并给出一般解决办法。实践应用表明,可编程控制器的良好的扩展性和其独有逻辑编程特点有效扩大其应用领域和范围。
2 系统基本原理
电力系统智能装置一般包括是继电保护装置和测量控制装置。继电保护装置主要功能是保护电力系统的一次设备安全运行,确保电力系统输电系统的安全运行,而测控装置主要负责电力系统开关的控制和电气量的测量,二者构成完整电力系统二次保护设置。
从电力系统智能装置和外部一次设备的发生联系的主要电气量包括:一次设备的模拟量、一次设备的信号开入和继电保护出口三个主要部分。模拟现场运行环境的电力系统智能装置自动测试系统也必须具备模拟量输出、开关量输入和开出触点的检测功能,但不仅于这三部分的功能的检测,其他还应包括时钟同步等等功能的检测。
目前, 电力系统智能装置是属于微机型,其具备完好信息记录功能,具备和其他外部系统良好的信息交换功能。电力系统智能装置的自动测试系统应包括四个主要的功能:用于模拟故障模拟量输出模块、提供保护装置开人的开入模块、用于检测保护装置动作接点的开出检测模块和装置信息的解析模块。电力系统智能自动检测系统的基本原理:通过专用设备模拟电力系统故障状态模拟量输出,并通过开入模块提供保护装置的开入量,从而满足保护装置保护动作基本条件,通过解析保护装置的信息和检测保护装置的动作出口触点, 从而完成保护装置的基本功能的检测任务。
3 系统组成和各模块基本功能
从电力系统智能装置的自动检测系统原理的出发,一个完整的电力系统智能装置的检测系统包括:微机继电保护测试仪、保护装置的开入模块、保护装置的触点检测模块和控制计算机模块。自动检测系统它主要由测试控制计算机、微机继电保护测试仪、可编程控制器、被测智能装置构成。
微机继电保护测试仪接受自动测试控制平台发出控制参数及命令类型, 向保护装置输出模拟量,完成向保护装置输出模拟量完成保护功能的测试, 并及时将测试仪器反馈信息以标准统一格式上报到自动测试控制平台。
可编程控制器根据自动测试控制平台发过来的命令, 输出开关量信号,实现保护装置硬压板的控制和保护开关量输出功能,将基于保护装置继电器开出触点检测输入的采样数据, 上送自动测试控制平台,为保护动作触点判断提供连续有效开入量采样数据。
测试控制计算机是整个控制系统的核心硬件,它通过网络和系统中其他硬件进行信息交互,控制继电保护测试仪向保护装置输出模拟量,接收保护装置信息解析模块上送的保护动作信息并通过其完成对保护装置的控制,控制可编程控制器输出保护测试的开入量命令,检验保护装置继电器开出触点动作。
微机继电保护测试仪选用北京博电PW30AE, 可编程控制器选用GE公司的GE-9030,可编程控制器通讯模块使用以太网模块。
4 PLC 应用主要问题及解决办法
可编程控制器在本系统的任务是完成智能装置的保护出口继电器触点或者遥控触点的检测和智能装置的遥信开入检测,具体到可编程控制器各模块是开入模块负责检测出口继电器触点导通和开出模块负责提供开出完成智能装置的遥信的检测功能。为了交换信息的需要,可编程控制器必须配置相对应的通讯模块以满足可编程控制器和上位机信息交换要求。
在本系统设计时,对开入模块的功能有具体的要求,这些要求是和电力系统的智能装置实现的功能是密切相关, 如触点类型和触点的导通时间等,必须分析智能装置的保护出口继电器触点和遥控触点检测的具体要求,并以此为要求进行可编程控制的硬件选择和内部逻辑回路的设计,充分满足本系统对触点检测的特殊要求。可编程控制器的开出模块逻辑回路的设计也必须满足本系统的特殊需要。
4.1继电器出口触点检测特殊要求
可编程控制器开入模块负责检测继电保护出口继电器辅助触点的通断情况,并将开入模块数据上送到控制计算机,并作为控制计算机自动检测成功标准之一。
可编程控制器开入模块检测功能的强弱决定本系统的可靠性和稳定性。
继电保护装置的出口继电器触点包括四类:保持型常开接点、保持型常闭节点、瞬动型常开接点和瞬动型常闭节点。对于保持型出口触点的检测来说,可编程控制器的开入是满足自动检测的需要。而对于瞬动型触点的检测,可编程控制器开入模块检测功能是否满足要求取决于PLC本身扫描周期T1和瞬动接通的时间T2两者的关系。考虑到可编程控制器由于扫描方式引起开入延时长可能达两个扫描周期,如果保护装置的瞬动触点的接通时间T2大于两倍的扫描周期T1,该触点的状态变化就可以被PLC 开入模块所检测到。
瞬动触点的接通时间取决两个因素,一是装置软件内部对瞬动继电器出口延时整定的时间,目前各厂家提供的技术参数来看,装置软件触点延时的时间一般设置为50-100毫秒,二是出口继电器本身动作时间和断开时间参数也会影响瞬动触点的接通时间。假设瞬动型触点的接通时间为100毫秒,要求可编程控制器的扫描周期的时间小于50 毫秒,才能保证可编程控制器的开入模块的检测功能的有效性。
可编程控制器的扫描周期和可编程控制器的硬件参数和用户的程序的大小有密切的关系。只要通过硬件配置和相关技术手册提供的技术参数并结合用户的PLC程序指令类型和各指令类型数目计算出可编程控制器扫描周期, 选择合适可编程控制器模块, 保证可编程控制器扫描周期小于50毫秒,保护装置的瞬动型触点检测就可以在可编程控制器开入模块来完成。
4.2上位机数据采样特殊要求的实现
在前面小节中,讨论了可编程控制器必须满足检测保护装置的四类节点的检测的基本条件。但前面条件的符合,只能保证PLC开入模块能够检测保护装置动作触点状态的变化情况。在自动测试系统设计中,可编程控制器的开入模块仅仅采集触点状态,而完成触点状态检测标准判断是在控制计算机中完成,如何保证上位机能够得到完整、连续的基于采样周期为50毫秒可编程控制器开入模块采样数据是本系统必须要解决的关键问题。
电力系统智能装置自动测试系统检测的对象是继电保护设备中出口继电器动作情况,由于继电保护设备的动作的快速性,部分保护动作时间实现小于50ms,部分出口继电器触点状态在较短的时间会出现反转,根据系统设计要求,要求上位机能将保护动作前和保护动作后出口继电器接点动作情况进行检测处理,并将动作前后出口继电器接点状态作为该系统中继电器接点检测判断依据。要通过上位机和可编程控制器通讯数据交换,实现采样时间间隔不大于50ms可编程控制器开入采样数据上送到上位机的目标。
目前, 上位机获得可编程控制器的开入采样数据是通过通讯交换信息得到,而tigao上位机和PLC数据信息交换效率是解决数据采样的实时性的措施之一,但仅仅依靠tigao上位机和PLC 数据交换速度是无法到达采样数据周期50ms指标要求,上位机使用以太网介质能达到此要求,也会占用上位机比较多资源。由于可编程控制器扫描工作方式的特点,通讯模块频繁和上位机数据交换会影响可编程控制器其他模块功能执行,如影响可编程控制器扫描周期。
对于可编程控制器来说,在其内部实现50ms采样周期的数据采样是完全可以的实现的,充分利用可编程控制器中数据转存和逻辑控制功能, 将每50ms一次采样数据寄存到连续但不相同数据缓冲区。通过采样周期时间的整定,结合上位机和可编程控制器通讯协议的大数据长度,上位机只需要在给定的时间内进行一次读取多次采样数据即可。上位机读取采样数据后,根据PLC采样数据转存的原则和逻辑,将已接收到采样数据进行采样时序的还原即可。
4.3可编程控制器顺序开出的实现
可编程控制器开出模块顺序开出主要是满足电力系统测控装置的遥信检测要求, 设计具体要求为:①上位机下发一次命令,启动顺序开出,PLC接受命令启动顺序开出逻辑回路,由可编程控制器本身完成开出模块开出接点顺序开出。②在顺序开出过程不允许出现两个开出接点接通状态。③顺序开出执行一次完毕即可停止开出。
设计基本思路: 在启动命令后, 启动维持一个扫描周期时间的定时T1脉冲信号回路,启动另一个计时器T2(T2< T1)。在一个扫描周期脉冲到来时,由设定计数器和目标进行比较,决定开出继电器序号, 开出执行并保持时间T2 后,计数器加一和执行复位判断程序,等待下一个脉冲到来后执行上一过程直到全部执行完毕。
设计维持一个扫描周期时间的定时脉冲信号,定时的时间参数为两个开出之间的时间。一个周期定时脉冲梯形图如图1所示。通过修改定时器类型和计时器参数,确保M100 能够在T1 的时间后产生一个能够维持一个扫描周期间的脉冲信号,是一个通用的标准的定时脉冲信号程序。M103 为定时脉冲到来后宽度为T2 脉冲。
图1定时脉冲信号程序和梯形图
在定时脉冲到来时, 通过数据比较程序, 由计数器R500当前值和特殊指定值比较进行逻辑判断,决定是否接通中间继电器,再由该中间继电器决定控制特定的开出,并在自保持回路中串联一个M103中间继电器触点状态,以控制开出维持的时间。数据比较驱动程序和梯形图如图2 所示。
图2 数据比较驱动程序和梯形图 执行一次开出后, 执行计时器计数和复位程序, 本文中使用M00400-M00404 分别控制第1 个到第5 个开出的执行,每次执行开出后均进行计数器自加一,并通过计数器逻辑回路进行计数器复位。计数器复位后立刻复位启动线圈,结束本次顺序开出控制任务执行。计数器计数和复位梯形图如图3所示。
图3 计数器计数和复位梯形图
通过以上控制逻辑的设计,实现启动顺序开出功能的实现, 并实现系统要求一次启动, 按照循序开出不重叠。
通过此逻辑的实现,可以简化上位机在进行遥信检测的控制逻辑,充分利用可编程控制器开入开出二次编程功能,在不影响可编程控制器性能指标上,减少上位机和可编程控制器的控制命令的交换,tigao上位机遥信的检测效率。
5结束语
在本系统设计中, 充分利用可编程控制器模块化的组合特点以及其独有开入开出二次逻辑编程的优点,保证系统设计功能的实现的减少系统主控制平台的在开入和开出功能检测资源开销,并带来系统稳定性和可靠性。可编程控制器独有可编程的特点为其在工业领域的应用奠定坚实的基础,随着计算机技术的的发展,特别可编程控制器的核心模块CPU运算的速度得到tigao,通过tigao指令的执行速度和扩展其计算功能,可编程控制器在工业控制领域的应用会越来越广泛。