PLC和WinCC系统在环形加热炉中的应用

崔江华梁慧杰李星星

（1.太原科技大学，太原 030024；2.山西蓝海鑫科技有限公司，太原 030006）

1 引言

环形加热炉是无缝钢管生产的第一环节，其加热质量直接影响到钢管的质量，其能耗和氧化烧结直接影响钢管的成本。因此，保证环形加热炉的最佳生产状况和炉温自动控制是关键。由于该炉体控制变量较多，用常规的控制控制方法很难达到要求。鉴于此，我们采用基于PLC的模糊控制技术，以德国西门子公司的S7-300PLC作为控制器，其稳定可靠功能强大。以西门子公司WinCC软件为平台开发的监控系统，能够及时监控系统的运行并做出反馈显示。整个系统自动化程度高，运行稳定。本文就此控制系统的软硬件组成予以介绍。

2 环形加热炉工艺流程及控制要求

2.1 主要工艺流程

（1）管坯首先在炉前辊道上进行称重定位，满足装钢条件时，炉门打开，装料小车将管坯夹起送到炉内指定位置，升起返回，炉门关闭，炉底旋转一个料位角，然后准备装下根料。坯料经过预热段，加热一段，加热二段，均热一段，均热二段之后，满足要求后出料，出料小车将管坯取出，环形炉工作完成。

（2）温度采用模糊控制系统建立反馈模型来实现，采用前馈和反馈相结合方法来合理空燃比，使它们的配比接近燃烧的最佳空燃比，它的框图如图1所示。

图1 加热炉空气燃料比寻优控制系统示意图

2.2 环形加热炉的控制要求

（1）装出料小车定位

精确的小车定位才能精准的夹取坯料。本例中我们选取西门子6ES70系列变频器和增量式编码器来给小车定位。由于小车惯性较大限位开关能起到的作用有限，必须结合软件提前减速。还因为坯料长度不定有2m、2.5m、3m、3.8m，所以定位比较复杂，当坯料改变长度时，必须由上位机写进从而选定所需要的编码器读数。

（2）炉底传动装置

炉底由支承辊支撑，定心辊对活动进行固定，防止炉底跑偏；炉底传动采用液压推动。炉底关键是控制旋转角度是否是预设的料位角角度，必须保证出料小车在大量取料之后还能精确定位。我们采用的是与环炉齿轮同步的减速盘上装有增量式编码器，预以精确定位。

（3）炉温炉压的控制

炉温控制系统的主要目的是将炉温控制在允许范围内，并保证燃烧的合理性，力求达到最佳燃烧状态。炉膛压力控制也是一个重要参数，压力过高，烟会大量冒出，使大量热散失，增加损耗；炉压过低会吸入大量冷风，可能引起烧钢。炉温炉压必须控制在一定范围之内。

3 系统硬件设计

3.1 系统结构及特点

控制系统设计本着结合实际，便于操作和维护，最大限度地满足环形加热炉工艺流程需求的原则，采用PLC地集中控制加上上位机的过程及参数监控。我们采用西门子公司的S7-300系列PLC（CPU为315-2DP），上位机采用研华工控机IPC610L，并配有UPS，采用工业以太网通信方式进行PLC与上位机间的通信。热工控制设一台上位机作为操作员站，炉体机械控制设一台操作员站，另外集中设一台工程师站用于进行数据库的生成、生产流程画面的产生，连续控制回路的组态和顺序控制的组态等。

该系统体系结构具有以下特点：

（1）系统包括了PLC控制站、操作员站、工程师站等子系统。PLC控制站完成对生产过程数据的采集、处理、设备的顺控与调节。操作员站实现过程参数显示、监控和设置。工程师站实现系统的控制程序编制、调试、修改、维护及生产管理等功能。

（2）由PROFIBUS-DP构成主从结构。SIEMATIC PLC S7-300，上位机Wincc作为主站，变频器及其远程I/OET200M作为从站。全系统各站联网协调工作，整个系统都是一个联网的大系统。先进可靠数据分布合理、操作速度快、使用方便。

3.2 上位机配置

上位机采用台湾研华工控机IPC610L（CORE双核2.66/2GDDR/160GHDD/1000M 网卡）配以明基19吋显示器。共设3台，其中操作员站2台、工程师站1台。上位机与S7-300PLC构成分布控制系统，通过以太网与PLC通信。

3.3 下位机配置

下位机采用西门子S7-300功能强大、处理速度快、可靠性高，模块化设计使其扩展灵活，是本控制系统的核心。

本系统中，炉体外部机械控制一台PLC，热工技术控制一台PLC。每台PLC的硬件模块配置如图2所示。

电源模块采用PS 307 2A；CPU用315-2DP模块；由Profibus-DP构成主从结构。西门子S7-300，上位机WinCC作为主站，6ES440变频器，6ES70（6台）变频器及其远程 I/OET200M作为从站；CP343-1通信模块；数字输入输出模块各一块；另有，FM350-2高速计数模块，作为简单计数任务的单通道智能模块以及直接连接增量式编码器。

热工控制模块如图3。

图2 硬件模块配置

图3 热工控制模块

电源模块采用PS 307 5A的模块共3块；CPU也是315-2 DP模块；IM360/IM361连接模块连接三个导轨；CP 343-1通信模块；以及模拟输入输出，数字输入输出模块。

4 系统软件设计

控制系统的软件包括下位机和上位机两部分。下位机PLC的组态编程在西门子STEP7 V5.4实现，上位机人机界面采用西门子WinCC V6.0来完成。

4.1 下位机软件设计

PLC的控制软件来完成工艺要求的全部任务，该部分的设计是本控制系统的设计的关键。我们在西门子STEP7 V5.4开发平台上，采用结构化编程，将系统中的相对独立的功能编写成功能FC，然后在主程序OB1调用，这样减少了重复编程工作量，简化了程序的组织，且增加了可读性和可维护性。

本系统控制的块有：

（1）组织块。OB1主程序块。OB35循环中断组织，OB82诊断中断，OB83插入取出模块中断，OB84 CPU硬件故障，OB85优先级错误，OB86机架故障或分布I/O的站故障，OB87通信错误，OB121编程错误，OB122 I/O访问错误。

（2）功能。FC1报警显示，FC2换向阀控制，FC3调节阀控制， FC5鼓风机控制，FC6引风机控制，FC7掺冷风机控制，FC8快切阀手动控制，FC9换向阀到位检测，FC10 TC_SCALE,FC11 PER TO PQW,FC12 LMN输出转换，FC13 RDO_SCALE，FC20炉膛压力控制，FC21加热一段炉温控制，FC24加热二段炉温控制，FC27均热段炉温控制，FB10模糊控制算法模块。

（3）数据块。DB1上位通信数据，DB2传动通信数据，DB10编码器通讯数据。DB11至DB15为模糊控制算法数据块，DB20模糊控制算法模块。

在本控制系统中，环形加热炉内温度是被控量，煤气的流量是调节量。炉内影响温度的因素很多，比如：进料的数量，空气流量，煤气流量浓度等。因此，该系统属于多变量、强耦合的系统。传统的控制方法很难以控制，所以本例中采用较先进的模糊控制进行控制，具体在功能块FB10中实现。

模糊算法流程图如图4所示。

图4 模糊控制算法流程

4.2 上位机软件设计

上位机人机界面（HMI）的开发采用组态软件西门子视窗中心Simatic WinCC，WinCC V6.0采用标准Microsoft SQL Server 2000数据库进行生产数据归档，同时具有Web浏览器功能，可使经理、厂长在办公室内看到生产流程的动态画面，从而更好地调度指挥生产。并且确保与S7-300PLC连接的方便和通信的高效；WinCC与STEP7编程软件的紧密结合缩短了项目开发的周期。WinCC画面如图5所示。

我们根据具体的生产要求与条件，设计了以下几个画面：

（1）系统总貌。主要监视环形炉炉温、炉压以及一些重要的生产数据以及生产状况进行动态显示。这部分功能由WinCC的图形编辑器来实现。启动WinCC后随即启动此画面。画面下方设有历史记录、历史曲线、分段显示、参数设置、烟气温度、报警画面几个功能选项按钮。

图5 WinCC画面

（2）历史记录。

（3）历史曲线。通过该画面显示每时刻的炉温曲线，以便于直观地分析温度的变化情况。

（4）分段显示。

（5）参数设置。在炉体外部机械主画面中，所需设置的参数有：入口辊道、进出料小车、炉底传动频率，此外还有布料角度、班组、钢种和工艺参数的录入画面；热工主画面中，包括鼓风机、引风机、掺冷风机设置、调节阀数值和反馈量以及烧嘴情况以及每个分段的温度。

（6）烟气温度。显示当前的烟气温度，以便于做良好的调节。

（7）报警画面。报警记录负责采集和归档报警消息，当控制系统检测到设备不能正常运行的信息，就会产生报警，报警一般来自设备的超温超压等。

5 结论

利用PLC作控制系统不仅节省了大量的人力物力，而且保证了系统运行的稳定性。WinCC具有方便直观的系统图形，以及强大功能的报表与记录系统。操作人员只需要通过 WinCC监控与管理就可以掌控生产过程以及记录数据。目前该系统已经调试完毕并应用到实际中，系统运行稳定可靠，达到了预期目的。

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