轧钢厂水处理系统电气及自动化技术改造

2014-09-02宋杰

机电信息 2014年36期

关键词：环水水池水泵

宋杰

(中天钢铁集团有限公司设备处，江苏常州 213011)

轧钢厂水处理系统电气及自动化技术改造

宋杰

(中天钢铁集团有限公司设备处，江苏常州 213011)

概述了中天钢铁某轧钢厂水处理系统的工艺现状及改造方案和策略，然后分别介绍了自动化系统、PLC系统、HMI系统、程序编程及系统调试，以期可为相关人士提供参考。

水泵房；PLC；S7-300；STEP 7；WinCC

0 引言

中天钢铁某轧钢厂是2007年5月建成投产的工程项目，整个车间的用水及污水处理由该工程配套的水处理系统来实现。早期设计的为继电器控制，存在故障率高、可靠性差、控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点，而PLC控制系统具有运行可靠性高、使用维修方便、抗干扰性强、设计和调试周期较短等优点，因此，2013年8月，根据设计资料进行了电气控制系统的二次设计和改造，包括自动化元器件设计选型、论证，软、硬件设计选型、配置，程序编写及调试等，最终实现了整个系统的顺利投运。

1 生产工艺流程

根据水处理系统设计水量分布及工艺流程，水处理共包括3个区域，分别是循泵房、一次铁皮沉淀池、化学除油器及污泥脱水间。其中循泵房包括3个水池，分别是净环水冷水池、浊环水冷水池、浊环水热水池以及冷却塔。净环水作为整个生产车间主要设备的冷却用水，负责入炉辊道冷却、出炉辊道冷却、液压润滑站冷却、空调冷却、高温摄像冷却、中间运输辊冷却、主/辅传动电机冷却以及加热炉冷却等；浊环水冷水池负责冲氧化铁皮、锯机系统冷却、粗轧机组冷却、精轧机组冷却、夹送辊道冷却以及高压水除磷等；使用后的冷却水经过一次铁皮沉淀池、化学除油器以及污泥脱水间等流入循泵房浊环水热水池，通过水泵将浊环热水打到塔上，经过冷却塔冷却，进入浊环水冷水池进行循环利用；同时，外部厂区生产净水管道不断进行净水补给，以保证整个系统的正常稳定运行。水处理系统循环率为94.86%。

循泵房水泵共分成5组，第一组为应急柴油泵，主要在停电时为加热炉提供冷却用水，作为事故应急用水，不在该系统控制内；第二组为501M、502M 2台泵，功率为30 kW；第三组为503M、504M、505M 3台泵，功率为160 kW；第四组为506M、507M、508M 3台泵，功率为110 kW；第五组为509M、510M、511M 3台泵，功率为45 kW。其中，净环水冷水池包括第二组和第三组共5台泵，浊环水冷水池包括第四组共3台泵，浊环水热水池包括第五组共3台泵。另外，冷却塔电机共6台，功率分别为：2台37 kW，3台22 kW，1台11 kW；电动蝶阀共15台，0.18 kW。

2 自动化系统

2.1 硬件组态

自动化系统整体配置如图1所示：包括操作员站上位机1台，打印机1台，交换机1台，PLC主站1个，ET-200M分站2个。

图1 自动化系统配置图

2.2 以太网通讯模块

PLC通过交换机利用工业以太网与上位机通讯，实现数据交换。工业以太网是为工业应用专门设计的，它是遵循国际标准IEEE802.3(Ethernet)的开放式、多供应商、高性能的区域和单元网络。SIMATIC PLC的工业以太网通信处理器用于将PLC连接到工业以太网；该系统通讯模块选用CP343-1系列，订货号：6GK7 343-1EX30-0XE0/V2.0，CP343-1是用于S7-300的全双工以太网通信处理器，传输速率为10 Mb/s。该系统采用TCP/IP通信协议，模块的配置数据存放在CPU中，CPU启动时自动将配置参数传送到CP模块。

2.3 交换机

该系统网络交换机选用菲尼克斯系列优质产品FL SWITCH SF 6TX/2FX，6电口、2光口，满足系统生产和扩容需要，用于网络数据交换。

3 PLC系统

3.1 CPU

PLC是控制系统参数设定、设备控制的核心部分。该系统硬件配置采用西门子S7-300作为主站，通过Profibus-DP现场总线方式配带ET-200M分站的结构模式。CPU选用带有MPI接口的CPU315-2DP，订货号：6ES7 315-2AG10-0AB0，具有中、大规模的程序存储容量和数据处理结构，对二进制和浮点数运算具有较高的处理能力；具有Profibus-DP主站/从站接口，可用于大规模的I/O配置和建立分布式I/O结构。

3.2 电源模块

该系统电源模块采用PS307 5A，订货号：6ES7 307-1EA00-0AA0，用于S7-300/ET-200M负载电源，将电源电压转换为所需DC24 V工作电压。

3.3 ET-200M

ET-200M是高密度配置的模块化I/O站，保护等级为IP20，可用S7-300 PLC的信号功能和通讯模块扩展。ET-200M是Profibus-DP连接的被动站(从站)，最大数据传输速率为12 M位/s。

3.4 输入/输出模块

输入/输出模块统称为信号模块(SM)，该系统共用到数字量输入模块8块，订货号：6ES7 321-1BL00-0AA0，32点输入，DC24 V，用于连接标准开关量和二线制接近开关；数字量输出模块4块，订货号：6ES7 322-1BL00-0AA0，用于连接电磁阀、接触器、小功率电机、灯和电机启动器；模拟量输入模块6块，订货号：6ES7 331-7KF02-0AB0，用于连接电压和电流传感器、热电偶、电阻和热电阻。

3.5 I/O地址分配与接线

整理I/O表，明确各I/O地址对应的现场信号。I/O点数估算时应考虑适当的余量。

主站地址分配如下：5号槽：I0.0～I3.7；6号槽：I4.0～I7.7；7号槽：I8.0～I11.7；8号槽：I12.0～I15.7；9号槽：I16.0～I19.7。

分站地址分配如下：4号槽：Q0.0～Q3.7；5号槽：Q4.0～Q7.7；6号槽：PIW272～PIW287；7号槽：PIW288～PIW303；8号槽：PIW304～PIW319；9号槽：PIW320～PIW335。

4 HMI系统

4.1 操作员站设备选型

操作员站计算机选用了研华最新型的工业PC机一台。

4.2 操作员站功能及画面

操作员站HMI作为生产数据监控、设备操作单元，是人机对话的窗口，具有如下功能：主工艺流程画面显示；设备控制的操作，所有电机的启、停、点动和紧急停车控制；操作画面和报警；设备运行状态监控；设备故障诊断控制；历史和报警数据查询，趋势曲线显示、查询等。

该项目主要采用基于Windows平台的上位监控程序开发软件和PLC编程软件，以PLC作为控制站、以上位机作为操作员站的结构，构成满足现场生产过程功能要求的控制系统。其中PLC控制工艺设备的运行，检测系统中各个生产设备的状态及工艺参数，并按确定的控制原则对各个设备进行控制与调节。操作员站主要功能是操作人员通过上位机的实时动态画面监控现场的生产状况，并根据现场实际状况对生产过程进行必要的控制及干预，还有一定的趋势分析、报警、历史趋势查询及报表输出等功能。

5 程序编写

5.1 程序编写要求

(1) PLC部分可以实现系统对控制的要求，根据用水量的大小调整水泵开机的数量。可以用流量计或直接根据水泵出水口算出流量，再根据需要的流量大小来确定开启的水泵数量。开机时，水泵要按照1号、2号、3号的顺序启动。

(2) 水泵和阀门具有联锁控制功能，开机时，先开水泵后开阀门；停机时相反，先关阀门后关水泵。

(3) 指定其中任意一台为备用水泵，当出现故障时，备用水泵能够自动投入运行，并发出报警。

(4) 每台水泵和阀门都具有机旁手动和PLC集中操作功能，通过一个两档选择开关来实现切换，即一侧为手动，另一侧为自动；打到手动为在现场机旁操作，用于检修或调试；打到集中时在上位机上操作，通过PLC进行控制，作为正常生产操作方式。

5.2 程序编写

编程软件采用西门子STEP 7，利用STEP 7的功能对整个控制系统进行组态、编程和监控、调试。

STEP 7主要有以下功能：(1) 组态硬件，即在机架中放置模块，为模块分配地址、设置参数；(2) 组态通信连接，定义通信伙伴和连接特性；(3) 使用编程语言编写用户程序；(4) 下载和调试用户程序、启动、维护、文件建档、运行和诊断等功能。

该系统PLC程序共包括主程序、组织块、功能块、数据块等部分。采用分块控制，通过主程序进行调用的编程思想，利用梯形图语言根据工艺设计和控制要求进行程序编写，实现工艺控制要求。

6 系统调试

6.1 硬件调试

现场调试前要全面检查整个PLC控制系统，包括电源、接地、I/O连线等，同时对PLC外部接线做仔细检查，在保证整个硬件连接正确无误的情况下方可送电。

系统的调试是整个设计能否实现的关键，可以用变量表来测试硬件，通过观察CPU模块上的故障指示灯或利用故障诊断工具来诊断故障。硬件模拟法是使用一些硬件设备模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，进行测试。

6.2 软件调试

在模拟调试合格的前提下，将PLC与现场设备连接，将PLC的工作方式置为“RUN”。反复调试，消除可能出现的问题。

使用变量表可以在一个画面中同时监视、设置和修改用户感兴趣的全部变量，在变量表中可以赋值或显示的变量包括输入、输出、位存储器、定时器、计数器、数据块内的存储器和外设I/O。

基本步骤如下：

(1) 生成新的变量表或打开已存在的变量表，编辑和检查变量表的内容。

(2) 建立计算机与CPU之间的硬件连接，将用户程序下载到PLC。在变量表窗口中用菜单命令“PLC”→“Connect to”建立当前变量表与CPU之间的在线连接。

(3) 用菜单命令“Variable”→“Trigger”选择合适的触发点和触发条件。

(4) 将PLC由STOP模式切换到RUN-P模式。

(5) 用菜单命令“Variable”→“Monitor”或“Variable”→“Modify”激活监视或修改功能。

在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。

6.3 联动调试

联动调试是对通过模拟调试的程序进行进一步的在线统调。联动调试过程应循序渐进、逐步进行，如不符合要求，则对硬件和程序作调整，通常只需修改部分程序即可。全部调试通过后，经过一段时间的考验，系统就可以投入实际运行了。试运一定时间且系统运行正常后，可将程序固化在存储器中，做好备份。