基于西门子PLC技术的冶金工业自动化控制技术分析

刘俊

方大特钢科技股份有限公司，江西南昌，330012

0 引言

西门子PLC是产自德国的可编程控制系统，可广泛应用在化工生产、冶金生产以及印刷生产领域。由于西门子PLC的运行速度快、体积小，可靠性较强，所以，PLC的应用能够有效提高冶金生产自动化水平，生产效率也随之提高，生产质量得到保证。随着计算机技术的快速发展，冶金工业生产在计算机技术的加持下发展迅速，西门子PLC的应用能够将监控系统、现场总线和工业网络加以整合，能够实现对冶金生产重要流程的监控。

1 西门子PLC技术相关介绍

1.1 西门子PLC工作原理

通常而言，应用西门子PLC进行冶金自动化生产管理，PLC技术的应用流程可以划分为三个阶段，来完成生产过程的自动化控制。第一阶段为输入采样；第二阶段为用户执行程序；第三阶段为输出刷新。以上三个阶段组成扫描周期，应用PLC技术依托计算机CPU输入以上程序。输入采样环节，可以利用PLC技术，通过扫描方式，读取工作模块、相关数据，存储于I/O映像区单元。采样阶段完成以后，进入到用户程序的执行、输出刷新等阶段。后两阶段的运行，即便是采样阶段存在数据状态方面的变化，也不会对相同时间数据处理、控制结果造成影响。一旦用户执行程序，需要重点对程序内部特殊指令进行管理。输出刷新环节，是在用户扫描信息以后，此时PLC就会重新进入刷新环节，CPU也会结合I/O映像区中的数据，将锁存电路输出，通过电路驱动，外部设置连接设备，实现PLC对生产环节的控制[1]。

1.2 PLC技术应用机型选择

因为西门子PLC应用过程的控制性能各不相同，控制机型也各有不同，分为低档、中档、高档三种。利用低档类型控制器，其仅具备初级运算和控制等功能，可以满足冶金生产自控系统效率方面的要求，但是能够加载模块的数量相对较少，常见的有S7-200型号。中档机的编程控制器，无论是运算能力还是控制能力都有一定程度提升，既可以完成简单的数据计算，又能完成复杂类型三角函数、PID以及指数运算，工作效率较高，可搭载模块种类、数量均相对较多，常见的有S7-300型号。高档机的运算能力、数据处理能力都相对较强，可以完成逻辑运算、指数运算、三角函数运算以及PID运算，还能实现复杂矩阵方面的运算。由于其运行速度相对较快，能够容纳或者搭载模块种类较多，因此，能够应用于大规模冶金生产流程的控制。高档PLC设备可以充当主站架构，辅助网络连接。S7-400就是典型的高档机型。PLC技术应用阶段，组合形式有多种，有叠装式，也有整体式和组合式结构，能够实现PLC技术的匹配，满足从简单到复杂控制流程方面的需求。按照控制模块使用需求，对于PLC机型进行选择。选择过程，还需要考虑任务数量，模块的设定应该通过AI/AO、DI/DO点数综合确定。按照点数相关数据，完成PLC技术组装、设定管理任务，达到生产环节控制需求。通常来讲，控制点数收集数量不足100个，可以选择低档的PLC设备；控制点数不足1000个，可以选择中档PLC设备；控制点数超过1000个，则需要选择高档PLC设备[2]。

1.3 PLC技术应用保养方法

在应用西门子PLC技术阶段，对于设备长期保养是延长其使用时间的重要措施。相关人员需要定期对设备采取调整和测试管理，每个季度检查一次，重点对于PLC柜内部端子的连接情况进行全面检查，如果发现存在松动的情形，应该重新对其进行固定和连接。PLC柜内部电源的电压状态也需要每月测量。季度清扫应该将PLC电源切断，拆卸输入和输出设备以及CPU主板，经过仔细吹灰和清扫，重新安装恢复原位。针对PLC箱体内部的清理，每三个月进行一次，将电源架位置过滤网更换。检修以前准备保护装置、防静电装置，及时与调度人员进行沟通，保证检测环节安全。使用数字电表测量电压，拆装RAM模块需要将PC端电源切断，如果CPU版QVZ灯亮起，即可拆卸I/O板，预防拆卸过程的静电。

2 西门子PLC技术在冶金工业自动化控制的应用方向

2.1 应用于物料跟踪

冶金工业生产环节，原料投入的比例控制对于成品结构、成分组成都会产生一定程度的影响。应用自动化技术对于生产物料进行跟踪，能够对原料配比精细化控制。冶金生产反应阶段可能由于设备故障和原料质量方面问题导致反应过程不充分。此时，需要针对物料参与反应的流程进行追踪，明确原料的固、液、气等状态变化及分布情况。物料追踪系统通常是由检测仪表、记录装置等组成。如果要对钢坯进行追踪，还需要在轧制线上安装红外检测器，此装置为西门子PLC。反应加工阶段，检测装置能够发射红外线，对于运动状态轧件进行扫描，此时，检测器信号能够通过计算机方式读取并传输，有两种结果，分别为0、1，其中“0”表示“无物料”，“1”代表“有物料”，以上信号都能直接传输至计算机段，由西门子PLC负责对所有控制参数进行记录，跟踪所有轧件编号。

2.2 应用于设备监测

使用西门子PLC对于冶金生产设备的状态进行监测，监测系统主要由接触器、电气电路、按钮开关、输入和输出模块，还有拓展设备。使用传感器、开关按钮、电磁阀共同组成监控电路，利用系统对设备运行状态进行监测。可以监测设备温度、流量。比如：冶金生产阶段，热炉内部的风量、温度存在不可控性，控制系统包括控制器、执行机构，用西门子PLC可以直接控制设备开关，使用PLC编写程序，控制开关量，按照程序确认设备运行先后顺序，同时，运行时长和运行时间也高度可靠，能够实现顺序控制[3]。

2.3 应用于参数控制

冶金生产阶段，工艺参数的控制和监测也可通过西门子PLC技术完成。通常而言，压力参数、湿度参数都是监测重点。如若参数偏离正常值，就会对冶金产品品质造成影响，甚至发生严重事故。产品性能、数量和尺寸既可以使用物理手段进行控制，又可以使用机械或者电气手段控制，PLC的应用就是电气控制手段，通过预先计算，将工艺参数模拟出来，应对正常状态浮动范围加以明确，利用计算机传递设备状态，程序就能自动化运行。如果工艺参数处于特定范围之内，则工艺能够正常运行，相反，如果工艺参数超出正常范围，电路即可自动关闭，停止工艺流程。

2.4 应用于实时控制

通过西门子PLC的运用，能够以自动化方式对于生产操作进行实时控制，包括分布控制、集中控制两种情况，由于以上控制方式流程不同，分布控制是每个程序只负责对相同设备编程，集中控制是通过PLC控制特定操作流程。要实现实时控制目标，在西门子PLC的使用之下，技术模块相对于不同类型电气元件都有不同类型屏蔽系统，所以需要保证元件质量、电磁辐射屏蔽能力达到要求。所有具备屏蔽功能的程序模块可向控制中心传输信息，工作人员对于操作状态随时观察。因为冶金生产流程必然会产生工业废渣，废渣内部含有重金属，可能对生态环境造成破坏。所以，实时操作的控制还需要关注生产以后处理废料问题，控制冶金工业对于环境造成的负面影响。

3 西门子PLC技术在冶金工业自动化控制的应用实例

冶金生产，配料环节涉及诸多原料配比，如果利用人工操作对配比进行计算，能够达到单一设备生产需求。但是，如果生产环境发生变化，物料和数量需要更改，还需要重新称量计算，过程消耗人力成本较高。选择西门子PLC（S7-400型），可以利用变频调速方式打造配料系统，通过人机对话，完成物料输送、配方设计以及物料输送，兼具生产管理功能。冶金配料环节，通过PLC系统管理物料，提前设定物料配比，利用电子皮带秤对皮带输送机所输送物料进行测量，实现对称重、输送环节的全程控制。同时，PLC还能检测系统存在的故障，具备报警功能，将变频器信号输出，对于下料系统运行速度和皮带速度进行调节。以下对于西门子PLC在配料系统中的设计和应用流程进行分析[4]。

3.1 系统原理

配料系统运行过程原理为，对于下料采取闭环控制，通过电子皮带秤完成物料计量，通过PLC获取称重信号、变频器信号，处理之后变为瞬时的物料量，物料信号利用以太网向工业上位机传输，同时，PLC还能通过程序计算得出下料量理论值，利用AO模块转换，变为电流信号，向下料变频器当中传输，之后通过变频调节器的震动，辅助给料机转动。如果流量增加，给料机的转速会降低；反之转速升高，让物料流量、阶段累积量处于合理范围之内，保证生产质量。

3.2 组成结构

系统组成部分有PLC控制器，上位工控机、变频器和称量仪表。进料部分主要是指料仓到设备执行器，可以按照物料特征不同，对于给料设备进行选择。比如可以选择电磁振动类型给料机，还可选择螺旋给料机。系统的称重部分是由称重显示器、传感器与接线盒共同组成，检测称量物料存在的误差。卸料可以选择称重或者卸料设备，组成部分包括给料机、空阀与电动阀，能够按照现场工艺条件对于材料进行选择。配料系统由PLC控制器、称重仪表以及上位机组成。利用校正系统对于计量系统的传感器进行定期调整，提高计量准确性。

3.3 网络结构

配料系统通信处理用以太网完成，将处理模块和工业以太网连接，冶金配料管理系统的总线配备工业级环网交换机，建立以太网环状架构，环网通信速度能够达到100Mbit/s。在系统终端配置西门子以太网交换机，可以连接操作站和工程师站，由操作人员对于历史数据进行记录，还可记录物料比更改、事件顺序以及报表信息等。在工程师站还配置西门子通信网卡，辅助控制站的现场通信。

3.4 程序监控

冶金系统配料管理选择西门子PLC（S7-400）系统展开全自动控制，系统中主要程序选择LAD语言进行编写，能够对主要流程进行同步控制。因为LAD语言理解相对容易，有助于维护人员对于控制逻辑的升级和优化。配料系统在运行过程存在联锁条件相对较多，并对工艺控制的要求相对较高。系统内部选择安全程序数量高，确保安全程序、标准程序间能够相互调用，便于I/O模块全面采集冶金工艺流程信息，所有数据借助模块处于安全状态之下运行[5]。

配料系统配置西门子管理系统，HMI的上位监控软件选择Wincc，其可与PLC系统之间紧密结合，组态过程高效简便。因为配料系统中的画面可对现场变频器、电子秤和机电设备运行状态进行监控，借助操作画面远程完成设备全自动控制。由于HMI具备报警程序，通过报警信息栏可以实时获取现场中的设备状态，将故障信息显示出来，能够维护设备应用的可靠性。冶金配料管理系统的应用，便于操作人员对于生产过程相关设备的运行参数、运行状态进行全面监控，通过逻辑运算和逻辑判断，让设备安装设定程序展开操作，保证配料系统的使用安全。

3.5 控制流程

物料系统运行阶段，加料设备可以传送物料，将其送至配料皮带秤，此时利用速度和称重传感器可以向皮带秤仪表发送速度、称量信号。皮带秤的仪表在输送物料的时候可以瞬时显示流量，还能显示计量数据，模拟瞬态电流，通过标准化方式向PLC系统当中发送，系统内部设置单回路程序，可以对比设备实际值和定值，辅助PID调节。调节器可以按照测量值、设定值之间的偏差，借助变频器对于皮带秤驱动速度进行调整，保证冶金生产过程进料流量的精度。因为使用者可以对下料速度进行设定，能使物料流量达到恒定状态。同时，因为冶金配料管理系统当中设置单回路调节运行模式，所以如果物料下料有瞬时变化，就会对多个物料配比造成影响，此时，可利用调节器控制，更改下料电机的变频器运行频率，改变单个回路控制参数，不断提高系统控制质量。针对冶金生产物料配比管理，可由编程人员提前在上位画面当中设置配比方案，并从中选择一种，此时，系统即可按照设定程序，对于物料的下料过程加以处理。如若生产环节有加入特殊物料，操作员还可对参数进行人为设定，以达到冶金生产环节工况不同对物料配比方面的差异化需求[6]。

4 结语

综上分析，西门子PLC的应用能够辅助程序存储、顺序控制以及逻辑运算等功能实现，通过数据模拟，完成数据的输入输出，辅助工业生产。因为PLC控制操作相对简单，且安全性高，因此逐渐取代传统继电控制装置，在PLC快速发展过程中，还可与信号处理、计算机技术融合应用，按照用户需求，打破逻辑控制局限性，并对生产全程加以控制。冶金企业在生产过程中可以根据需求，选择和应用西门子PLC，注意机型选择和保养措施，充分发挥技术优势，促进冶金行业快速发展。