引言:

    合钢3#高炉热风炉控制系统是高炉自动化系统工程中基础自动化子系统,其运行的安全可靠性，直接影响高炉炼铁的正常运行。原热风炉系统工艺流程简单，设备自动化程度不高，控制方式落后，使得热风炉的热效率、热风温度大大降低，并影响热风炉设备的工作能力。因此，对该系统进行了工艺流程以及控制设备的改造。改造后的合钢3#高炉热风炉系统是由3座高温大型外燃式热风炉组成,轮流交替地燃烧和送风,为高炉炼铁提供连续不断的高温助燃空气。控制系统选用PLC控制方式，以西门子公司的S7-400 PLC作为控制计算机，稳定可靠、功能强大且自动化程度大大提高。以西门子公司的WinCC软件平台为基础的监控系统能够实时监控系统的运行状态并及时作出反馈显示。其他控制及监测设备均选用国内外著名品牌，提高了系统的可靠性。

1 系统介绍

    高炉是钢铁工业生产生铁的机组，它需鼓进热风来燃烧焦碳以把铁矿石还原成铁水，热风炉的作用是把鼓风加热到要求的温度，在燃烧室里燃烧煤气，高温废气通过格子砖并使之蓄热，当格子砖充分加热后热风炉就可改为送风，冷风经格子砖被加热并送出。其布置图如图1。

    其工艺流程主要由送风系统和燃烧系统构成。热风炉的操作包括两个部分，即燃烧控制和自动换炉。整个系统装置主要由热风炉、预热器、助燃风机等工艺设备组成。并以高炉煤气为燃料，同时采用了双预热系统，以提高燃烧介质的物理热。每座热风炉配备有复杂的阀门系统，用以控制燃烧和送风过程。

2   系统组成

2.1  硬件
    热风炉监控系统采用上位机和下位机组成。上位机使用研华工控机，工控机的具体配置为：Pentium IV处理器，2.66GHz主频，512MB内存，80GB硬盘，Windows 2000操作系统，21英寸PHILIPS CRT。PLC程序的开发以及将软件通过串口传送至PLC的CPU单元。下位机采用功能强大、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器SIMATIC S7-400作控制站，该产品作为新一代的产品，具有高速的指令处理、容易扩展和广泛的通讯能力。该主站通过PROFIBUS-DP连接3个ET200M远程I/O从站,其中1＃IM153-1机架：八块模拟量输入模块（AI8x12bit 6ES7 331-7KF02-0AB0）；允许输入的最大输入电流是40mA，允许输入的最大输入电压是20V，可用于电流测量，接受4～20mA的标准信号。测量范围可机械设定；微调由编程装置中的STEP7 的硬件组态功能进行设定。2＃ IM 153-1机架：七块模拟量输入模块（AI8xTC 6ES7 331-7PF10-0AB0）,八路模拟量输入，用于热电偶，适合的热电偶的类型为B、E、J、K、L、N、R、S、T、U；组态方式与AI8x12bit相同。一块数字量输出模块（DO 16xDC24V/0.5A 6ES7 322-1BH01-0AA0）。3＃IM 153-1机架：二块模拟量输入模块（AI8xRTD 6ES7 331-7PF00-0AB0）,八路模拟量输入，用于热电阻，适合的热电阻类型为PT100、PT200、PT500、PT1000、Ni100、Ni120、Ni200、Ni500、Ni1000、Cu10；三块模拟量输出模块（AO4x12bit 6ES7 332-5HD01-0AB0）,四路模拟量输出，当输出为有符号数时（±10V,±20mA），分辨率为11位+符号位，当输出为无符号数时（4-20mA，1-5V）分辨率为12位；二块数字量输入模块（DI 16xDC24V 6ES7 321-1BH02-0AA0），有十六路开关量输入通道。 

2.2 软件
    PLC控制软件采用Siemens公司的STEP7软件开发，它是用于SIMATIC S7-300／400和基于PC控制产品的组态、编程和维护的标准软件包。STEP7中集成的SIMATIC编程语言和语言表达式符合EN61161-3或IEC1131-3的标准。通过STEP7，用户可以进行系统配置和程序的编写、调试；在线诊断PLC硬件配置状态；控制PLC的运行状态 和I／O通道的状态等。    
     工业控制组态软件是可以从可编程控制器、各种数据采集卡等设备中实时采集数据，发出控制命令并监控系统运行是否正常的一种软件包，组态软件能充分利用Windows强大的图形编辑功能，以动画方式显示监控设备的运行状态，方便地构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表、历史数据库等，为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上提高了工控软件的质量。Siemens公司的WinCC V6.0是基于32位操作系统 Windows2000或Windows NT的面向对象的开放式的HMI软件，提供了基于全面开放式接口的解决方案，具有标准的应用程序接口。它提供了各种PLC的驱动软件，和STEP7结合使用大幅度降低了工程时间。

2.3 通信
    热风炉过程控制站主要完成对3座热风炉富氧系统及预热器各工艺参数的数据采集和控制,包括热风炉炉顶温度、热风炉冷风流量、煤气的流量、压力、烧嘴、废气温度，高炉煤气流量调节阀等参数的检测及燃烧配比自动控制；空气、煤气预热器前后温度、压力、差压的检测及冷风压力，流量，温度的检测和热风温度的控制等。一个S7-400主站通过PROFIBUS-DP带三个ET-200远程I/O从站.如图:

    系统网络结构分为二层，即下层控制网和上层管理网:
    下层控制网采用双芯屏敝电缆，适合PROFIBUS国际标准。满足现场信号的采集、处理和控制器的通讯，为PROFIBUS―DP现场通讯网。
    上层管理网分为TCPBP协议的管理以太网，通过OS站、ES站上的网卡连接，主要实现工程师和操作员站之间文件管理。

3 功能实现

    1)显示功能：工艺流程、设备运行状态、操作模式、报警等显示画面调用等功能；
    2)报警处理和报表生成功能：记录报警发生时间、故障内容等信息,并对报警信息进行管理，系统输出的报表有时报、日报、月报等；
    3)历史趋势功能：对现场的煤气压力、煤气温度、阀门开度等以曲线图形显示。每个趋势曲线显示的画面主要包括画面名称、时间、趋势、说明等；
    4)数据库存储与访问：实现Access历史数据库在每次系统运行时的自动创建并按分钟级记录，现场数据的存储；
    5)画面系统对系统参数、控制器参数进行修改与储存，能实现监控系统自动/半自动/手动操作模式间的无扰切换；
    6)管理权限：实现不同级别的系统管理权限，系统操作员可以选择操作模式，查看趋势曲线及报表等；系统工程师可以根据实际情况对监控软件和下位机软件进行修改。

4 结论语（系统特点）

    本文研究的基于PLC和组态软件Wincc6.0的热风炉监控系统利用了PLC抗干扰能力强、组网方便、适用于工业现场的特点,又利用了组态软件强大数据处理和图形表现的能力，融合了较先进的自动化技术、计算机技术、通讯技术、故障诊断技术和软件技术，具有可靠性高、组网简单、维护容易等特点。目前该系统已经成功的在合钢应用，效果良好，对热风炉的运行监控顺利开展具有重要意义，同时极大得提高了自动化水平。