武漢科技大學信息科學與工程學院 童堯斌 潘煉
1 引言
隨著計算機技術引入工業控制系統，PLC已經成為工業自動化控制系統的重要組成部分。包鋼原料場是一個大型綜合原料處理系統，整個綜合料場占地約6平方公里。要保證一個大型現代化鋼鐵企業正常運轉，首先必須保證原料正常、穩定、高效供應。包鋼原料場工藝復雜、設備多、距離長，原料場主要生產設備有：膠帶運輸機、堆料機、取料機、帶斗門機、圓盤給料機、卸車機、移動小車等。由這些設備組成輸入、混勻、配料、輸出等主要系統。這些運輸系統由皮帶運輸機構成復雜的運輸網絡，工藝流程復雜。為提高設備效率，穩定地向高爐、燒結供料，必須實現原料處理作業的自動化控制[1]。
2 控制系統的組成及原理
電氣控制設備主要由浙江中控技術有限公司的GCS-1控制系統和各種電機和變頻器組成。
圖1 系統整體網絡結構拓撲圖
2.1 網絡結構
2.1.1 系統網絡拓撲圖
由于整個料場設備很多，所以控制系統依據現場電氣的分配原則分為11個控制站（電磁站），分別控制混勻系統、卸料系統、礦石及焦炭篩分系統、原料輸入系統、原料輸出系統、除塵系統的各個設備。每個控制站均采用冗余的PLC控制系統，通過雙層雙光纖環網與中心調度室進行通訊，來實現設備的監控。系統整體架構如圖1。
2.1.2 雙層光纖環網
由于系統分站較多，地域廣，而且系統要求的可靠性很高，所以在網絡結構中采用冗余方式。雙層光纖環網由兩個平行的單層光纖環網構成，主要網絡部件采用MOXA的光纖轉RJ45口的光纖環網交換機。它除了具備光纖網絡的傳輸距離遠，傳輸信號不易受到干擾的特點外，還具有環網的優點，處在環網中的任何節點斷開或環網中的任一點斷開，并不會影響網絡的正常運行，只是由原來的環網變為單總線的網絡結構，從而提高了網絡的可靠性。雙層的環網結構本身就具有冗余的功能，使網絡更加可靠。
2.1.3 控制站內部網絡結構
在各控制站中均配置為冗余的CPU，使各站具有冗余功能，各有兩個光纖環網交換機，用于連接兩層光纖環網。由于整個綜合料場是一個整體，工藝系統結構緊密，設備間連鎖信號較多，而我們各個控制站的分站原則是按照電氣站進行分離的，主要依據是現場各個設備所在的地理位置，人為將整個系統進行分割，所以在各個控制站的站間數據交換將非常頻繁，而且相對比較重要，因此我們將CPU以太網接口直接與光纖交換機相連。
2.2 控制原理
綜合料場作業流程控制是一種生產過程控制。原料運輸與加工的生產過程，是在統一控制下的一群設備的集約化行動。原料區改造后共有作業流程335條，其中允許同時運行的流程32條;運行過程中可切換路線的流程有49組98條;運行過程中可換料種的流程有11條，此外，還有9組流程具有疊加功能。
流程控制要求：
1） 擁有相關設備的流程，稱為互相“干擾”的流程，通常情況下只允許其中一條運行。考慮到系統能力充裕，輸送物料相同，起點不同，終點相同的若干流程可不互相干擾，允許同時交叉運轉。另外，還有一些流程可以相互切換。
2） 綜合料場最多可以有25條無相關設備的互相不干擾的流程，這些流程可以同時運行。
3） 不論是原料運輸作業還是加工作業，流程的啟動、給料、順停全過程，必須完全符合工藝要求，必須把整個生產線上的余料全部排放干凈才能停止。
4） 任一流程的順序啟動、順序停止或設備故障，不影響正在運行的其它流程。
5） 具有完善的流程狀態演變過程的顯示和報警功能，可保障運行安全，操作靈活方便[2]。
2.2.1 皮帶控制程序
皮帶控制包括：普通皮帶控制和正反轉皮帶控制，原理類似，下面以普通皮帶控制為例簡要說明。
設備自動啟動條件具備，自動狀態下按下啟動按鈕（或順啟條件具備），首先輸出電鈴信號，發出啟動警報，同時開始計時，3秒后發出皮帶啟動指令輸出至現場接觸器，使其動作，啟動電機，同時返回設備運行信號，會同啟動輸出指令一起為DO輸出做自保持。當按下停止按鈕后，自動啟動回路斷開，DO無輸出，接觸器斷開，設備停止。
設備手動啟動條件具備，手動狀態下按下手動啟動壓扣，手動啟動回路接通，發出皮帶啟動輸出指令至現場接觸器，接觸器動作，啟動電機，同時返回設備運行信號，會同啟動輸出指令一起為DO輸出做自保持。當按下手動停止按鈕后，手動啟動回路斷開，DO無輸出，接觸器斷開，設備停止。
2.2.2 設備連鎖停止
當所選料線設備正常運行，若料線其中一個設備停止（故障或非故障停車），則所選料線此設備上游設備將聯鎖停止，下游設備仍保持運行。例如，若所選料線為A1→A2→A3→A4→A5→A6都處于運行裝態，當A5出現故障停車時，其上游設備A1→A2→A3→A4都將停止，而下游設備A6則仍處于運行狀態。由于料場控制是順控的過程，這樣可以避免因中間設備故障停機而發生堆料情況，有效地減少經濟損失。
2.2.3 設備順起
設備順起首先要確定所選料線中各設備具備自動啟動條件。選擇合適料線，按下順起按鈕后，設備將從所選料線從下往上逐個啟動。直至所選擇的料線全部啟動完畢后或順起指令發出100秒后順起復位。若順起失敗或其他原因需要停止設備啟動，則可按下順起復位按鈕將其手動復位。
2.2.4 倒系統
當所選料線設備正常運行，若需要小范圍更改料線而不是整個系統停車，則可執行“倒系統”操作。此時倒系統不會使整個系統停車，但是在倒系統結束后，應及時點擊“倒系統”按鈕使倒系統操作結束。
2.2.5 系統急停
在現場時常會發生人們難以預料的情況，此時如果每個設備都要現場操作人員手動停止的話，往往可能快速性不夠，很難達到一有情況就全線立即停車的目的。在軟件中設置“急停”，保證對現場事故迅速作出反應，最大限量達到避免現場操作人員傷亡和減少經濟損失的效果。當監控畫面按下“急停”按鈕時，整個料場系統所有設備都會無條件停車。
3 系統功能
（1）按照生產需要選擇上料、堆料、取料、應急取料等不同的流程， 并控制流程上設備的順序啟動、同時啟動、順序停止、同時停止、緊急停止、故障停止等。
（2）可以根據生產需要選擇不同的含鐵原料， 改變或設定各種含鐵原料的配比，通過自動配料控制系統實現所選原料按配比下料。
（3）報表打印功能。可以在每次改變配比后將原配比和新配比打印出來; 可以統計各班的配料總量、各種原料的消耗量， 在當班結束時打印出來; 統計每月的配料總量、各種原料的月消耗量，每月末以報表的形式打印出來。
（4）報警功能。本控制系統可以在生產過程中實時監控各種關鍵設備的運行狀況，若設備的運行參數超出預先設定的上下限，則在主控室的上位機上發出報警信息，提醒操作人員采取相應的措施。
（5）故障記錄功能。本系統可以記錄在運行過程中出現故障的設備， 故障時間及有關故障的簡單信息， 方便維護人員維護系統設備[3]。
4 結束語
系統自調試、投入運行以來，運行狀態良好。實踐證明，采用GCS-1控制系統及光纖環網的網絡結構，很好的適應了控制設備多、采集分站較多、地域分布較廣、實時性要求較高，系統可靠性要求高的場合，解決了綜合料場各控制站與中心控制站數據交換的問題，使現場設備在中心調度室進行集中控制節省了大量的操作人員和項目投資。在整個系統中，PLC、變頻器和網絡的結合使用，減少了現場電纜的敷設，提高了設備的可靠運行和自動化程度，降低了設備維護量，且在生產過程中節省人力、減少中間環節，有效提高了生產效率。
參考文獻
[1] 王沖輪.PLC在馬鋼原料場自動化控制系統中的應用[J].電氣應用,2005,24（1）:110～112
[2] 付應紅，李曉帆，項進解.軟PLC（SoftPLC）技術、產品及控制方案探討[J].微計算機信，2000，16（5）：27～29
[3] 鄭晨，鞏建平.現代可編程控制器原理與應用[M].（第三版）.北京：科學出版社，1997
