广西西门子代理商

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1  引言
    工业自动化技术是一种运用控制理论、电控设备、仪器仪表、工业计算机以及信息通信技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，可分为工业基础自动化、过程自动化和管理自动化。
    在轧钢厂的生产过程中需要大量的工业冷却水，将使用后的冷却水进行回流集中，通过清除杂质、化学除污、散热冷却等过程进行循环使用。整个循环水处理系统设备多，控制范围较大，同时冷却循环水直接参与轧制过程中的温度控制、设备降温等生产过程，因此必须采用可靠性高、自动化程度高的控制系统。本文以某轧钢厂循环水处理系统为例，介绍采用s7-400plc和wincc组成的控制系统及其功能。

2  工艺流程
    根据循环冷却水处理系统各部分功能和地域的不同，划分为旋流池区域、化学除油器区域、冷水池区域、热水池区域、污泥池区域共5个部分。
    循环冷却水处理系统工艺流程及各部分的联系如图1所示。

图1  循环冷却水处理系统工艺流程

    含有油污及杂质的污水通过冲渣沟进入漩流池，污水经沉淀后进入漩流池吸水井，吸水井的一部分水通过冲渣泵送至冲渣点，大部分污水通过漩流池提升泵经管道进入混和器，自动加药装置将药剂添加进混和器，污水和药剂在此充分混和后由分配槽送至各化学除油器。污水在化学除油器内进行化学反应，污泥沉入化学除油器泥斗，并通过阀门排出，清洁的循环水则从顶部溢出流入热水池。经冷却塔冷却后的循环水进入冷水池，通过利用高压供水泵、低压供水泵加压送至各用户。

3  控制系统组成
    循环冷却水处理控制系统主要控制水泵和阀门；水泵和阀门的开闭具有一定的逻辑关系；同时，相同功能的多台水泵之间要求具有工作和备用的关系；水泵与液位存在连锁。此外，还有大量管道压力、流量、液位、温度等模拟量的检测。因此，采用plc作为控制器可以较好的完成所需控制功能。
    整个循环水处理系统控制的区域较大，电控设备距离较远，为简化控制系统，节省电缆，采用网络控制方式。上位机、编程器通过工业以太网与plc通讯，远程i/o通过profibus与cpu通讯。plc选用西门子公司的s7-400，远程i/o选用et200m，组态软件选用wincc6.0，控制系统组成及网络结构如图2所示。

图2  控制系统组成结构

4  控制系统软件编程
    控制系统软件编程包括两部分：上位机的监控界面、历史数据曲线、故障报警等编程；plc的控制程序，数据采集等编程。
4.1 上位机软件编程
    循环冷却水处理控制系统操作界面包括七个一级操作画面和30个二级操作画面。一级操作画面：主画面、旋流池、污泥池、热水池、冷水池、曲线图与报警表。在每个画面当中的下面有一行按扭，点击按钮会进入对应的画面。一级操作画面实例如图3所示。

图3  一级监控操作画面

    重要参数（电流、液位，压力）的数值显示于画面当中，同时当池中的水位发生变化时，画面中的蓝色的棒状图的高度会发生相应的变化。设备的运行状态通过动画显示。当泵的颜色变绿时，表示该泵已启动，变红表示停止，含有软启动的泵（冲渣泵、低压供水泵）在变绿时，仅表示软启动，当泵的叶轮旋转时，才表示为正常运行。对于直接启动的水泵，在开泵后，变绿的同时叶轮会旋转，表明已经运行。阀门有三种状态：开到位、关到位与中间状态。当阀门的颜色变绿时，表示开到位；变红时，表示关到位；变黄时，处于中间状态。当泵、阀闪动时，表明产生故障。
    二级操作画面是泵、阀等设备的操作画面。点击泵、阀的图标，会弹出相应的操作画面，可以对设备的运行状态进行监控和设定。二级操作画面实例如图4所示。

图4  二级操作画面

4.2 下位机控制系统软件设计
    控制系统plc程序采用结构化编程方式，即按照工艺区域划分和处理功能划分，分别编写程序功能fc，并在组织块0b1中调用，包括模拟量数据处理功能块、各区域设备控制功能块、报警功能块等。
    水泵控制程序主要有泵阀联动的控制和备用泵的自动投入控制。上位机通过选择开关设定自动/手动操作方式。在手动方式下，可以分别控制水泵电机的启停和阀门的开闭。在自动方式下，实行泵阀联动，即首先启动水泵电机，延时一定时间后，自动开启阀门，在阀门到达开极限位后停止阀门电机；要停止水泵时，首先关闭阀门，当阀门关到极限位后停水泵电机；从而减小水锤效应对水泵和阀门的破坏。
    系统共有8台化学除油器，化学除油器的排泥阀有手动排泥和自动排泥两种方式，均通过上位机界面设置。手动排泥可根据需要任意操作任何一台排泥阀。自动排泥为在上位机启动排泥操作后，依此从1#至8#自动开启排泥阀一定的时间，排泥完毕后自动关阀，同一时间只有一台排泥阀工作。排泥时间根据实际工矿通过上位机设定，以毫秒为单位，将时间转换为整数，将设定值送至设定的db块数据区，调用系统功能fc40将设定值转换为s5时间格式。将设定时间通过定时器产生脉冲，在脉冲上升沿启动排泥阀，在脉冲下降沿关闭排泥阀。化学除油器排泥时间控制程序如图5。

图5  化学除油器排泥时间控制程序

5  结束语
    系统的设计采用plc为控制器、利用组态软件设计操作界面，通过以太网和profibus两层网络进行数据通信，实现了轧钢厂循环冷却水的基础自动化。plc对现场参数进行采集，并接受上位机的控制指令，完成对设备的控制；现场数据通过通信线路上传给wincc，可实现显示、记录以及故障报警等功能。循环冷却水系统实现了集中可视化监控，操作性灵活，稳定性和可靠性高，节约了人力资源、减少了设备故障及故障诊断时间。

 目前市场上经常出现继电器问题的客户现场有一个共同的特点就是：出现故障的输出点动作频率比较快，驱动的负载都是继电器、电磁阀或接触器等感性负载而且没有吸收保护电路。因此建议在plc输出类型选择和使用时应注意以下几点：
1.一定要关注负载容量。输出端口须遵守允许大电流限制（如表1所示），以保证输出端口的发热限制在允许范围。继电器的使用寿命与负载容量有关，当负载容量增加时，触点寿命将大大降低（如表2所示），因此要特别关注。
2.一定要关注负载性质。感性负载在开合瞬间会产生瞬间高压，因此表面上看负载容量可能并不大，但是实际上负载容量很大，继电器的寿命将大大缩短，因此当驱动感性负载时应在负载两端接入吸收保护电路。尤其在工作频率比较高时务必增加保护电路。从客户的使用情况来看，增加吸收保护电路后的改善效果十分明显。
    根据电容的特性，如果直接驱动电容负载，在导通瞬间将产生冲击浪涌电流，因此原则上输出端口不宜接入容性负载，若有必要，需保证其冲击浪涌电流小于规格说明中的大电流。
3.一定要关注动作频率。当动作频率较高时，建议选择晶体管输出类型，如果同时还要驱动大电流则可以使用晶体管输出驱动中间继电器的模式。当控制步进电机/伺服系统，或者用到高速输出/PWM波，或者用于动作频率高的节点等场合，只能选用晶体管型。PLC对扩展模块与主模块的输出类型并不要求一致，因此当系统点数较多而功能各异时，可以考虑继电器输出的主模块扩展晶体管输出或晶体管输出主模块扩展继电器输出以达到佳配合。
    事实证明，根据负载性质和容量以及工作频率进行正确选型和系统设计，输出口的故障率明显下降，客户十分满意