浅谈PLC在冶炼行业中的应用

潘战武 ，白康宁

（1.天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水741020；2.大型电气传动系统与装备技术国家重点实验室，甘肃天水741020；3.天水市职业技术学校，甘肃天水741018）

1 引言

PLC可编程控制器之所以成为工业自动化控制领域的核心硬件，在于它可按照既定的、可控的、预期的指令执行规划好的工艺流程，同时PLC高可靠性、低功耗、免维护的特点，使之成为工厂能持续而稳定生产的一个重要环节。合理的使用和控制，可以提高生产效率和降低生产成本。本文以某冶金行业为例，阐述PLC在工业控制领域的应用。

2 概述

某冶炼厂始建于20世纪90年代。历经20多载发展，厂区规模逐渐扩大，控制模式也由最初的多人工参与控制模式发展到少人工参与的半自动化模式，经过了数次提升和完善。但是距上次自动化提升已经过去十多年，现有的控制方式已经不能满足日益增长的规模需求，同时，由于采用的是十多年前的PLC控制器，其控制容量已经接近饱和，无法再进行扩容，其通讯接口也比较单一，自动控制组网的方式不够灵活。故此，结合厂区现有的发展规模特点及未来的发展需要，本项目中采用了当下主流且控制功能强大的PLC作为该厂的自动控制硬件层的核心。

3 功能

PLC已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。它具备开关量逻辑控制（取代传统的继电器回路）、工业过程控制（可以采集和处理温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量，通过A/D和D/A电路的转换和处理，可完成PID闭环控制）、运动控制（用于圆周运动或直线运动的控制，可驱动步进或伺服电机）、数据处理运算（实现各种数学运算：函数运算、逻辑运算、矩阵运算、数据传送、转换、排序、查表、位操作等）、通信及联网（PLC与PLC之间、PLC与带有通讯接口的设备之间通过相互匹配的接口和协议进行数据的传输控制，形成多种通讯拓扑结构的PLC控制网络）等特性，使之适应于社会的各行各业。

4 项目案例

本项目属于冶炼行业，厂区拥有4套冶炼炉，每套炉配套有相应的辅助系统。控制系统包括：主炉系统、炉衬系统、炉电极称重系统、炉冷却水流量监控系统；净化车间系统包括：除尘系统、电炉烟气系统和炉微硅粉气力输送系统等。

自控系统由高低压控制柜、程控柜、直流系统、工业电视监控系统、后台计算机系统等组成。本文以某冶炼项目为例，简述冶炼系统组成及自动化系统智能信息网络的发展趋势。

本项目中分布了5处控制室：1＆2#炉控制室、1＆2#炉净化站控制室、4＆5#炉控制室、4＆5#炉净化站控制室、运配料控制室。

1＆2#炉控制室：设置有1套多组合操作台，1#炉设置了2套操作员站，互为备用；2#炉设置了2套操作员站，互为备用；并共用了1套工程师站。其作用主要用于主炉系统的控制、炉衬系统、炉电机称重系统、炉冷却水流量监控系统。

1＆2#炉净化站控制室：设置1套多组合操作台、1套操作员站、1套工程师站。其作用主要用于除尘系统、电炉烟气系统和炉微硅分力输送等系统的控制。

4＆5#炉控制室：设置有1套多组合操作台，1#炉设置了2套操作员站，互为备用；2#炉设置了2套操作员站，互为备用；并共用了1套工程师站。其作用主要用于主炉系统的控制、炉衬系统、炉电机称重系统、炉冷却水流量监控系统。

4＆5#炉净化站控制室：设置1套多组合操作台、1套操作员站、1套工程师站。其作用主要用于除尘系统、电炉烟气系统和炉微硅分力输送等系统的控制。

运配料控制室：设置1套多组合操作台、1套操作员站、1套工程师站。其作用主要用于原料配送、成品转运、归整等控制操作。

4.1 网络的分层

系统由信息管控层、监控层，数据交换层，硬件控制层四大部分组成。

信息管控层：设置了若干台监控站，其作用在于采集由系统服务器提供的监控数据，并提取、归纳、分析、总结需要的数据源，形成有效的数据报表，使得决策者及时、准确的调控生产过程和趋势。

监控层：由监控站、工程师站、视频监控站等组成，监控站可直观明了地掌握工艺环节内的所有受控设备的状态，设备的运行、停止、故障，流量、压力、液位、特殊表计等实时的数据值，还可对受控设备进行单操或组操动作，通过改变不同设备的控制状态，调整到预期的工艺流程；系统还能实时记录、存储工艺设计中的预期数据，记录设备报警；存储的数据形成日报表、月报表、年报表等；工程师可使用工程师站对工艺画面、工艺流程、逻辑进行更改或完善。通过视频监控站，监控员可观察到工艺现场的设备真实运转情况，有突发状况发生时，可及时通知相关人员处理。

数据交换层：由多套工业以太网交换机组成，它是硬件控制层和监控层之间的桥梁设备，硬件控制层与监控层通过它实时的进行数据传输。

硬件控制层：由高低压配电柜、PLC控制柜、各类检测表计（温度、压力、流量、电流、电压等）、视频监控柜等组成。该层为工艺执行层，所有受控设备均由该层级控制，并将执行的结果实时经由数据交换层传输至监控层。

本工程中工业控制网络采用了百兆工业以太自愈环网，由2套核心交换机和多套分支数据工业以太网交换机组成，使用了光纤作为传输介质，5处控制室数据互连互通。网络中任意一处网络节点断开，均不会影响其他节点正常工作。同时还预留了去上层网络的通讯接口，为MES（制造企业生产过程执行管理系统）系统或其他上层网络提供生产数据。

图1 系统组态示意图

PLC层级网络上则采用Profinet工业以太网实时总线，总线速率100Mbps。信息管理层网络与工业控制网络通过工业防火墙隔离，有效地对工业数据进行安全防护，确保用户的生产数据的安全与保密。系统组态如图1所示。

对厂区建立了5个重点视频监控区域，分布在各区域的网络高清摄像机实时地将现场的状态传至中央集控室内，供生产各环节的监管者查看，掌握生产动态、有效地规避安全隐患的发生。视频网络采用千兆级传输网络，5个区域的视频信息先集中汇总在各自区域的分支千兆交换机后再统一汇总至中央控制室的视频数据服务器上，通过中控室的骨干交换机，视频信息可传输至厂区任何设立了视频监控站的办公区域，如图2所示。

4.2 系统机构及配置

在工业层控制网络中，采用了 C/S （Client/Server）结构，即客户机和服务器结构体系为主，B/S（Browser/Server）结构，即浏览器和服务器结构为辅的混合结构方式。满足不同客户群体对数据的操作，通过它可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到Client端和Server端来实现，降低了系统的通讯开销。目前，大多数应用软件系统都是C/S形式的两层结构，由于现在的软件应用系统正在向分布式的Web应用发展，Web和C/S应用都可以进行同样的业务处理，应用不同的模块共享逻辑组件；因此，内部的和外部的用户都可以访问新的和现有的应用系统，通过现有应用系统中的逻辑可以扩展出新的应用系统。这也就是目前应用系统的发展方向。

本工程案例中，自动化控制的核心硬件采用S7 1500 PLC、S7 300系统产品以及Premium PLC（TSX 57系列）产品。现场总线采用 Profibus DP、profinet、Modbus 总线相结合，并配备工业以太网与上层网络对接。

在通讯网络方面，则根据具体现场情况分布采用了有线网络和无线网络混合的方式布置。

在控制中心，调度人员可以全局掌握4套冶炼炉及配套辅助系统的所有设备数据；炉温、炉压、耗电量、燃料量等数据；实时掌握工艺厂区的所有受控设备的投运状态、工作电流、电压、电能、耗电量，决策人员根据此发出合理的调度指令。

图2 视频监控网络示意图

5 特点

本工程案例中应用PLC技术，结合工业组态技术、通信网络等对工厂的工艺设备进行实时监视与控制，并在区域范围内实现全自动化托管，在全局范围内实现参数微调，由预制好的配方工艺根据全局参数自动调整局域运行状态，实现最佳的运行效率。

控制系统网络采用了光纤自愈型环网设置，分支网络通过有线、无线的方式分布在环网上，任何一个节点发生故障，均不会影响其他网络的正常运行。

总线网络采用了 profibus DP、profinet、Modbus相结合的方式。

网络由信息管控层、监控层，数据交换层，硬件控制层四大部分组成。系统的结构上则采取了C/S和B/S相结合的方式，使得网络更具扩展性和灵活性，提高网络的利用效率。

工艺控制方面，将区域工艺有效地整合在一起，形成一个区域自动化控制系统，再由骨干网络互联互通，形成整个工业监控工艺网络，工厂操作员即可对区域工艺进行精确控制，也可由授权允许的信息总控中心进行宏观调控。分布在各区域工艺段的设备信息、传感器数据等设备通过其区域段的PLC，将数据统一采集处理，形成数据报表、历史报表、曲线、报警等信息。提供给信息控制中心。

控制中心对各工艺段的数据集中统一管理，形成能效报表，帮助管理决策者合理的调配资源，通过对信息的采集，分析诊断系统的状况，及时做出合理的响应，提高产能。

6 设计中需要考虑的因素

在本工程案列中，由于采用了不同厂家的PLC设备，故此在出现不同类型的总线通讯协议；因为环境的因素，采用了有线和无线相结合的通讯方式。

6.1 环境因素

工业工厂的环境往往非常复杂，各个工艺设备分布在厂区的不同区域，但是又有机的结合在一起，所以在电气控制设计中，需要采用合理的、适用的连接方式，本工程案例中，某区域段的很多温度测点分布在一个大的旋转区域上，常规的有线通讯方式不能满足其特点需要，故此采用高性能的工业无线连接方式，通过固定的无线主机与移动的无线客户机的数据互通，有效地将该区域的数据上传给主PLC系统。故此，在PLC自控设计中，需要结合工业环境的情况，因地制宜。

6.2 兼容性、扩展性因素

本工程案例中，由于是老厂升级优化改造的项目，旧有的老系统需要与新增或改进的新系统进行统一有效地结合，将不同类型的网络通讯通过有效的方式统一整合处理，融合在统一的数据平台上，并合理地分配网络的结构，使其在具有很好兼容性的同时又提高了其网络扩展和有效利用的能力。这个特点也是工厂控制领域，甚至全行业由于不同发展阶段系统所形成的共同特点。

这种新旧兼容、优化升级系统的沿用也使得用户的早期与预期投资价值得到有效的保障，实现稳定、平稳的提升、使用户的经济价值投资实现利益的最大化，否则盲目的设计投入只会带来资源的浪费。

7 结束语

本文通过对PLC在冶炼领域应用的简要阐述，简单说明PLC在工业领域的应用的目的和特点。同时，由于当前电子技术的长足发展，PLC技术得到了很大的提升，其在自动化控制领域的作用和地位的重要性不言而喻，借助于它的特性，使其为行业经济的发展提供有力的保障。同时，为信息化平台的建设提供强有力的数据基础。使自动化技术水平朝着管控智能化方向迈进。