基于PLC的冶炼厂电气综合自动化系统设计

王风金

（神华蒙西煤化股份有限公司，内蒙古 乌海 016000）

冶炼厂需求量持续增加下，冶炼厂用电量与装机容量大幅度增加，电网规模逐渐扩大，对冶炼厂用电质量与可靠性也提出了更多要求[1]。电气系统安全运行已经成为冶炼厂经济的基础保障，为此提出冶炼厂电气综合自动化控制。电气综合自动化控制要求电站实行综合调控与管理自动化运行，实现继电保护、控制、测量等综合性功能为一体。冶炼厂电气综合自动化由计算机完成电气监控、运行、保护等功能，由通讯网络实现信息交换。近些年来随着电气自动化水平的提高，现有电气自动化控制系统已不能满足冶炼厂实际应用需求，因此采用性能较高的西门子PLC系统，提出基于PLC的冶炼厂电气综合自动化系统设计。

1 基于PLC的冶炼厂电气综合自动化系统硬件设计

1.1 电气监控设备设计

考虑到冶炼厂在金属加工中特殊的工作环境，其电气监控设备功能设计主要针对金属加工过程中对整体电气设备的电力监测、记录、电力数据采集等。

电气监控设备采用80486的32位处理器，考虑到安装成本，与其他设备通过I/O站相连，与控制PF线的PLCS7-400之间相互通信。设备的CPU为西门子4122DP，存储器容量72KB，扫描周期为0.2ms/100KB。由于所使用西门子S7系列PLC模板功耗较低，发热少，因此可以省去原有冷却风箱，节约安装空间。设备中远程站I/O分为高航计速模板、输出模块、模拟输入模块、I/O输出模块、电源模块以及接口模块组成。I/O板输入与输出电压为DC24V，输出后信号经过光电隔离器放大，模拟量输出至比例阀放大板上。输入信号主要包括工作压力、输送机位置、系统工作速度等。主控台终端采用触摸式操作终端，设有RS-232与Prof i bus两个结构，实现PC机对系统终端编程。

1.2 数字信号处理器设计

系统中数字信号处理器主要功能为同期控制、调速控制、综合保护的核心控制器。采用西门子32位DSP芯片TM320F2812，内存128KB，资源丰富。事件管理模块EVA与EVB内存18KB，其中包括4个16位通用定时器与16个16位脉宽调制通道以及12位16通道A/D转换器。通道最小转换时间为80ns，支持两个事件管理器同时触发一个16通道输入A/D输入器或两个8通道输入A/D转换器。数字信号处理中控制局部网络增强模块采用56个单独变成复用输入输出口，外设接口设有一个MCBSP多缓冲串行接口、一个CAN总线接口、一个UART标准异步收发接口、一个SPI接口与两个SDI串行接口，完全满足系统运行需求。

2 基于PLC的冶炼厂电气综合自动化系统软件设计

2.1 数据库设计

冶炼厂由于在金属加工中有着对数据实时性的需求，因此数据库设计采用实时数据处理与存储技术。数据库抛弃传统系统磁盘数据库技术，利用计算机快速存取特点，采用CPU与存储空间相结合的高效存储方式[2]。数据库由生成模块加载设备相关信息，物理位置位于各前置机系统，现场采集实时信息存入数据库。考虑到内存容量限制，在实际使用中将数据库大小控制在内存运行容量范围内。利用数据库中缓冲模块，对数据实时采集与刷新，解决电气设备数据实时性需求，实现实时数据分发、遥控前实时状态判定等功能。数据库数据结构，如下表1所示：

表1 数据库数据结构

数据库通过数据组中数据结构来实现实时数据更新，由于数据库容量有效，采集数据需要及时转入数据库。考虑到同一内存地址发生冲突情况发生，数据库采集每5次触发转存方案，使系统运行保持在最佳状态。

2.2 机组自控模块

电气设备在满足开机条件后，机组自控模块将按照安全开机流程启动，PLC对DSP于辅助设备发出控制信号。DSP启动自动调速，完成机组自控检测[3]。电气设备开机后，首先确定蝶阀开关与冷却水状态，如蝶阀关闭，则开启蝶阀后，检测开关状态与冷却水状态，在延时180s没有收到反馈后，系统则跳出开机流程，进入报警。如检测到蝶阀与冷却水状态正常，延时10s后开启调速器。随后检测95%Ne状态，如发现状异常，则在延时60s后跳出开机流程，发出报警。如状态正常，则进入灭磁开关状态检测，如状态异常，延迟5s后，跳出开机流程，发出报警，如状态正常，延时30s后，进入延时8s投入自动准同期，随后检测发电机DL合。

图1 设备参数显示波形对比

如检测到发电机状态异常，则延时60s后跳出开机流程，发出报警。如发电机状态正常，发电指示灯亮后，完成自动开机，自此完成整体电气机组自控。

3 仿真实验

3.1 实验方法

为更加直观对基于PLC的冶炼厂电气综合自动化系统性能进行测试，设计仿真实验。设计采用西门子系统操作台，提供系统一个直接使用的界面程序板块。利用模拟屏模拟冶炼厂整个电气系统实时运行状况，将系统开关量与电力参数直观显示出来，并对运行数据实时刷新。为更加直观显示系统性能，将基于PLC的冶炼厂电气综合自动化系统设为实验组，传统电气自动化系统设为对照组，对比两组系统设备参数显示波形，从而观察出两组系统对设备控制精准度，实验中两组系统运行参数相同。

3.2 设备参数显示波形对比

通过实验，两组系统在实验参数相同条件下，对100组设备运行数据进行处理，其结果如下图1所示。

根据实验结果可以看出，实验组与对照组相比，其设备参数显示波形较高，证明实验组具有更好的设备控制精准率，从而证明设计有效性。

4 结论

为满足冶炼厂电气系统运行安全需求，提出基于PLC的冶炼厂电气综合自动化系统设计。设计采用性能较高的西门子PLC系统，以保障电气系统安全运行为基础，满足电气系统的运行、调度、监控与管理等需求，利用开放性系统结构，让系统适用于大部分冶炼厂电气管理，从而大大提升冶炼厂电气系统运行、管理水平。