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摘要：本文主要介绍在工业控制领域中运用S7-300PLC为控制单元以及结合现场总线模块GSEE，搭建控制平台完成对烧结循环水系统的自动控制。
关键词：烧结循环水，S7-300PLC，GSEE，WinCC
1、引言
烧结循环水系统是烧结系统的重要组成部分，其作用是对烧结机、主抽风机以及球团竖炉等长时间处于高温状态下的设备进行冷却。因此该系统的可靠与否直接决定烧结机等设备的使用寿命，影响烧结的生产状态。
三安钢铁有限公司烧结循环水系统以往都为人工操作，存在工作效率低、代表性不足、劳动强度大等问题。为了解决此问题，结合当下控制理念，设计一套全新的自动控制系统。该系统采用了西门子S7-300PLC，现场总线模块GSEE以及纯电气回路控制，实现系统操作手、自动分离，手动为纯电气回路操作，自动根据现场工艺要求采用了多个联锁控制，从而提高了系统的可靠性以及工作效率，降低了劳动强度。
2、控制系统设计思路
（1）工艺简概
如图1所示，来自净水站的冷水经过补水阀进入冷水池，待达到一定液位后，再依次通过排空阀，水泵以及蝶阀去往球团竖炉及烧结机等设备。对设备进行冷却作用后，冷水温度升高，需从各个回水管进入冷却塔降温，最后冷水经过冷却塔又回到冷水池中，整个过程一直循环。
（2）工艺要求
为了让系统稳定可靠地运行，工艺过程中要求了以下几个联锁：1）将冷水送烧结机等设备时，先启动水泵，再打开蝶阀，防止启动水泵时的瞬时电流过大对电机造成损坏；2）当某台泵不需要使用时，先关闭蝶阀和排空阀，再停止水泵，防止水倒流，水锤损坏机组；3）冷水池液位低于5.6米时，打开补水阀，高于5.85米时，关闭补水阀，保证水量适中。
（3）系统结构
本系统采用两种控制方式：1）手动方式，纯电气回路控制，通过现场操作箱上的按钮、转换开关操作，控制和监控单个设备；2）自动方式，通过编写程序，分为单动与联锁启动，由上位机操作和监控设备。如图2所示。
3、控制系统电气设计与设备选型
（1）电气回路图
如图3所示，本系统的冷却电机、水泵电机及蝶阀电机采用的都是是手/自动分离控制。手动为纯电气回路控制，选择开關SA1拨到“1”位置为手动信号，通过按钮控制电机启停；SA1拨到“2”位置为自动信号，通过PLC给输出信号控制电机启停。
（2）电气设计结构
电气图设计包含主要电源配电图、柜体及箱体布置图、PLC接线原理图、电气回路图。电源配电图主要为主回路电源与控制回路电源的配电图；柜体及箱体布置图主要为柜（箱）门嵌入和柜（箱）内布置的参与系统控制的电气及PLC设备，如按钮、转换开关、指示灯、塑壳断路器、小型断路器、24V稳压电源、接触器、热保护器、CPU模块、CP模块和继电器等；PLC接线原理图主要为PLC采集与输出的I/O信号；电气回路图如上说明。图纸分类清晰明确，环环相扣，便于施工查阅。
（3）设备选型
考虑到本系统I/O信号较多，但是控制要求不复杂。所以选择西门子S7-300PLC作为控制单元。S7-300PLC为中小型PLC，其模块化结构易于实现分布式控制以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好、循环周期短、处理速度高，是中小型控制工程的理想控制器。
现场总线模块具有标准的接口，多点位集中传输，简化现场综合布线，减少和降低安装调试、故障点排查及维护时间等优点；而且防护等级高，具有耐磨、耐油、耐老化、性能优异、使用寿命长。本系统选用了GSEE公司的GCI系列模块。
4、控制系统软件设计
（1）程序设计
程序设计软件使用的西门子S7-300/400PLC配套编程软件SIMATIC Manager，版本为STEP7 V5.5版本，程序逻辑采用的是梯形图LAD编写。程序设计主要根据烧结循环水工艺流程要求进行编写。程序结构大致分为三类：1）对现场设备的控制以及设备间的联锁，如水泵控制、排空阀控制及蝶阀控制等；2）采集现场模拟量信号进行处理，某些信号要求做累计或参与联锁控制；3）对影响生产的重要信号做报警响铃。
下面主要介绍本系统的几个联锁控制。
一，水泵和蝶阀的开启顺序是，先启动水泵再开蝶阀。如下图所示，将水泵的运行反馈信号加入到蝶阀的开阀条件当中即可。
二，当某台泵不需要使用时，先关闭蝶阀和排空阀，再停止水泵。如下图所示，将蝶阀关到位、排空阀关到位信号与水泵画面停止按钮串联到“水泵联锁停止”点中，再通过该点来控制水泵的启停。如果蝶阀及排空阀关到位信号没来，水泵画面停止按钮则无法停止水泵启动输出。
三，冷水池液位低于5.6米时，打开补水阀，高于5.85米时，关闭补水阀。如下图所示，补水阀可以选择单动或者联锁控制。联锁控制由冷水池液位决定。
（2）操作画面设计
本系统采用的上位机操作画面的编辑软件是西门子S7-300/400PLC配套的画面编辑软件SIMATIC WinCC Explorer。画面结构包括：主画面、数据显示画面、趋势画面、报警画面等。主画面为系统所有设备操作界面；数据显示画面为现场所有采集的模拟量信号及累计界面；趋势画面为生产过程中需要一直监控的重要信号的趋势；报警画面为工艺要求中规定的报警点的界面。
5、结束语
新的烧结循环水系统投入使用一年，体现出明显经济效益及社会效益。远程自动系统的设计，节省大量人力资源，在岗操作人员由15名减至5名，节约薪酬50万元/年；提高系统可靠性、稳定性，统计显示故障率由原来的8‰左右降至现在的0.7‰以下；由于系统采用现场总线模块，为改造工程节省线缆费、桥架及其它材料费、施工费用共计10.5万左右；采用手/自动独立双系统设计，两种控制模式可以实现随时无扰切换，系统安全性得以有效提高；降低工人劳动强度，以往现场需要多人协力配合的工作，现在1人即可轻松完成；实现泵房的无人值守，工人操作远离水泵房内部，减少噪音对人身的伤害。
关键词：烧结循环水，S7-300PLC，GSEE，WinCC
1、引言
烧结循环水系统是烧结系统的重要组成部分，其作用是对烧结机、主抽风机以及球团竖炉等长时间处于高温状态下的设备进行冷却。因此该系统的可靠与否直接决定烧结机等设备的使用寿命，影响烧结的生产状态。
三安钢铁有限公司烧结循环水系统以往都为人工操作，存在工作效率低、代表性不足、劳动强度大等问题。为了解决此问题，结合当下控制理念，设计一套全新的自动控制系统。该系统采用了西门子S7-300PLC，现场总线模块GSEE以及纯电气回路控制，实现系统操作手、自动分离，手动为纯电气回路操作，自动根据现场工艺要求采用了多个联锁控制，从而提高了系统的可靠性以及工作效率，降低了劳动强度。
2、控制系统设计思路
（1）工艺简概
如图1所示，来自净水站的冷水经过补水阀进入冷水池，待达到一定液位后，再依次通过排空阀，水泵以及蝶阀去往球团竖炉及烧结机等设备。对设备进行冷却作用后，冷水温度升高，需从各个回水管进入冷却塔降温，最后冷水经过冷却塔又回到冷水池中，整个过程一直循环。
（2）工艺要求
为了让系统稳定可靠地运行，工艺过程中要求了以下几个联锁：1）将冷水送烧结机等设备时，先启动水泵，再打开蝶阀，防止启动水泵时的瞬时电流过大对电机造成损坏；2）当某台泵不需要使用时，先关闭蝶阀和排空阀，再停止水泵，防止水倒流，水锤损坏机组；3）冷水池液位低于5.6米时，打开补水阀，高于5.85米时，关闭补水阀，保证水量适中。
（3）系统结构
本系统采用两种控制方式：1）手动方式，纯电气回路控制，通过现场操作箱上的按钮、转换开关操作，控制和监控单个设备；2）自动方式，通过编写程序，分为单动与联锁启动，由上位机操作和监控设备。如图2所示。
3、控制系统电气设计与设备选型
（1）电气回路图
如图3所示，本系统的冷却电机、水泵电机及蝶阀电机采用的都是是手/自动分离控制。手动为纯电气回路控制，选择开關SA1拨到“1”位置为手动信号，通过按钮控制电机启停；SA1拨到“2”位置为自动信号，通过PLC给输出信号控制电机启停。
（2）电气设计结构
电气图设计包含主要电源配电图、柜体及箱体布置图、PLC接线原理图、电气回路图。电源配电图主要为主回路电源与控制回路电源的配电图；柜体及箱体布置图主要为柜（箱）门嵌入和柜（箱）内布置的参与系统控制的电气及PLC设备，如按钮、转换开关、指示灯、塑壳断路器、小型断路器、24V稳压电源、接触器、热保护器、CPU模块、CP模块和继电器等；PLC接线原理图主要为PLC采集与输出的I/O信号；电气回路图如上说明。图纸分类清晰明确，环环相扣，便于施工查阅。
（3）设备选型
考虑到本系统I/O信号较多，但是控制要求不复杂。所以选择西门子S7-300PLC作为控制单元。S7-300PLC为中小型PLC，其模块化结构易于实现分布式控制以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好、循环周期短、处理速度高，是中小型控制工程的理想控制器。
现场总线模块具有标准的接口，多点位集中传输，简化现场综合布线，减少和降低安装调试、故障点排查及维护时间等优点；而且防护等级高，具有耐磨、耐油、耐老化、性能优异、使用寿命长。本系统选用了GSEE公司的GCI系列模块。
4、控制系统软件设计
（1）程序设计
程序设计软件使用的西门子S7-300/400PLC配套编程软件SIMATIC Manager，版本为STEP7 V5.5版本，程序逻辑采用的是梯形图LAD编写。程序设计主要根据烧结循环水工艺流程要求进行编写。程序结构大致分为三类：1）对现场设备的控制以及设备间的联锁，如水泵控制、排空阀控制及蝶阀控制等；2）采集现场模拟量信号进行处理，某些信号要求做累计或参与联锁控制；3）对影响生产的重要信号做报警响铃。
下面主要介绍本系统的几个联锁控制。
一，水泵和蝶阀的开启顺序是，先启动水泵再开蝶阀。如下图所示，将水泵的运行反馈信号加入到蝶阀的开阀条件当中即可。
二，当某台泵不需要使用时，先关闭蝶阀和排空阀，再停止水泵。如下图所示，将蝶阀关到位、排空阀关到位信号与水泵画面停止按钮串联到“水泵联锁停止”点中，再通过该点来控制水泵的启停。如果蝶阀及排空阀关到位信号没来，水泵画面停止按钮则无法停止水泵启动输出。
三，冷水池液位低于5.6米时，打开补水阀，高于5.85米时，关闭补水阀。如下图所示，补水阀可以选择单动或者联锁控制。联锁控制由冷水池液位决定。
（2）操作画面设计
本系统采用的上位机操作画面的编辑软件是西门子S7-300/400PLC配套的画面编辑软件SIMATIC WinCC Explorer。画面结构包括：主画面、数据显示画面、趋势画面、报警画面等。主画面为系统所有设备操作界面；数据显示画面为现场所有采集的模拟量信号及累计界面；趋势画面为生产过程中需要一直监控的重要信号的趋势；报警画面为工艺要求中规定的报警点的界面。
5、结束语
新的烧结循环水系统投入使用一年，体现出明显经济效益及社会效益。远程自动系统的设计，节省大量人力资源，在岗操作人员由15名减至5名，节约薪酬50万元/年；提高系统可靠性、稳定性，统计显示故障率由原来的8‰左右降至现在的0.7‰以下；由于系统采用现场总线模块，为改造工程节省线缆费、桥架及其它材料费、施工费用共计10.5万左右；采用手/自动独立双系统设计，两种控制模式可以实现随时无扰切换，系统安全性得以有效提高；降低工人劳动强度，以往现场需要多人协力配合的工作，现在1人即可轻松完成；实现泵房的无人值守，工人操作远离水泵房内部，减少噪音对人身的伤害。