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摘 要本文介绍了武钢二冷轧循环水站的工程背景，分析了水站用户各自的用水特点，针对这些特点制定了循环水泵的运行方案，通过自动化控制系统实现了水泵的自动控制，极大的提高了循环供水系统的可靠性。同时也介绍了自动化控制系统的组成，并对PLC系统的应用做了详细介绍。
关键词S7-400H；循环水
中图分类号TP文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)071-0194-02
PLC（Programmable Logic Controller）是可編程序逻辑控制器的简称，是目前应用最广泛的基础自动化控制装置，其应用领域已覆盖了过程工业、制造业和机电一体化设备，经过近几十的年发展，其功能已扩展到模拟量控制和批量控制，而不仅仅是最初的逻辑控制。可有效的提高工业企业的工作效率，减少工作人员的劳动强度，提高工艺过程的可靠性。
1工程概况
武钢二冷轧工程新建1条酸洗-轧机联合机组生产线、3条热镀锌生产线、1条连退生产线、1条剪切包装生产线、1条彩色涂层生产线。需要增加各种水处理系统如：循环水系统、过滤水系统、酸碱废水处理系统、含铬废水处理系统和含油废水处理系统等。本文仅将循环水系统部分PLC系统做详细的论述。
循环水系统主要用户有连续退火生产、热镀锌生产线、酸洗机组和轧机机组。故循环水系统有如下特点：水量大，压力高，用户对循环水压力要求稳定，循环水的安全运行直接关系到二冷轧几条主要生产线的安全生产和运行。
2工艺简介
循环水站内配备循环水泵8台，流量3200m3/h，扬程70m，配套900KW高压电动机，电压为10KV，转速为990r/min。运行方式为5用3备。由于冷轧主厂房内各条生产线的生产状况各有差异，其中2台配了液力偶合器，用于流量调节。供水接点压力为0.65MPa，主供水管DN1600，最大供水流量为24000 m3/h。水泵出口设置水力控制阀，当水泵运行时靠水泵出口水压将阀打开，故程序设计中没有泵阀连锁控制。水泵顶端设自动排气装置，水泵排气完成后送信号至PLC系统，表示水泵内部已充满水可以随时运行。
3自动化硬件系统构成
考虑到循环水系统在生产过程中的重要性，其控制系统力求安全可靠，基础自动化控制采用德国SIEMENS公司的S7-400H系列容错系统。
1）中央处理单元。S7-400H系统的核心是2个中央处理单元（CPU）。须将同步化子模板插到CPU内，在本工程中我们使用的CPU型号为S7-414H，把机架0中的CPU定义为CPU0，机架1中的CPU定义为CPU1。由于SIEMENS公司各种模板的更新换代，CPU的设置转移到CPU后部的拨码开关上，而不在同步子模板上。
2）安装机架。本工程中使用UR2-H机架安装S7-414H，此机架可以安装2个独立的子系统，每个系统含有9个槽，而且机架适合安装在800mm宽的机柜内
3）电源。电源选择的是S7-400标准系列电源PS-407，每个容错的CPU需要一个电源模板，更准确的说，S7-414H双子系统中的每个子系统都需要一个电源。电源模板的额定输入电压是120/230V AC，输出电流为10A。
4）同步子模板。用同步化子模板连接2个中央处理器。出厂时已放置在中央处理器内部，每个CPU内必须配置2块同步化子模板，光缆用在同步子模板内，用它完成2个中央处理单元之间的物理连接（冗余链接方式）。
5）CPU与I/O模板连接。CPU与I/O模板采用PROFIBUS-DP网络连接。输入输出模板采用ET-200M分布式I/O，ET-200M I/O站配备IM 153-2通讯模块构成PROFIBUS-DP标准从设备，通过2块IM 153-2进行冗余通讯，接口为标准RS 485接口。中央处理单元集成1个PROFIBUS-DP接口，接口为标准RS 485接口。构成PROFIBUS网络主站，与各从站依次连接构成一个完整的网络。从站地址从3开始向后依次加1。地址由IM 153-2模块上拨码开关设置，2个通讯模块地址设置必须一致，拨码开关共8位，由于第1位为0，故最大地址为128，最大网络能力可连接125个从站。
6）CPU与上位机连接。CPU与上位机的连接采用Industrial Ethernet网络连接。CPU侧配CP 443-1工业以太网模块，接口为标准RJ 45接口，上位机侧配CP 1613通讯处理器，接口为标准RJ 45接口。本工程配备2台上位机，连接采用8口工业以太网交换机TP 80连接。在工业以太网中使用MAC地址，CPU0的地址为“08-00-06-01-00-01”，CPU1的地址为“08-00-06-01-00-02”，ES站地址为“08-00-06-01-00-10”，OS站地址为“08-00-06-01-00-11”。
7）PLC系统配置图（如图1）。
4自动化软件系统构成
1）编程软件。编程软件采用STEP 7软件版本5.3，用于SIMATIC S7-400H站编程组态。该版本号直接支持S7-400H系统，不需要单独定购专门的H系统软件包。本工程使用的编程语言是梯形图，另有逻辑块和语句表两种语言可供选择。
2）上位机软件。上位机软件采用WINCC 软件版本6.0，用于人机界面的编辑，可显示实时数据，操作各种现场设备，报警显示和记录。
3）网络软件。网络软件采用Station Configurator，用于工业以太网的组态。
4）关于授权。本工程共需要3种软件授权“SIMATIC WINCC-V6 RC”，“SIMATIC NET S7-REDCONNECT”和“STEP 7-BASIS V5.3”。
5主要问题和解决方案
循环水主要用户有冷轧主厂房内1条连续退火线和3条热镀锌线，连续退火线用水量为3159m3/h，1#热镀锌线用水量为1003m3/h，2#热镀锌线用水量为770m3/h，3#热镀锌线用水量为778m3/h。除这4个较大用户之外还有其他相对用水量较小的用户，总用户数量为15个。用水量根据每个用户的生产状况不同变化很大，同时又要求供水压力恒定，否则容易造成生产事故。根据这种用水特点我们对8台循环水泵的运行程序作了多次调整，目前已能够很好的满足用户的要求，现将循环水泵运行模式论述如下。
5.1电气故障处理
为保证循环水系统连续可靠的运行首先必须保证循环水泵在电气故障条件下自动启动。PLC系统对于循环水泵取信号如下：“电机事故跳闸”，“电机综合自动化保护装置工作异常”这两个信号均取自高压配电柜内电机综合自动化保护装置，做为PLC系统判断电机故障的条件。“高压断路器工作位置”信号、“高压断路器合闸位置”信号和“电机集中操作”信号。对循环水泵的控制信号有2个，分别是“水泵启动”和“水泵停止”。针对以上信号在PLC内编程实现8台循环水泵互为备用的运行方式，PLC系统收到任意一台正在运行的循环水泵发出的故障信号都会自动启动备用水泵，由操作员根据各水泵运行状况选择一台合适的水泵作为“备用”水泵。在操作画面中被选为“备用”状态的水泵左侧会显示“备用”，显示非常直观。
一般情况下，当水泵被选择到“集中”位置后，经过操作人员的操作，PLC送出“水泵启动”信号后，水泵会立即启动，会有“水泵运行”信号（即“高压断路器合闸位置”）反馈至PLC系统。但是有时会有其他原因导致PLC系统送出信号后收不到反馈信号，比如PLC系统继电器损坏、电机控制回路没有电源或线路接触不良等，这些情况有可能导致“备用”水泵无法自动启动。为避免这种情况影响正常生产，在PLC中制作“启动故障”信号，其逻辑为当PLC系统发出“水泵启动”命令后3秒钟内没有收到“水泵运行”信号，PLC系统就认为该水泵发生“启动故障”。在这种情况下应自动启动其它水泵，为与电气故障自动启动加以区别这种备用称为“二备”。与“备用”一样任何一台水泵都有“二备”状态，其自动启动条件是“备用”水泵自动启动时突然发生“启动故障”后自动启动。
以上两种故障对应水泵的“备用”状态和“二备”状态，可以保证循环水泵在故障情况下相互自动切换，可靠供水。
5.2流量变化处理
另一方面由于循环水用户较多水量变化较大，极端情况下单单依靠2台配有液力耦合器的调速泵来调节流量是远远不够的。为适应這种极端工况我们为其余6台没有调速功能的循环水泵设置了“首启动”、“次启动”和“次次启动”功能。即当检测到循环水供水总管压力低于0.6MPa，并且这种状况持续1分钟，PLC系统认为其故障，产生声光报警，并立即启动“首启动”水泵，如果“首启动”水泵已经启动并且运行1分钟后压力还低于0.6MPa，立即启动“次启动”水泵，如“首启动”水泵在运行，且“次启动”水泵运行1分钟后压力依然低于0.6MPa，PLC系统将立即启动“次次启动”泵。反之如总管压力高于0.7MPa时PLC系统将依次停止“次次启动”泵、“次启动”泵和“首启动”泵，其启动和停止的原则是先启动的水泵后停止。3台泵的启动时间间隔1分钟，故在这1分钟内，循环水总管压力靠调速泵调节。从实际使用的情况看来被选中非调速泵的没有频繁启动、停止。调速泵调节的变化范围也比较小，其转速范围是0~1500r/min，调速泵在调节期间转速变化在500~600之间，没有出现忽大忽小的极端状况，使用情况良好。循环水总管压力波动最低值为0.48MPa，且持续时间极短，不会影响循环水用户的正常生产。
6台非调速泵中的任意一台具有“首启动”、“次启动”和“次次启动”功能。操作员可根据实际情况自由组合。
5.3水泵运行状态的互锁
综上所述循环水泵有以下几种运行状态：
1）手动状态——按操作员意图启动停止。
2）备用状态——正在运行的水泵出现电气故障的情况下自动启动。
3）二备状态——备用水泵发生“启动故障”的情况下自动启动。
4）首启动状态——压力低且持续1分钟自动启动。
5）次启动状态——“首启动”泵运行后压力低且持续1分钟自启动。
6）次次启动状态——“次启动”泵运行后压力低且持续1分钟自启动。
操作员只能在“手动状态”下启动水泵，其他各种状态下操作员不能启动水泵。每台水泵的“备用状态”和“二备状态”不能同时选择，即如果某水泵已经处于“备用状态”在将其选为“二备状态”的操作属非法操作，PLC系统将自动取消其“二备状态”保持该泵在“备用状态”。“首启动状态”、“次启动状态”和“次次启动状态”互锁，不能同时选择。即如将“首启动状态”水泵选为“次启动状态”或“次次启动状态”水泵，PLC将认为此操作为非法操作，任保持该泵为“首启动状态”。操作员如果想改变某水泵的当前状态必须先取消其当前状态，即先将水泵恢复到“手动状态”，然后在将水泵选择其它的工作状态。
5.4外部条件限制
PLC系统采集“高压断路器工作位置”信号，水泵顶部自动排气装置的“水满”信号，还有水泵两端轴承温度信号，电机两端轴承温度信号，电机3相绕组的温度信号。当某水泵“高压断路器工作位置”信号为“非”或“水满”信号为“非”或某温度信号超过75℃时，PLC系统认为该水泵不能启动，无论水泵在何种状态下PLC系统都不会发出“水泵启动”命令。PLC系统视以上情况为故障发出报警信号，提醒操作员注意。考虑到以上故障信号有可能是因为检测设备的损害造成的，每台水泵都具有“切连锁”功能，当操作员发现故障是由于检测设备的损坏造成的，而事实上并不存在这种故障，可使用“切连锁”功能切除连锁继续使用水泵。待检测设备故障排除后取消“切连锁”功能，正常使用水泵。
6结束语
本工程的设计思想充分考虑了循环水用户的用水特点，对循环水站资源作了充分合理的利用，软件系统的控制策略发挥了PLC技术的特点，与水站供水特点有机的结合在一起。武钢二冷轧循环水站已经成功投运，经过现场实际运行的考验，能够长期稳定可靠的工作。极大的减少了外部因素对生产的影响，取得了良好的经济效益。在同类型循环水控制系统中具有一定的推广价值。
参考文献
[1]自动化系统S7-400容错系统使用手册.
[2]工业通讯网络及现场总线部件产品目录.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词S7-400H；循环水
中图分类号TP文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)071-0194-02
PLC（Programmable Logic Controller）是可編程序逻辑控制器的简称，是目前应用最广泛的基础自动化控制装置，其应用领域已覆盖了过程工业、制造业和机电一体化设备，经过近几十的年发展，其功能已扩展到模拟量控制和批量控制，而不仅仅是最初的逻辑控制。可有效的提高工业企业的工作效率，减少工作人员的劳动强度，提高工艺过程的可靠性。
1工程概况
武钢二冷轧工程新建1条酸洗-轧机联合机组生产线、3条热镀锌生产线、1条连退生产线、1条剪切包装生产线、1条彩色涂层生产线。需要增加各种水处理系统如：循环水系统、过滤水系统、酸碱废水处理系统、含铬废水处理系统和含油废水处理系统等。本文仅将循环水系统部分PLC系统做详细的论述。
循环水系统主要用户有连续退火生产、热镀锌生产线、酸洗机组和轧机机组。故循环水系统有如下特点：水量大，压力高，用户对循环水压力要求稳定，循环水的安全运行直接关系到二冷轧几条主要生产线的安全生产和运行。
2工艺简介
循环水站内配备循环水泵8台，流量3200m3/h，扬程70m，配套900KW高压电动机，电压为10KV，转速为990r/min。运行方式为5用3备。由于冷轧主厂房内各条生产线的生产状况各有差异，其中2台配了液力偶合器，用于流量调节。供水接点压力为0.65MPa，主供水管DN1600，最大供水流量为24000 m3/h。水泵出口设置水力控制阀，当水泵运行时靠水泵出口水压将阀打开，故程序设计中没有泵阀连锁控制。水泵顶端设自动排气装置，水泵排气完成后送信号至PLC系统，表示水泵内部已充满水可以随时运行。
3自动化硬件系统构成
考虑到循环水系统在生产过程中的重要性，其控制系统力求安全可靠，基础自动化控制采用德国SIEMENS公司的S7-400H系列容错系统。
1）中央处理单元。S7-400H系统的核心是2个中央处理单元（CPU）。须将同步化子模板插到CPU内，在本工程中我们使用的CPU型号为S7-414H，把机架0中的CPU定义为CPU0，机架1中的CPU定义为CPU1。由于SIEMENS公司各种模板的更新换代，CPU的设置转移到CPU后部的拨码开关上，而不在同步子模板上。
2）安装机架。本工程中使用UR2-H机架安装S7-414H，此机架可以安装2个独立的子系统，每个系统含有9个槽，而且机架适合安装在800mm宽的机柜内
3）电源。电源选择的是S7-400标准系列电源PS-407，每个容错的CPU需要一个电源模板，更准确的说，S7-414H双子系统中的每个子系统都需要一个电源。电源模板的额定输入电压是120/230V AC，输出电流为10A。
4）同步子模板。用同步化子模板连接2个中央处理器。出厂时已放置在中央处理器内部，每个CPU内必须配置2块同步化子模板，光缆用在同步子模板内，用它完成2个中央处理单元之间的物理连接（冗余链接方式）。
5）CPU与I/O模板连接。CPU与I/O模板采用PROFIBUS-DP网络连接。输入输出模板采用ET-200M分布式I/O，ET-200M I/O站配备IM 153-2通讯模块构成PROFIBUS-DP标准从设备，通过2块IM 153-2进行冗余通讯，接口为标准RS 485接口。中央处理单元集成1个PROFIBUS-DP接口，接口为标准RS 485接口。构成PROFIBUS网络主站，与各从站依次连接构成一个完整的网络。从站地址从3开始向后依次加1。地址由IM 153-2模块上拨码开关设置，2个通讯模块地址设置必须一致，拨码开关共8位，由于第1位为0，故最大地址为128，最大网络能力可连接125个从站。
6）CPU与上位机连接。CPU与上位机的连接采用Industrial Ethernet网络连接。CPU侧配CP 443-1工业以太网模块，接口为标准RJ 45接口，上位机侧配CP 1613通讯处理器，接口为标准RJ 45接口。本工程配备2台上位机，连接采用8口工业以太网交换机TP 80连接。在工业以太网中使用MAC地址，CPU0的地址为“08-00-06-01-00-01”，CPU1的地址为“08-00-06-01-00-02”，ES站地址为“08-00-06-01-00-10”，OS站地址为“08-00-06-01-00-11”。
7）PLC系统配置图（如图1）。
4自动化软件系统构成
1）编程软件。编程软件采用STEP 7软件版本5.3，用于SIMATIC S7-400H站编程组态。该版本号直接支持S7-400H系统，不需要单独定购专门的H系统软件包。本工程使用的编程语言是梯形图，另有逻辑块和语句表两种语言可供选择。
2）上位机软件。上位机软件采用WINCC 软件版本6.0，用于人机界面的编辑，可显示实时数据，操作各种现场设备，报警显示和记录。
3）网络软件。网络软件采用Station Configurator，用于工业以太网的组态。
4）关于授权。本工程共需要3种软件授权“SIMATIC WINCC-V6 RC”，“SIMATIC NET S7-REDCONNECT”和“STEP 7-BASIS V5.3”。
5主要问题和解决方案
循环水主要用户有冷轧主厂房内1条连续退火线和3条热镀锌线，连续退火线用水量为3159m3/h，1#热镀锌线用水量为1003m3/h，2#热镀锌线用水量为770m3/h，3#热镀锌线用水量为778m3/h。除这4个较大用户之外还有其他相对用水量较小的用户，总用户数量为15个。用水量根据每个用户的生产状况不同变化很大，同时又要求供水压力恒定，否则容易造成生产事故。根据这种用水特点我们对8台循环水泵的运行程序作了多次调整，目前已能够很好的满足用户的要求，现将循环水泵运行模式论述如下。
5.1电气故障处理
为保证循环水系统连续可靠的运行首先必须保证循环水泵在电气故障条件下自动启动。PLC系统对于循环水泵取信号如下：“电机事故跳闸”，“电机综合自动化保护装置工作异常”这两个信号均取自高压配电柜内电机综合自动化保护装置，做为PLC系统判断电机故障的条件。“高压断路器工作位置”信号、“高压断路器合闸位置”信号和“电机集中操作”信号。对循环水泵的控制信号有2个，分别是“水泵启动”和“水泵停止”。针对以上信号在PLC内编程实现8台循环水泵互为备用的运行方式，PLC系统收到任意一台正在运行的循环水泵发出的故障信号都会自动启动备用水泵，由操作员根据各水泵运行状况选择一台合适的水泵作为“备用”水泵。在操作画面中被选为“备用”状态的水泵左侧会显示“备用”，显示非常直观。
一般情况下，当水泵被选择到“集中”位置后，经过操作人员的操作，PLC送出“水泵启动”信号后，水泵会立即启动，会有“水泵运行”信号（即“高压断路器合闸位置”）反馈至PLC系统。但是有时会有其他原因导致PLC系统送出信号后收不到反馈信号，比如PLC系统继电器损坏、电机控制回路没有电源或线路接触不良等，这些情况有可能导致“备用”水泵无法自动启动。为避免这种情况影响正常生产，在PLC中制作“启动故障”信号，其逻辑为当PLC系统发出“水泵启动”命令后3秒钟内没有收到“水泵运行”信号，PLC系统就认为该水泵发生“启动故障”。在这种情况下应自动启动其它水泵，为与电气故障自动启动加以区别这种备用称为“二备”。与“备用”一样任何一台水泵都有“二备”状态，其自动启动条件是“备用”水泵自动启动时突然发生“启动故障”后自动启动。
以上两种故障对应水泵的“备用”状态和“二备”状态，可以保证循环水泵在故障情况下相互自动切换，可靠供水。
5.2流量变化处理
另一方面由于循环水用户较多水量变化较大，极端情况下单单依靠2台配有液力耦合器的调速泵来调节流量是远远不够的。为适应這种极端工况我们为其余6台没有调速功能的循环水泵设置了“首启动”、“次启动”和“次次启动”功能。即当检测到循环水供水总管压力低于0.6MPa，并且这种状况持续1分钟，PLC系统认为其故障，产生声光报警，并立即启动“首启动”水泵，如果“首启动”水泵已经启动并且运行1分钟后压力还低于0.6MPa，立即启动“次启动”水泵，如“首启动”水泵在运行，且“次启动”水泵运行1分钟后压力依然低于0.6MPa，PLC系统将立即启动“次次启动”泵。反之如总管压力高于0.7MPa时PLC系统将依次停止“次次启动”泵、“次启动”泵和“首启动”泵，其启动和停止的原则是先启动的水泵后停止。3台泵的启动时间间隔1分钟，故在这1分钟内，循环水总管压力靠调速泵调节。从实际使用的情况看来被选中非调速泵的没有频繁启动、停止。调速泵调节的变化范围也比较小，其转速范围是0~1500r/min，调速泵在调节期间转速变化在500~600之间，没有出现忽大忽小的极端状况，使用情况良好。循环水总管压力波动最低值为0.48MPa，且持续时间极短，不会影响循环水用户的正常生产。
6台非调速泵中的任意一台具有“首启动”、“次启动”和“次次启动”功能。操作员可根据实际情况自由组合。
5.3水泵运行状态的互锁
综上所述循环水泵有以下几种运行状态：
1）手动状态——按操作员意图启动停止。
2）备用状态——正在运行的水泵出现电气故障的情况下自动启动。
3）二备状态——备用水泵发生“启动故障”的情况下自动启动。
4）首启动状态——压力低且持续1分钟自动启动。
5）次启动状态——“首启动”泵运行后压力低且持续1分钟自启动。
6）次次启动状态——“次启动”泵运行后压力低且持续1分钟自启动。
操作员只能在“手动状态”下启动水泵，其他各种状态下操作员不能启动水泵。每台水泵的“备用状态”和“二备状态”不能同时选择，即如果某水泵已经处于“备用状态”在将其选为“二备状态”的操作属非法操作，PLC系统将自动取消其“二备状态”保持该泵在“备用状态”。“首启动状态”、“次启动状态”和“次次启动状态”互锁，不能同时选择。即如将“首启动状态”水泵选为“次启动状态”或“次次启动状态”水泵，PLC将认为此操作为非法操作，任保持该泵为“首启动状态”。操作员如果想改变某水泵的当前状态必须先取消其当前状态，即先将水泵恢复到“手动状态”，然后在将水泵选择其它的工作状态。
5.4外部条件限制
PLC系统采集“高压断路器工作位置”信号，水泵顶部自动排气装置的“水满”信号，还有水泵两端轴承温度信号，电机两端轴承温度信号，电机3相绕组的温度信号。当某水泵“高压断路器工作位置”信号为“非”或“水满”信号为“非”或某温度信号超过75℃时，PLC系统认为该水泵不能启动，无论水泵在何种状态下PLC系统都不会发出“水泵启动”命令。PLC系统视以上情况为故障发出报警信号，提醒操作员注意。考虑到以上故障信号有可能是因为检测设备的损害造成的，每台水泵都具有“切连锁”功能，当操作员发现故障是由于检测设备的损坏造成的，而事实上并不存在这种故障，可使用“切连锁”功能切除连锁继续使用水泵。待检测设备故障排除后取消“切连锁”功能，正常使用水泵。
6结束语
本工程的设计思想充分考虑了循环水用户的用水特点，对循环水站资源作了充分合理的利用，软件系统的控制策略发挥了PLC技术的特点，与水站供水特点有机的结合在一起。武钢二冷轧循环水站已经成功投运，经过现场实际运行的考验，能够长期稳定可靠的工作。极大的减少了外部因素对生产的影响，取得了良好的经济效益。在同类型循环水控制系统中具有一定的推广价值。
参考文献
[1]自动化系统S7-400容错系统使用手册.
[2]工业通讯网络及现场总线部件产品目录.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文