摘要：本文主要介绍了西门子S7-400系列PLC在天铁集团石矿厂活性石灰回转窑控制系统中的应用。通过人机界面和PLC实现电气设备的启停、仪表参数监控等，并通过PROFIBUS总线将其他厂商的电子皮带秤和变频器连接到系统中。
关键词：可编程控制器(PLC) 回转窑 过程监控 Wincc组态软件
一、概述
1.1设计目标
基于“集中管理，分散控制”的模式，数字化、信息化工程的思想，着眼于企业“管控一体化”信息系统的建设，建立一个先进、可靠、高效、安全且便于进一步扩充的集过程控制、监视、管理于一体并且具备良好开放性的监控系统，完成对整个工艺过程及全部生产设备的监测与自动控制。
1.2项目概述
本项目是天铁石矿回转窑工程，本工程分二期建设，一期工程建设1座600t/d回转窑（于2006年11月投产），二期再建设1座600t/d回转窑（于2008年5月投产），但相应的辅助设施按2座窑规模一次建成。其工艺是将运来的石灰石原料送入贮仓，贮仓中的石灰石经仓下的振动给料机给出，经带式输送机转运后送至筛分楼筛分，>18mm的筛上料经带式输送机送入回转窑中煅烧；而<18mm的筛下料进入贮槽暂存后再经汽车运出。
筛上料由带式输送机送入预热器顶部料仓，然后由溜料管将石灰石（白云石）分布到竖式预热器内预热，经过预热的物料由液压推杆推出，经转运溜槽进入回转窑中，物料在回转窑内经过焙烧分解，热烟气进入预热器。烟气在预热石灰石后经过带式除尘器除尘后由除尘风机排入大气。焙烧好的石灰石进入竖式冷却器，冷却器的底部送入冷空气冷却，通过振动给料机排出至集料斗。冷空气在冷却器内冷却物料的同时被加热，经窑头罩进入窑内，作为燃料燃烧的二次空气，回转窑采用煤气为燃料。
出窑后的石灰经带式输送机送入成品仓上的振动筛筛分，<3mm的筛下料进入碎石灰料仓装入汽车后外运，而>3mm的筛上料经带式输送机分别送入石灰贮仓。
窑体装置和辅助设备的运行与监视将在控制室中实现完全自动化控制，通过人机界面实现电气设备的起动和停止、仪表参数监测，被控参数的闭环调节、控制系统报警和生产过程报警以及数据归档等功能，使整个回转窑能够实现生产的自动化和管理的自动化，大大减少工人的劳动强度，提高企业的自动化水平，提高了生产率，并合理的节省了能源。
二.系统组成
2.1 PLC控制系统
为了保证整个系统安全可靠和生产的连续性，提高自动化水平，适应回转窑工艺要求，并且从该系统I/O测点较多等方面考虑到系统对设备的硬件条件要求较高以及以往的使用情况，我们采用以西门子S7-400 PLC为核心的集中和分散相结合的计算机控制系统，由中央控制室、现场PLC控制站、远程I/O站组成。
☆中央控制室：设监控计算机、打印机等，负责对整个回转窑工艺参数、电气参数和设备运行状态进行监控、管理、历史数据存储以及报表打印；另外还设一台网关服务器，负责工控网络和企业内部管理网络之间的访问控制；
☆现场PLC控制站：由带DP接口CPU模块（CPU414和CPU416）、以太网模块（CP443-1）和I/O模块组成，通过高速、实时的工业以太网与中央控制室进行通讯；
☆远程I/O站：由DP从站接口模块（IM153-1）、I/O模块、电子皮带秤和变频器组成，通过Profibus-DP现场总线与现场PLC控制站进行数据通讯。
该回转窑控制系统由三套（一期两套、二期一套）西门子PLC的S7-400系统组成。一套S7-414和ET200M远程站用于原料工段、循环水和空压机站的控制，一套S7-416用于1#窑体和成品工段控制，一套S7-414用于2#窑体控制。主站CPU都放置在主场房内，三套PLC系统通过工业以太网与上位监控系统通讯实现集中管理分散控制。
S7-400特点：
功能强大的PLC，适用于中高性能控制领域
解决方案满足最复杂的任务要求
功能分级的CPU以及种类齐全的模板，总能为其自动化任务找到最佳的解决方案
实现分布式系统和扩展通讯能力都很简便，组成系统灵活自如
用户友好性强，操作简单，免风扇设计
随着应用的扩大，系统扩展无任何问题
ET200M站：
接口模块IM153用于与PROFIBUS-DP现场总线的连接而组成分布式I/O系统，各种I/O模块插入有源总线模块内,可在线更换模块，实现带电插拔功能。各分站放置在相应的配电室内，便于以后进行扩展，并且大大减少电缆和工程施工量。
PROFIBUS现场总线：
用于现场控制主站与现场远程ET200M分站之间的数据通讯，传输介质为屏蔽双绞线，通讯速率为9.6K -12Mbps。
用一根串行的数字总线替代传统的并行24V 信号和 4...20 mA 模拟信号；
通过一根双芯屏蔽电缆连接中央控制器和现场设备；
对于所有的设备，只需要一个通用的组态和工程工具 ；
连接不同厂商的设备 ；
开放的、不依赖于厂商的现场总线，并符合IEC 61158国际标准。
2. 2 上位监控系统
上位机监控系统设一台工程师站和四台操作员站，选用原装研华工业控制计算机，每台机器上装有网络通讯卡CP1613，它们各通过工业以太网与三套S7-400系统的通讯处理器CP443-1通讯口连接，实现了数据交换。
监控组态软件不仅有监控和数据采集（SCADA）功能，而且有组态、开发和开放功能，是自动化系统集成中不可缺少的关键组成部分。我们在此监控系统中采用西门子公司的WINCC6.0组态软件，WINCC是Windows Control Conter（视窗控制中心）的简称，它运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监控画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。
上位监控计算机提供了友好的人机界面。
三、控制系统功能
3.1 控制方式
整个系统控制方式设计为计算机控制系统远程手动操作（即远程手动）、计算机控制系统全自动控制（即远程自动）两种控制方式。两种方式的级别由高到低依次为远程手动、远程自动。
☆远程手动：通过中控室内监控计算机实现远程手动控制；
☆远程自动：根据工艺要求设定控制程序，实现对工艺过程的自动控制。
3.2 回转窑调节控制
工艺流程是物料经加料机连续向窑尾加料，它随窑体转动而缓慢的向窑头移动，并且从窑尾向窑头移动的过程中，首先经过预热带预热，然后在900~1100℃的高温带煅烧，煅烧好的物料从窑头下料管落入下部的冷却机内。
☆ 混合煤气和空气调节
混合煤气量和空气量的合理配合是保证回转窑煅烧温度的关键调节，使煤气量和空气量能根据产量和热值等参数进行动态调整。
流量限幅报警，越限报警、无拢动切换、非线性PID调节、数据储存。该系统故障率低，运行可靠，可使燃烧更趋合理，焙烧温度稳定，并能大幅度降低煤气单耗，改善劳动条件，提高安全性。
☆窑尾温度和负压自动控制
回转窑在正常的生产中，窑内始终保持负压，窑头的负压要求保持在2mmH2O柱以上。回转窑内负压的大小对窑内温度控制有较大的影响。负压过大，窑内抽力增大，窑内的细粉将被抽光，导致燃烧效率下降;负压过小，会造成回转窑内外压差小，使窑头窑尾冒烟，恶化操作环境，也会使窑内废气流动缓慢，造成窑内混浊不清，窑内温度难以控制。通过调节窑尾的温度，使窑尾温度基本稳定。
☆ 物料给料定量控制
为了保证焙烧质量，要求回转窑的给料量稳定、均匀和连续。只有给料量连续、均匀、稳定，才能保证热工制度稳定，也才能保证焙烧质量稳定。
回转窑属于大惯性负载生产设备，料在窑内移动速度对回转窑的焙烧质量和生产能力都有很大的影响。焙烧物料在窑内移动速度太快，物料在窑内停留时间短，得不到充分加热，焙烧质量差; 若移动速度太慢，将会使焙烧损失增大，降低回转窑的生产能力。物料的移动速度与窑体的倾斜度、窑体内径尺寸、窑体转动速度、窑内料层断面和窑中心的圆心角等因素有关。
窑内的工艺参数的调节是整个窑生产水平的关键，工艺参数调节包括窑的转速、煤气流量、一二次风流量、引风机液偶开度和掺冷风阀等，所有工艺参数调节的性能指标都能很好的达到要求。
四、 系统特点
本系统以PLC和监控计算机为核心，以工业以太网作为系统骨干网络，将现场PLC控制站和监控计算机连接起来，构成一个分布式控制系统。
本系统具有如下特点：
☆先进性
本系统不仅采用了先进的软、硬件，而且着眼于企业“管控一体化”的需求，贯彻了数字化、信息化的先进思想，使企业生产数据的进一步智能应用成为现实。该方案使控制系统有机地成为企业整个IT架构的一部分。
☆高可靠性
控制系统在严格的工业环境下长期、稳定地运行。系统组件的的设计符合真正的工业等级，满足国内、国际的安全标准。并且易配置、易接线、易维护、隔离性好，结构坚固，抗腐蚀，适应较宽的温度变化范围。
现场控制站的PLC能够在恶劣的环境中长期可靠运行，平均无故障间隔时间（MTBF）5年。
☆强大的功能
PLC的编程语言符合IEC61131-3标准，易学、易懂、易用。
CPU内置软PID，并提供了丰富的指令集及函数库，用户直接调用。
高速工业以太网作为系统的骨干网络，实现高速数据传输、高度数据共享。
组态软件图库丰富，网络功能强大，报警、报表、历史数据以及二次开发功能完善而易用。
☆优良的开放性
TCP/IP协议是目前开放性最好的协议，可以轻松进行系统扩展。
组态软件支持DDE、OPC、ODBC、SQL，且提供丰富的API编程接口，同时也为世界各大厂商，如Modicon、Siemens、AB、GE、Omron等的设备提供了完善的驱动程序库，从而可以将其它系统轻松接入本系统。
五、 结束语
本控制系统自投产以来一直运行稳定,为企业带来了可观的经济效益和良好的社会效益。在该系统中PLC控制充分发挥了其配置灵活、控制可靠、编程方便和功能强大的优点，给整个系统的稳定性带来较大的益处。
