西門子S7-200在高壓水除鱗系統中的應用

鄧國華

（新余鋼鐵集團公司特鋼公司，江西 新余 338013）

隨著產業鏈的延伸，公司的園鋼主導產品擴展到 Φ50～160mm，鋼坯斷面由 150×150mm2擴需到210×280mm2，如何保證鋼坯從加熱爐出爐后能更好實現除鱗效果，2009年公司決定對原水除鱗系統進行技改，由沈陽艾森公司承建，電控設備主要有編程用計算機、西門子S7-200、施耐德變頻器、人機界面 TD200 等。系統工作方式分為手動和自動除鱗，同時具有各種聯鎖和保護設置，從而使該系統一直處于可控運作狀態，通過近三年來的現場應用，達到了相應的工藝要求，即除鱗前后鋼坯溫降＜20℃，除鱗水壓力在0.1～40.0MPa可調，除鱗效果＞99%。

1 除鱗工藝流程

由于現場采用“一主一輔一備”兩泵工作一泵備用工作制，因此在設備運行前首先要選擇除鱗泵，同時需滿足變頻器啟動條件（水箱的工作水位、液壓站油壓、潤滑站油壓、循環閥開啟、變頻器無故障），才可以啟動變頻器。變頻器啟動后，高壓除鱗泵運行，系統處于低頻節能工作狀態，高位水箱里的水通過高壓除鱗泵經循環閥返回水箱，做低壓循環，當熱金屬檢測儀檢測到鋼坯信號時，循環閥自動關閉，變頻器高頻運作，高壓水從除鱗裝置噴出，清除鋼坯表面的氧化層。鋼坯完全除鱗后，循環閥自動打開，系統又處于低頻節能工作狀態，除鱗結束。

2 工控結構和硬件配置

本系統的動力部分由 3臺 160kW 異步電機驅動，實現“一主一輔一備”兩泵工作一泵備用工作制，變頻器采用施耐德Altivar 71系列，用以實現變頻器頻率變化。工控結構如圖 1所示：西門子S7-200，它具有執行指令快、性能穩定、簡便靈巧等特點；而 TD200文本編輯器是所有 S7-200系列操作員界面問題的最佳解決方法，在S7-200系列的CPU中保留了一個專一區域用于與 TD200交換數據，TD200直接通過這些數據訪問CPU的相關功能。在本系統中，TD200主要用于進出口水壓力顯示與報警、變頻器調頻設定等相關功能。

圖1 工控結構

1）CPU模塊

選擇CPU224。它自帶14路數字量輸入、10路數字量輸出，分別反映1#～3#泵變頻器啟動、運行、故障的相關狀態及1#～3#泵變頻器啟動、運行執行情況，同時該模塊最大可擴展256個數字量和16個模擬量通道。

2）信號模塊

信號模塊是連接PLC和外部設備的接口模塊，通過對輸入或輸出信號進行相應的轉換，以便信號的處理和執行。本系統選用的數字量輸入模塊為EM221，型號為6ES7221-1BH22-0XB8，它完成三臺泵起停的電氣柜面板輸入及除鱗信號獲得。數字量輸出模塊為 EM222，型號為 6ES7222-1HF22-0XA8，用來檢測進口、出口水壓力及除鱗狀態。模擬量輸出模塊為EM231，型號為6ES7231-0HC22-0XA8，用以反饋三臺泵變頻器的實際運行頻率。模擬量輸人模塊為EM232，型號為6ES7232-0BH22-0XA8，完成除鱗泵變頻器所需頻率。

3 程序結構

PLC程序是整個控制系統的關鍵，本項目利用西門子STEP7-Micro/WIN32編程軟件，采用模塊式編程方法，分別為主程序、出口水壓力、進口水壓力、變頻器自動調頻、變頻器手動調頻等模塊，這大大提高了程序的可移植性和通用性。通過TD200只需改變工藝參數，就可自動完成控制﹑比較﹑運算﹑報警等功能，滿足現場工藝要求。

3.1 除鱗起動、跳閘條件

1）起動條件

（1）進水水壓＞1.0MPa。

（2）除鱗泵進水閥門、出水閥門處于開起狀態。

（3）循環閥處于開起狀態。

（4）液壓站系統壓力＞5MPa。

2）跳閘條件：

除鱗系統壓力≥41.0MPa。

電機過荷超過設定值。

進水水壓≤0.6Mpa，進水水壓≥1.6Mpa。

3）系統保護

在整個系統中，設置了壓力保護點，當系統壓力超過40.0MPa 時，循環閥打開，系統卸壓；當壓力超過40.5MPa 時，泵自動關閉，當前兩個電氣自動保護系統都失靈的情況并且壓力超過41.0MPa時，安全閥起跳，系統卸壓，來保護安全閥的頻繁起跳而造成安全閥關閉不嚴。

3.2 主/輔泵變頻器頻率給定轉換

由于工藝需求，現場除鱗采用“一主一輔一備”兩泵工作一泵備用工作制，主泵變頻器頻率給定由TD200 中“系統設定頻率”地址VW75直接輸入，并有PLC失電自保持數據功能。輔泵變頻器頻率給定可根據除鱗進、出口水壓力進行手動或自動調頻，以滿足軋制不同規格產品除鱗所需的水壓力，PLC失電數據自動清零?，F以1#變頻器為例來分析，圖2中，通過M0.5來實現1#變頻器主泵/輔泵頻率給定方式的轉換，M0.5=0為主泵頻率給定方式，VW276通過圖3進行頻率的編程處理，產生頻率模擬信號AQW0給變頻器1；M0.5=1為輔泵頻率給定方式，VW270通過圖4進行手動和自動的PID運算，來完成變頻器的頻率AQW0給定。

圖2 1#變頻器主/輔泵頻率給定方式轉換

3.3 主泵變頻器頻率給定的編程

圖3為人機界面 TD200由地址 VW75向CPU224傳送頻率數量值，數值范圍為 0～50，經SIMATIC整數數學運算指令，產生 0～32000的數字量，這相對與變頻器模擬頻率 0～50Hz，由圖 2方式傳送到輸出模塊模擬通道 AQW0，形成 0～10VDC電壓作為變頻器頻率的給定值。

圖3 主泵變頻器頻率給定的編程

3.4 輔泵變頻器頻率給定的編程

STEP7-Micro/WIN 32提供了圖4 PID指令，以實現除鱗水壓閉環控制過程。圖4參數 Auto-Manual為變頻器調頻自動/手動選擇。

圖4 PID運算

1）變頻器調頻為自動

圖4中，當 M1.1=1時，變頻器調頻為自動，經過 PID的比例、積分、微分運算，從VW270輸出到輸出模塊模擬通道AQW0（圖2），PID指令中參數PV-I 為過程值，來自現場出水壓力實際值，它通過壓力變送器傳送到輸入模塊模擬通道 AIW2，Setpoin-R為設定值，數值在 0～100范圍，它在指令向導設定，這里VD234只能輸入一個 0.0～100.0的實數，例如：若輸入20，即為過程值的 20%，本系統出水壓力值量程為0～40Mpa，則此處的設定值20代表8Mpa（即40Mpa的20%）。

2）變頻器調頻為手動

圖4中，當 M1.1 =0 時，變頻器調頻為手動，PID 將進行手動相應計算，由 PID外部參數ManualOutput作為設定值，ManualOutput數值范圍為0.0～1.0之間的一個實數，代表輸出范圍的百分比，如VD272輸入 0.5，則VW270輸出一個滿值范圍內的50%到圖2中AQW0。

3）PID內部參數設定

微分時間：0s

積分時間：5s

采樣時間：1s

增益：1

偏差：0

4）PID外部參數設定

PID外部參數的設定經SIMATIC數學運算、傳送指令（如圖5、圖6所示）求得。

其中：VD24 設定出口水壓力地址

VD66 出口水壓力上限地址

AIW2 實際出口水壓力地址

圖5 PID參數VW702 VD234設定

圖6 PID參數VD272設定

4 結論

自2009年該除鱗投入使用來，電氣控制系統反應速度快、控制精度高，除鱗效果十分明顯，達到了如下指標：

1）根據軋制不同品種規格產品，除鱗泵能提供除鱗所需水壓力。

2）在熱軋坯料到來時可以在2～3s內將管網水壓力迅速升到所需壓力，保證除鱗效果。

3）在熱軋坯料離開后，除鱗泵能迅速進入節能運行狀態。

4）除鱗前后，熱軋坯料表面溫降低于20℃。

[1]廖常初. PLC編程及運用[M].2版. 北京:機械工業出版社, 2004:168-187.

[2]http://www.ad.siemens.com.cn