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關鍵詞： PLC自動控制系統在質譜爐氣分析系統中的應用`嚴月祥，沈學靜，王 蓬，胡少成鋼鐵研究總院分析測試所，北京100081

對于在線過程分析系統，其可靠性、穩定性極為重要?；赑LC自動控制系統的穩定可靠，本文研究將PLC自動控制系統應用于質譜爐氣分析系統，通過PLC及其上位機的自動和手動的控制，實現了自動采集樣氣、自動反吹再生、手動調試、時間參數修改、各加熱元件及儲氣罐壓力狀態顯示、本地狀態指示燈顯示、故障預警及上位機和PLC的信號連鎖等功能，提高了質譜爐氣分析系統控制的安全性和可靠性。本系統應用在萊鋼4號轉爐上，自2004年2月投入在線運行以來，一直保持良好的工作狀態。
1 系統組成
1．1 硬件組成
質譜爐氣分析系統由取樣探頭、初級過濾單元、反吹再生單元、樣氣處理單元、噴射泵、PLC自動控制單元以及飛行時間質譜儀組成。工作站(Control Station)即為PLC的上位機(HMI)，可顯示質譜爐氣分析系統的工作狀態、控制整套系統的運行和顯示樣氣成分的分析曲線，其系統組成見圖1。


在PLC自動控制系統的控制下，冶煉或燃燒過程中的樣氣經噴射泵抽汲后，通過一個取樣探頭，經初級過濾單元過濾除去85％以上的粉塵，再經過樣氣處理單元的旋風除塵器和精過濾器進行除塵和除水獲取干燥潔凈的樣氣，通過引導管進入飛行時間質譜儀進行分析，得到的分析數據經網絡實時傳輸給工作站進行顯示并存儲，以便指導現場工人的操作。同時，反吹再生單元在PLC自動控制系統的控制下，按照一定的時序對另一個取樣探頭進行反吹再生，當前一取樣探頭快結束取樣時，經過既定的時間后，對切換至反吹再生完的探頭進行取樣，而前一取樣探頭亦進行反吹再生，如此反復切換兩個取樣探頭，對樣氣進行連續不斷地采集。此既定的時間可以通過PLC上位機的時間參數界面，按照不同的操作工藝在一定的時間范圍內進行設定，從而使得兩取樣探頭相互切換時所采集的樣氣趨于連續、一致且均勻。
1．2軟件組成
根據系統的需要，采用西門子的S7-226型PIE自動控制系統。本機集成24輸入／16輸出共40個數字量I／O點；可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數字量I／O點或35路模擬量I／O點；具有2個RS485通信／編程口，并具有PPI通信協議、MPI通信協議和自由方式通信能力。本系統共有16個輸入點和10個輸出點，PLC采用PPI通信協議與工作站直接通信，選擇S7-226型西門子PLC完全可以滿足本系統的需要。
2系統功能實現
2．1 PLC自動控制單元
本系統按照轉爐煉鋼生產工藝，編制質譜爐氣分析系統的自動取樣和反吹再生時序，即熔煉過程的Starting時序和不熔煉過程的Waiting時序。將此時序按一定邏輯關系編寫成PLC程序，通過上位機集成到PLC自動控制單元上，同時為10個電磁閥及各顯示狀態的節點分配地址，實現PLC自動控制單元對質譜爐氣分析系統中10個電磁閥的自動／手動開關及各節點工作狀態的顯示。
2．2 PLC上位機(HMI)
PLC上位機為用戶提供更加直觀的工作狀態顯示和便捷的操作。通過PLC上位機登錄本系統有兩種方式：普通級和高級。普通級針對用戶，高級針對專業技術人員。當系統處于正常工作狀態時，按照PLC控制單元分配的地址，啟動各節點的工作，通過上位機的用戶界面可顯示和控制PLC控制單元的運行。工業現場的開關信號使能并被PLC自動控制單元接收后，當上位機自動運行工作時，啟動PLC內置的Starting時序，控制10個電磁閥的自動開關，從而控制自動采集樣氣、反吹再生以及啟動質譜分析界面并實時記錄分析數據。反之，工業現場的開關信號非使能時，系統啟動PIE內置的Waiting時序，按照Waiting時序對系統的探頭及管路進行反吹再生，以便在下一生產過程中使用。當通過高級驗證后，可進人手動調試界面，按下手動調試按鈕，且PLC的轉換開關轉向調試擋，可手動控制各電磁閥的動作。在時間參數修改界面，可以修改兩探頭在相互切換時的交叉時間。
2．2．1 自動運行
啟動工作站的質譜爐氣分析軟件，通過登錄界面，進入功能選擇界面。點擊功能選擇界面內的“自動運行”按鈕，進入自動運行界面，如圖2所示。圖2顯示的是系統應用于轉爐冶煉的情況，為轉爐正在熔煉狀態。當系統自動運行時，一路采集轉爐爐氣，并將其送人質譜儀進行分析，另一路反吹再生，即內外反吹探頭和管路，等待切換采集樣氣。圖中，處于工作狀態即有氣流的管路實時直觀地用綠色且較粗的氣路來標明。加熱元件的紅色指示燈表示該加熱元件處于不加熱狀態，正常加熱狀態時指示燈呈綠色。加熱是通斷式的，由溫度傳感器控制，加熱時間可由溫度傳感器上的電位器來調節，防止樣氣中水蒸氣冷凝。儲氣罐內的氮氣壓力正常與否，同樣可由界面上的壓力指示燈來判斷，壓力大于0.4MPa時指示燈呈綠色，視為反吹壓力正常。


2．2．2 手動調試
輸入高級別的用戶名和密碼，通過驗證后，選擇功能選擇界面下的“手動調試”按鈕，進人手動調試界面，其結構與自動運行界面相似，僅多了10個電磁閥對應的手動按鈕，用來手動控制10個電磁閥的開／關。
手動調試界面專為專業技術人員設計。由于手動調試的信號在PLC的上位機和PLC主機之間是連鎖的，僅在PLC主機的轉換開關扳向調試擋，且PLC上位機的手動調試開時，才可通過PLC手動開關箱上倒扳開關來手動控制(硬件控制)10個電磁閥的開／關，亦可通過上位機的手動調試界面上的10個電磁閥對應的10個按鈕來進行手動控制(軟件控制)，從而對系統的電磁閥、繼電器、氣路和接頭處的氣密性進行檢查，為此保證系統的安全性。而且，如果系統有一氣路出現故障，即可手動控制另一氣路進行樣氣采集并分析，同時排除此氣路的故障。待故障排除后，可手動控制反吹電磁閥的開／關來對此氣路取樣探頭及氣路進行反吹再生，保證在氣路出現故障時不影響樣氣的采集和分析。
2．2．3 時間參數修改


2．2本地狀態顯示
PLC自動控制單元內的指示燈以及上位機人機界面內不同顏色的變換指示，顯示系統當前工作狀態，可為生產和維護人員提供狀態信息，方便及時地判斷故障所在。
3 系統性能測試
系統自2004年2月在萊鋼4轉爐生產現場運行至今，工作狀態一直良好，并且能指導現場工人的操作，在避免出現氧槍漏水爆炸事故和減少補吹次數方面取得了初步成效。經現場測試，其樣氣預處理裝置的響應時間為13s，飛行時間質譜儀的份析時間僅為0.1s,可見非常適合流程的轉合短流程的轉爐練鋼工藝使用。經720h穩定性測試，本系統在PLC自動控制系統下，沒有發生任何故障。