摘要：本文详细介绍了西门子MP 270触摸屏在原料除尘系统改造中的应用，通过西门子触摸屏对PLC程序的全程监控，达到实时了解设备运行状况，可以方便的进行生产工艺调整，快速处理设备突发状况，提高设备的自动化水平。
关键词：触摸屏 PROFIBUS-DP PLC
一、概况
高炉原料除尘系统是采用传统除尘工艺进行除尘，其清灰、输卸灰设备老化严重，经常造成粉尘外溢、清灰不彻底，使除尘器运行阻力增大，耗电量大，除尘效率低严重污染环境。已经不能满足企业对生产工艺的要求。
公司决定对除尘系统进行设备改造，对新增三状态阀、切换阀等电气控制部分进行PLC程序编程，监控设备采用了西门子MP 270触摸屏，组态了除尘系统的运行主画面、清灰画面、参数设置画面、故障处理等多个画面以便于操作人员更好的进行运行监控和修改CPU的程序、进行故障报警处理。
改造后设备的自动化程度显著提高，故障率明显降低，因故障引起的停机时间比改造前减少了五分之四。降低了大气排放含尘浓度，取得了明显的社会效益。
二、问题的提出
（一）清灰、输卸灰系统存在的问题
除尘器顶部清灰机构系采用一、二次挡板形式，挡板由于运行时间长，磨损变形严重，造成泄漏大、故障率高，导致设备不能正常运行停机待修。
输、卸灰机构采用传统的翻板阀机构，每个分室设置两套翻板阀，靠气缸驱动翻板完成清灰功能，以压缩空气作为动力能源，而其配套的电气元件，电磁阀、气缸等因工作环境条件恶劣造成故障率高，维修量大，费用高。
除尘系统采用控制方式单一，当除尘器布袋破损造成粉尘泄漏或者某一料仓故障时操作人员无法对PLC进行参数修改，快速处理问题。往往需要通知点检进厂通过电脑进行在线的程序修改。当设备出现故障时，由于没有报警画面的设置，给故障点的排查造成了不小的困扰，一个本来几分钟就能解决的问题往往要花大量的时间进行排查，影响了生产的正常进行。
（二）改造的要求和目标
1、清灰、输卸灰系统改造的要求
原料除尘其采用过滤和逆洗“二状态”的清灰模式，从实际使用情况来看，“二状态”清灰模式存在着工艺上的缺陷，造成清灰不彻底，布袋破损严重，维修工作量大，系统运行故障率大。已经远远落后于现代企业对环境保护的要求，若采用“三状态”清灰模式—即通过回转阀和三状态阀的不同状态组合完成从沉降（静止）—反吹（吸瘪）—沉降（静止）—过滤（彭胀）三个状态使滤袋鼓胀、抖动，使粘附在滤袋内壁的粉尘进一步脱落，三状态清灰模式可以达到清卸灰一体连续运行，清灰效果好，运行故障率低，节能减排的目的。
2、清灰、输卸灰系统改造后的目标
①实施改造后清灰、输卸灰系统的故障率大幅度降低；
②降低布袋的运行阻力，减少除尘风机的耗电量，降低设备的损耗；
③延长除尘设备的使用寿命，降低维修作业的劳动量，自动化程度大幅提高；
④将粉尘的排放量控制在10mg/m3以下，达到国家环境保护排放标准。
三、高炉原料除尘设备改造方案
（一）原料除尘设备工艺简介
原料除尘系统采用双排布置，中间进风中间出风的设计方案，净化后的废气经风机由烟囱排入大气。除尘器收下的粉尘由输送设备送至储灰仓。
除尘系统开始工作时，主系统启动除尘风机和入口调节阀，除尘器处于正常过滤状态，A列、B列回转阀处于0#位，滤袋室排风口通过回转阀与排风管连通，含尘气体由进风管经灰斗进入滤袋室，其中较粗颗粒的粉尘在灰斗中沉降，较细颗粒的粉尘随气流上升进入滤袋内，由于碰撞、筛分、钩住、截留等效应，粉尘被阻留在滤袋内表面上，从滤袋出来的干净气体，经回转阀，排风管、风机、清声器和排气筒排入大气中去。阻留在滤袋内表面上的粉尘通过回转阀和三状态阀的不同状态组合完成从沉降（静止）—反吹（吸瘪）—沉降（静止）—过滤（彭胀）三个状态使滤袋鼓胀、抖动，使粘附在滤袋内壁的粉尘进一步脱落至下面的灰斗中，经卸灰阀排出用输灰系统送出。
（二）除尘系统的电气控制部分改造
改造项目对原料除尘器安装新的电气控制设备。在除尘器旁增加触摸屏1套，实现对除尘设备的操作、显示。西门子S7-300主站用于矿槽除尘与远程I/O站的通讯连接和矿焦槽触摸屏通讯，用于收集除尘器料位检测、压力检测以及清灰控制信号等。每个模拟量信号通过隔离器送至盘内远程I/O站。远程I/O与除尘器PLC柜通过Profibus数据总线通讯。
1、跟据实际要求选择具体的PLC
原料除尘器改造前使用的PLC是西门子公司的CPU315-2 DP，经过对各输入输出点数的大略计算，本设计中需要数字量输入164点，数字量输出23点，模拟量输入通道20路.考虑到前面的设计中I/O点数可能有疏漏，并考虑到I/O端的分组情况以及隔离与接地要求，在统计后得出的I/O总点数基础上，增加10％到15％的裕量，原来的CPU315-2 DP完全满足设计要求。
三状态阀输入开关量有6个点，A、B回转阀输入开关量共计有12个点，A、B两组灰斗低料位计、振动器共输入开关量20个点。A系切出刮板机、B系切出刮板机、斗提机共输入开关量15个点，1#～10#仓卸灰阀以及其它输入信号，考虑到今后的发展，留有一定余量，新增加2块直流32点输入的输入模块SM321。
数字量输出驱动的主要是指示灯和电磁阀以及中间继电器，考虑到安全性和电磁阀的不频繁启动的特性，新增加1块32点输出模块SM322。
由于该设备对采集精度和分辨率没有特殊的要求，选择的模拟量信号选用压力传感器4～20mA电流信号。模拟量输入模块的选择要考虑通道数。选用8通道的模拟量输入模块SM331共选用3块输入模块。
S7-300的接口模快，选用IM 153-1把模块化的 I/O 设备 ET 200M 连接到 PROFIBUS DP 现场总线。用于总线接口模块，可进行热插拔横向通讯时具有发送功能。完全满足控制系统设置要求。
2、触摸屏的选择
通过触摸屏我们可以和系统进行信息交流。触摸屏可以对系统的运行流程、压力参数、以及系统报警情况进行显示；同时通过触摸屏我们可以进行运行时间的设定、选择系统的运行方式(自动/手动)、设备的运行方式(正常运行/非常)，所以在选择触摸屏时，要考虑它与PLC通讯情况，设备的匹配和人员的操作习惯，触摸屏选用西门子MP 277 作为人机界面。
3、控制系统硬件构成
通过分析本系统是采用西门子300系列的PLC，由CPU 315-2DP、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、接口模块、触摸屏等组成。下表为该系统硬件组成部件的名称和信号规格：
表1 除尘控制系统硬件构成表
序号模块名称订货号数量输入地址输出地址品牌
1导轨6ES7 390-1AE80-0AA02SIEMENS
2电源6ES7 307-1BA00-0AA02SIEMENS
3CPU6ES7 315-2AH14-0AB01SIEMENS
4数字量输入模块6ES7 321-1BL00--0AA080～27SIEMENS
5数字量输出模块6ES7 322-1BL00-0AA030～11SIEMENS
6模拟量输入模块6ES7 331-7KF02-0AB03256～303SIEMENS
7ET-200M6ES7 153-1AA03-0AB01SIEMENS
8触摸屏6AV6 643-OCD01-1AX11SIEMENS
4、编程软件组成
编程软件采用西门子公司的STEP7 V5.4来实现系统配置和程序的编写、调试以及在线诊断硬件状态、控制PLC和I/O通道的状态等等。
组态软件使用西门子公司的Wincc flexible 2008应用软件来实现对现场设备的状态控制运行监控和参数修改。
5、清灰、输卸灰系统的控制要求
原料除尘器的主要控制对象包括每个除尘器各仓室的回转卸灰阀及振动电机，以及每个除尘器的A室回转切换阀、B室回转切换阀、三状态切换阀、A刮板输送机、B刮板输送机、集合刮板输送机、斗式提升机、储灰仓振动电机以及储灰仓回转卸灰阀。
改造后的除尘系统设自动和手动控制方式，手动操作在就地实现，自动方式由PLC控制。并将除尘器运行、综合故障的信号送至除尘电气室HMI画面上显示。除尘风机设就地和远程两地操作控制。远程在除尘电气室HMI画面上进行操作。需要在除尘电气室HMI画面上操作控制、显示的主要内容有：
除尘设备清灰、输灰的单动联动选择、启停控制、运行状态显示；
除尘器输灰系统、清灰系统的操作控制，各仓位压差的显示；
3) 除尘器清灰、输灰时间参数的调整，断链保护的投入解除；
4) 除尘器的运行趋势状态，综合故障报警。
（三）原料除尘西门子触摸屏设计
在新的除尘控制系统中，触摸屏作为人机界面的主要控制单元，能够满足除尘器系统的正常工作。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆触摸屏和PLC的通讯方式选择为Profibus-DP总线作为数据通讯来完成原料除尘生产过程的监控和操纵功能，对生产过程中产生的各种信息等根据分类进行管理。
1、设置触摸屏通讯参数
在STEP 7中直接建立的SIMATIC HMI站，选择了网络组态方式建立的PROFIBUS-DP 站，站点设置为“5”，通信的传输速率必须和STEP7中组态的网络传输速率保持一致，此时设置为1.5M/S，配置文为“通用（DP/FMS）”。编译并保存。然后打开SIMATIC HMI项目，在项目视图中点击“通信” →“连接”鼠标右击选择“添加连接” 打开通信连接编辑器窗口，此时在工作区显示的就是“连接”画面的标签。触摸屏和PLC连接的窗口。
选择通信驱动程序：HMI与自动化控制系统之间的通信依靠通信驱动程序来实现，在“通信驱动程序”栏中，点击 下拉按钮，在下拉菜单中列出了软件支持的所有通信驱动程序，因为本项目要实现S7-300型的PLC与触摸屏的通信，所以此时选择“SIMATIC S7 300/400”。伙伴站选择“CPU 315-2 DP”，节点“通用（DP/FMS）”触摸屏参数选择和STEP7中组态的网络参数一致。
2、设置触摸屏通讯参数
变量系统是组态软件的重要组成部分。原料除尘系统清灰、输卸灰的运行状况通过变量实时地反映在触摸屏的过程画面中，操作人员在触摸屏上修改参数、发布的指令通过变量传送给生产现场。在组态画面之前，首先定义变量，本项目使用的部分外部变量。
3、设计原料除尘系统画面结构
经过分析，高炉原料除尘系统需要设置九个过程监控画面，在项目视图“画面”文件夹中添加画面，分别命名为除尘系统主画面、除尘系统清灰画面、除尘系统输灰画面、除尘系统参数画面、除尘系统故障画面、除尘系统A趋势视图画面、除尘系统B趋势视图画面、除尘系统压差画面、除尘系统手动画面。
①组态除尘系统主画面
在主画面中，可以来回纵观二级画面和主画面，实现二级画面和主画面来回纵观可以使用切换画面函数。在主画面中新建一个按钮如下图6所示，在工具栏中选择按钮，按钮属性选择“文本”然后在“OFF”状态文本为“除尘本体”。
组态按钮事件如图7所示：选择按钮事件中的“单击”，选择“画面”的函数“ActivateScreen”然后在弹出的对话框中为画面命名为“除尘系统主画面”，意思是当单击该按钮将切换到名为“除尘系统主画面”的这个画面。同理新建其它画面之间的画面和切换文字并状态按钮单击下的事件函数。
组态料仓、引风管、弯头和电动机：首先选择工具栏的“简单对象”条目下找到“图形视图”，单击“图形视图”并放到画面中并拖拽，在“常规”栏下选择图形样式，最后根据需要，移动位置和调整合适的大小，在“增强对象”条目下找到“符号库”，单击“符号库”并放到画面中并拖拽，根据需要进行调整。在“属性”栏中选择“前景色”为黄色。最后将料罐和电机根据设计需要排列整齐。
组态计数周期时，：选择工具栏的“简单对象”条目下找到“IO域”，单击“IO域”并放到画面中并拖拽，在“常规”栏下选择类型模式为“输出”格式样式为“9”过程变量在变量表中选择“MW100”，在“属性”栏中选择背景色和填充色，并根据需要调整“IO域”大小，同理新建其它部件。
在主画面中放置文本编制文本信息、各种简单图形、和画面切换按钮、除尘系统管道图形、料仓、储灰罐、电机、显示现场数据的I/O域，控制设备运行的启停按钮、选择按钮进行其它图形的主画面。
②组态除尘系统清灰画面
在清灰画面中放置清灰系统联动、单动、清灰模式选择开关，启动停止按钮，三状态阀的过滤位、反吹位、沉降位状态显示及A、B回转阀位置指示位置及设备启动停止和故障复位等文本信息。
③组态除尘系统输灰画面
在输灰画面中放置输灰系统联动、单动选择开关，启动停止按钮，A、B列卸灰阀、斗式提升机、集合刮板机、A、B列刮板机启动停止按钮及振动筛手动切换按钮和故障复位等文本信息。
④组态除尘系统参数画面
在系统运行过程中，为了适应不同的除尘状况要求，操作人员需要相应修改清灰、输灰时间的参数，达到最优的除尘效果的。组态计数周期时，如图13所示：选择工具栏的“简单对象”条目下找到“IO域”，单击“IO域”并放到画面中并拖拽，在“常规”栏下选择类型模式为“输入/输出”格式样式为“999”过程变量在变量表中选择“沉降时间t38”，在“属性”栏中选择背景色和填充色，并根据需要调整“IO域”大小，同理新建其它部件。
在参数画面中设置可以修改时间数据的I/O域、断链切换开关、编制文本信息。
⑤组态除尘系统故障画面
在系统运行过程中，难免出现各种设备故障，为了快速排查，处理故障，确保设备正常运行，编制故障画面，可以清晰的显示设备的故障点，通高工作效率。在故障画面中设置前中先要在报警管理中设置报警类别、报警组，然后在离散型报警内编制需要报警的触发变量，组态故障报警的画面如图15所示：在“报警管理”栏中，选择离散量报警，在“属性”窗口中选择“常规”栏，输入报警文本。
在WinCC flexible 中预定义报警类别有错误、警告、系统和诊断事件，如下图设置，错误：是用于开关量报警，指示紧急或者危险操作和过程状态，该类报警必须要进行确认，报警的方式是通过在HMI设备上的显示表述。
组态完毕的故障画面 ：选择工具栏的“增强对象”条目下找到“报警视图”，单击“报警视图”并放到画面中并拖拽，在“属性”栏下选择类型模式为“显示”，在“显示”栏中选择相关的状态，在“常规”栏中选择“报警”并确认。并根据需要调整“报警视图”大小。
⑥组态除尘系统压差画面
在系统运行过程中，当除尘器总压差达到1500Pa时，从1室开始至5室循环进行一个周期的清灰。一个周期结束时除尘器总压差小于1500Pa则停止清灰，继续进行下一轮清灰定时方式指除尘器按照设定周期，从1室开始至5室循环进行清灰。
⑦组态除尘系统趋势画面
在系统运行过程中，将A1到A5仓的差压值趋势在趋势画面上直观显示出来，便于了解五个料仓的运行情况，组态趋势画面 ：选择工具栏的“增强对象”条目下找到“趋势视图”，单击“趋势视图”并放到画面中并拖拽，在“属性”栏下选择类型模式为“趋势”，在“趋势”栏中编辑需要设置的相关参数。并根据需要调整“趋势视图”大小。
⑧用户管理组态
在系统运行过程中，为了保护运行系统的安全运行，使用用户管理机制可以有效的保护应用程序，使其免遭未经授权的访问，通过在运行系统管理用户的组、用户设置点检工程师、管理员权限、操作员权限和密码，确保系统安全。用户管理组态完毕的用户管理。
4、除尘系统模拟调试
在SIMMATC管理器中，启动S7PLCSIM仿真器，使CPU处于运行状态。在Wincc flexible的项目组态界面，从菜单中选择“项目” →“编辑器”→“启动系统运行”，启动Wincc flexible模拟器进行系统的模拟仿真。
四、原料除尘系统改造效果
通过系统改造对传统的操作盘控制I/O点数统计分析，每台电机需要断路器合闸、启动、停止、运行反馈、故障5个输入DI点，驱动电机运转需要1个输出DO点，操作盘信号显示需要启动运行指示灯、停止指示灯、故障指示灯3个输出DO点。即每台电机需要5个输入DI点，4个输出DO点。还有清灰自动——停止——手动选择开关，清灰定时控制——差压控制选择开关，输灰自动——停止——手动选择开关，输灰定时控制——料位控制选择开关。
传统的控制系统改为触摸屏控制系统后，每台电机需要启动、停止不再需要使用物理地址，全部用PLC模块内部中间点（MX.X）代替，保留断路器合闸、运行反馈、故障3个DI点，所有指示灯用PLC模块内部中间点（MX.X）代替，保留驱动电机运转的1个DO点。与传统的PLC加按钮指示灯的控制系统相比，I/O点数少了很多。
通过改造我们知道触摸屏控制系统与传统的控制系统I/O系统比较，I/O点数少了很多。传统的控制盘到PLC模块使用电缆线连接，I/O点的数量关系到电缆的需求量，I/O点越少，电缆需求量越少。改用触摸屏代替操作盘，只需要一根通讯电缆与PLC进行组态连接，就能实现各种控制模式，降低了施工的强度和难度，节约了施工成本。
五、原料除尘系统改造小结
高炉原料除尘器的改造主要是针对宝钢原料除尘工艺结合现场的实际问题进行的，这些问题具有一定的普遍性和代表性，极大地制约了现场设备的正常运行及设备效率的发挥，产生了较大的设备维修和管理费用，对正常生产影响较大，对周边环境造成较大污染，因而设备改造势在必行。
本次改造后大气排放出口含尘浓度从 35mg/m3下降到 10mg/m3，废气的排放浓度符合上海市排放标准。设备的自动化程度显著提高，故障率也明显降低很多，设备故障引起的停机时间整体也比改造前少了五分之四。虽然偶尔还有一些小故障发生，但因为系统线路结构简化清晰，通过触摸屏能够很快将故障点锁定，省却了以往繁琐的排查过程，故障信息一目了然，能够迅速地把故障排除，恢复系统正常运行。
通过对高炉原料除尘系统改造，基于PLC控制的触摸屏在线控制系统能够很好的应用在除尘设备自动化控制系统中，便于日常的维护。能够根据现场需要，灵活修改或增加实际所需要的功能与画面。相比传统的PLC控制系统加按钮和指示灯的控制方式，更加具有优势。可编程控制器PLC和HMI触摸屏组成的控制系统结构简单，运行可靠，提高了设备的自动化水平，维护和检修方便。不仅节约了大量的设备维修费用，同时降低了除尘系统操作人员的劳动强度。
参考文献
[1]姚福来、孙鹤旭 .《组态软件及触摸屏综合应用技术速成》. 电子工业出版社 ,2011.5
[2]张运刚、宋小春.《西门子SETP7-PLC职业技能培训及视频精讲》.人民邮电出版社,2004.8.
论文作者:杨勇
论文发表刊物:《基层建设》2016年16期
论文发表时间:2016/11/11
标签：画面论文; 系统论文; 触摸屏论文; 组态论文; 除尘器论文; 设备论文; 故障论文; 《基层建设》2016年16期论文;