西门子模块6ES7516-3AP03-0AB0详细说明

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1 引言

特殊钢冶炼vd炉抽真空设备在整个生产中处于重要的地位，它直接关系到特殊钢的质量及生产成本等诸多方面。而抽真空控制系统是否稳定运行，直接影响电炉的生产顺行。因此解决抽真空系统的稳定性、防止抽真空时间过长，造成钢水温度低而进行二次升温，影响生产及防止造成漏包事故等方面由为重要。本文就北满特钢2#vd炉为例，对vd炉抽真空设备的电气控制系统的组成及控制原理进行讨论，技术基于西门子simatic s7-300系列plc自动化平台。

2 vd炉原理及工艺概述

vd炉抽真空是将电炉或精炼炉处理完成的高温钢水（约1650℃-1700℃）在密闭的真空罐内通过全蒸汽式抽真空系统或水环泵+蒸汽式抽真空系统进行真空处理，去除钢液中的气体。整个抽真空时间一般控制在20-25分钟结束。水蒸气喷射真空泵是利用于饱和蒸汽或过热蒸汽作为动力，来取得真空的一种装置。具有一定压强的工作水蒸气通过拉瓦尔喷嘴，于是工作水蒸气减压增速（蒸汽的势能转化成为动能），以**音速喷入吸入室，使吸入室产生一个负压区，炉气由吸入口进入吸入室，蒸汽与炉气成为混合气体进入扩压器后减速增压并进入冷凝器内，在冷却水的喷淋冷却作用下，高温状态的水蒸气与冷却水进行热交换，水蒸气被冷却水冷凝成为冷凝水并随冷却水一起由冷凝器底部的下水口流至水封池内，而被抽炉气则由冷凝器上方的出口排至下一级喷射泵或大气中。

3 控制系统设计

3.1 总体设计

vd炉电器控制系统（如图1）主要包括：水环式真空泵控制、各级蒸汽式真空泵控制、给水泵及循环泵及冷却系统控制、真空盖车控制、氩气控制及破空控制等。为了保证整个系统的运行可靠，本系统利用西门子可编程序控制器s7-300实现了对现场数字信号状态，模拟信号并将采集信号通过cp5611卡mpi网络传送给上位机中，上位机在根据需要将控制信号通过cp5611卡mpi网络传输给plc，通过plc完成各个控制对象的输出。同时利用wincc5.2组态软件实现对设备的实时远程监控，包括对现场开关量的实时显示、对模拟量的实时显示、下位机运行参数的实时修改、故障报警、运行参数记录等等。

3.2 硬件配置

本系统采用的cpu为314-1af10-0ab0版本。配64kmcc存储卡，i/o模块配置为64di 32do 16ai2ao。系统压力、流量全部采用川仪公司eja变送器转换为4～20ma标准信号送plc。温度采用铂电阻信号送plc。

主、辅水环式真空泵电机功率90kw；罐盖车行走电机功率11kw；真空罐盖升降电机功率30kw；给水泵三台，每台电机功率37kw；循环泵三台，每台电机功率30kw；冷却风机两台，每台电机功率11kw。

控制系统分为手动控制及步进（自动）控制。步进控制受手动控制连锁，随时可在步进状态下转入手动控制模式。下面重点就步进模式为例对控制系统进行简要的说明。

步进（自动）控制总计七步控制指令，受“步进”按钮信号控制，其中第一步、第二步不受真空度控制，第三步受32kpa连锁，第四步为8.6kpa，第五步为2.5kpa，第六步为0.53kpa。当达到67pa时保压。第七步为破空自动程序打泵。当外部条件，（通知锅炉房供汽，开平衡蒸汽阀、汽包放散阀、总进水阀，30秒后，开蒸汽总阀、60秒后关汽包放散阀）准备好时，启动冷却水系统和真空泵给水泵。步进控制受三台给水泵中任意两台的组合开启，三台冷却循环泵的任意两台的组合开启；两台冷却风机之一开启联锁控制。当上述信号准备好后“steout_end ”作为第一步的初始脉冲触发信号使下面的步进得以正常开展。

设置双向脉冲计数器c1作为步进的计数控制，计数复位受 ① 步进按扭控制，②t7在第七步结束时被触发，延时1秒后复位c1，同时t7将c8（step7计数器）复位。c1的正向计数脉冲由network1发生。逆向计数为step6—3。第一步计数由steout_end信号的上升沿触发，计数值=1。此时置步程序中的**比较器被，当外部的“步进”指令到达时，s1_sta（s）被置位，同时最后一步s7_end（r）被复位。同理，不同的计数值相应的比较器使得下一步的使能被置位而上一步的使能被复位关闭。允许置步外部“步进”指令脉宽处理。步进按钮信号被钳在1秒的脉宽上。同时steout_end信号的到达使步进按钮信号灯以一秒速率闪烁，按下步进按钮时t6使步进指示灯在脉冲展宽期间灯亮。置步计数器c1的当前值将被识别后（置位）其中的第n步的“开始”标志锁存（sn_sta）和复位n-1步的“开始”标志和“结束”标志的锁存。

step1分步计数器c2受来自“置步”的置位而被“允许”，秒脉冲使得计数器得以计数。累计数值使得各比较器依次开通，每一分步以一秒节律下行。分步的最后一步#s1_end（s）的使c2执行复位，同时位于脉冲发生器的第二步连锁接通一旦“步进”指令到达即可发生step2的上升沿脉冲。“自复位/步进完毕”step2分步计数器c3受来自“置步”的置位而被“允许”，秒脉冲使得计数器得以计数

 PLC的信息安全成为

       在“一网到底”这种情况下就涉及一个问题：这个网被连通了以后，现场生产工艺设备和上面的管理软件甚至云端连在一起以后，它把一些管理和数据分析的系统和我们工业控制的**系统通道打开了，那么它的信息安全的**要求就更高了。一旦从现场设备做数据交互的时候，意味着整个通讯网络被打通，打通过程中如果信息安全在任何一个节点出现问题，都有可能造成相互之间的影响。如果上层软件信息安全没做好，它有可能从这个地方侵入然后延续下来，如果控制网络与管理网络之间衔接的地方信息安全部署没做好，就有可能从把上面的或者下面的侵入，会造成一系列连锁。

       那么PLC这一侧也一样需要做好信息安全。过去的PLC在研发时在信息安全这部分是没做任何的考虑的，因为主流的高端PLC都是20年前的技术研发的，那时候没有信息安全，后面想去补这块就只能外面加罩子，要么有厂商通过底层操作系统更新打补丁，或者就是现在很多信息安全公司和所谓的信息安全小组在做的事，加防火墙，加一些网络安全的交换机。但这个治标不治本，就像人一样，你很虚了，一身的病，天天吃补药，你看着好像是好了，但是一旦出现新问题你是抗不住的。纵深防御可以起到层层隔离防护的作用，但真正安全还是需要各控制层级自身就做好，这个也是一大问题，新一代的高端控制器必须要考虑的，自身开始，不管你别的地方部署好了没有，较起码PLC自身不要受到侵害，具备本体的安全防护能力。

       3.不再单纯追求有多快而是要求有多稳定多可靠

       生产工艺在过去进入工业时代以后，已经逐步成熟起来了，到现在我们去改变一个工艺是很难的，因为能改变的我们基本都改变了，就是说工艺上对控制系统的处理速度很难有大的变化。对于用户较关心的工艺流程的效率或者精细度提升而言，其实从两方面可以去优化它，一个是它的整个的生产流程管理、整个的物料这方面的精细化管理。另一个就是对设备的精细化管理。

       但是在这一块来看，其实我们设备在过去20年上一代高端控制器的能力控制下，它的处理速度是没有任何问题的，可以完全满足工艺需求的，更快的控制系统对于改善和提升工厂的运营收益已经很难体现价值了。就像在高速公路上跑，你跑到500迈没有意义，因为对于稳定可靠性来说，我们制造一个车能跑到200多迈就达到期望了，就够用了，你再快的速度也用不上，反而带来潜在危害。在这种情况下，我们一味的再去像过去的时候，去追求比一个高端处理器多快，这个已经没有意义了。但有一点跟以**样，它的稳定可靠性，就像我为什么要开轿车，不去骑摩托车呢？它毕竟性要好。

       高端控制器现在来看，不是说看能带多少点，处理速度快到什么程度，因为这些发展到上一代的时候已经不是事了，现在随便拿一个中小型控制器，说带点能力和处理速度达到大型控制器的水平也都没太大差距。但是核心的东西就是它的安全性、稳定可靠性，它的系统的通讯能力，因为过去大型PLC主要是做大系统，大系统一定是有相互之间通讯，有协同的管理能力，与上位机通讯的能力、支持能力，这些能力都是判断这个系统是高端控制系统，还是中小型控制系统。

       4.尺寸小型化、使用简单化是趋势

       过去咱们说个头大就好，过去是没有办法，因为当时做不小了，其实它已经做得尽量小了。电子类产品一定是同等性能下，做得越小，它的技术含量就越高。另外，我们知道现在有个大的趋势，因为工业产品越来越被大家接受，开始向民用领域进发，尤其是这些年各个国家工业发展到一定程度了以后，有大量的民生工程，比如很多的大型楼宇里面都开始用PLC在控制了，过去都用的是嵌入式控制器，但是它通用性、扩展能力有限，维护起来需要专业的人维护，而PLC各方面原因使得它受欢迎程度开始体现。

       而未来分布式要求越来越广了，即使是过去传统的这些重工业，它对于控制系统的分布式安装要求越来越高，过去说我们有专门的控制站，尤其是传统产业，所有的PLC都放在一个主控站里头。但有个问题，这些模块联到现场设备的时候，连接接线很多、施工复杂、维护复杂、成本也高，所以有分布式I/O。

       未来所有的设备都向智能化发展。未来现场的电机，现场的一些检测仪表，可能都是以太网接口，它通过以太网直接连到控制系统里来，主控室里可能一个柜子里头全是控制器，然后一堆的交换机连了一堆的网线过来。在这种情况下，你觉得PLC是做大，还是做小？控制理念变了，工厂的设计也就会变，将来监控系统的屏幕会做得很大，但是设备就要尽量用小的地方了，提高舒适度，从而来提率。这么考虑的话，如果按现在控制一个3000点，得需要十个柜子，未来越来越不可能了。

       如何在更小的电路板上面，放上原来功能高端的芯片，或者说将比原来功能更强大的芯片集成到一个更小的电路板上，这需要专业的设计和制造的能力，不是谁都能做得很小，把电控系统做大了容易，做小了比较难，因为更小的尺寸里面解决EMC干扰、解决散热问题、解决电路排布的问题，来实现一个比原来更强大的一个控制器，这就是高端的一个体现。

       5.经验传承和专业品质

       高端控制器不是说某一天突然冒出来一个产品就可以实现高端控制器，它和民用设备不一样，可以说我原来做显示器、做电脑的，突然冒出来我做个手机，它很快就成为行业的核心玩家了。但是工业控制领域不具备这个条件，因为手机坏一下、出一下问题不会影响大事，用户对于稳定运行的关注度不像工业设备，现场控制如果停一下、出一点问题，那就是大事了，所以传承特别重要。

       为什么这么多的PLC厂商里头，只有这么寥寥可数的几家可以提供高端控制器，不是所有人都能做，就是因为经验的传承。你没有经验，突然进来了，就像搞软件似的突然找几个高手过来编编就行，不是那么回事，里头涉及到所有的芯片、所有的布局、EMC抗干扰，各方面都是经验的一个总结，通过多少年不断的积累，不断优化，再优化做出来的。

       另外一个是专业，为什么要有专业品质呢？现在能够做出来控制器的人特别多，尤其是利用PC-base这些芯片做的话，都是现成的芯片和操作系统。而现在的PLC行业，它的标准，不管编程的标准还是系统架构等都有标准可遵循的。在有可遵循的情况下，做一个模出来的东西是很容易的，但模出来的东西，它的专业度就很重要了，没有经验积累，没有这些专业的领域知识，很难做出来一个很专业的东西，这也是好多厂家只能做低端控制器。越往高端的越难，就是这个原因，很多公司做了这么多年了，想往高端冲，但一直冲不上来，就是这个问题