周宪洛
中天钢铁集团有限公司，江苏 常州213100
摘要：本论文介绍了西门子S7-400系列PLC和上位机组态软件WinCC在步进式加热炉控制上的应用。介绍了步进式加热炉控制系统的硬件设计，画面设计以及程序设计。旨在利用西门子S7-400系列PLC和上位机组态软件WinCC功能性强，性价比高，可靠性好，故障率低的特点实现步进式加热炉的控制功能，以满足生产工艺对步进式加热炉的控制要求。
关键词：加热炉；PLC； WinCC
1、概述
步进式加热炉是冶金企业轧钢棒材生产中的关键性设备。其主要功能是对冷装钢坯进行均匀加热，使其温度能够满足棒线材的生产工艺要求。在加热的同时依靠步进机构，按照一定的运动轨迹，将钢坯一步一步地向轧线输送。其控制水平直接影响到生产过程的可靠性，安全性以及产品质量。步进式加热炉与推钢式加热炉相比具有不拱钢、不粘钢、氧化烧损小、加热时间短、加热操作灵活、加热过程中不划伤、自动化程度高等优点。步进式加热炉的设备主要有：
一、主要热工设备
1、蓄热式烧嘴
加热炉分为4个加热段炉温控制。均热段、加热一段和加热二段采用蓄热式烧嘴分段分侧集中换向供热，空煤气双蓄热。空、煤气烧嘴在加热炉两侧对称布置。 预热段均采用蓄热式烧嘴分段分侧分散换向供热，空煤气双蓄热。空、煤气烧嘴分上下两组，每组配对燃烧，烧嘴炉两侧对称布置。
2、换向阀
均热段、加热一段和加热二段的两侧各采用一套煤气/烟气大型二位三通换向阀和一套空气/烟气大型两位三通换向阀。实现分段分侧集中自动换向，各段换向控制完全相同且各自独立。预热段采用小型两位三通阀实现分段分侧分散换向控制。同一段内的换向控制完全相同且各自独立。
二、 主要机械设备
（1）步进梁
步进梁为双层框架结构，下层为提升框架，上层为平移框架。提升框架由两台液压缸驱动，平移框架用一台液压缸驱动。步进梁停位在后低位。平移框架和提升框架分别设置若干套滚轮导板式防跑偏装置，约束其轨迹，防止出现纵向、横向跑偏。
（2）液压站
步进梁、推钢机的液压驱动系统共用同一个液压站。液压站设在加热炉侧车间地坪上，站内装有驱动和控制步进炉机械运动的油泵、油箱和控制系统。
2、PLC控制系统设计
2.1 STEP7与硬件设计
一、硬件选型
电控主站所需硬件为：
电源模块： PS 407 10A（6ES7 407-0KA02-0AA0）1块
CPU 模块： CPU 416-2DP（6ES7 416-2XN05-0AB0）1块
以太网通讯模块： CP 443-1（6GK7 443-1EX20-OXE0）1块
DP网通讯模块：CP 443-5 Ext（6GK7 443-5DX04-OXE0）1块
电控从站所需硬件为：
接口模块： IM153-1(6ES7 153-1AAO3-OKB0) 5块
数字量输入模块：SM 331（6ES7 321-1BL00-0AA0）11块
数字量输出模块：SM 331（6ES7 322-1BL00-0AA0）7块
模拟量输入模块：SM 331（6ES7 331-7KF02-0AB0）1块
模拟量输出模块：SM 332（6ES7 332-5HD01-0AB0）1块
仪控主站所需硬件为：
电源模块： PS 407 10A（6ES7 407-0KA02-0AA0）1块
CPU 模块： CPU 416-2DP（6ES7 416-2XN05-0AB0）1块
以太网通讯模块： CP 443-1（6GK7 443-1EX20-OXE0）1块
仪控从站所需硬件为：
接口模块： IM153-1(6ES7 153-1AAO3-OKB0) 4块
模拟量输入模块：SM 331（6ES7 331-7KF02-0AB0）16块
模拟量输入模块：SM 331（6ES7 331-7PF01-0AB0）16块
模拟量输出模块：SM 332（6ES7 332-5HF00-0AB0）4块
二、 硬件配置
在STEP7 中打开名称为“加热炉”的工程项目，在项目文件中分别插入二个SIMATIC 400 Station。完成后点击 Hardware，进入硬件组态界面，在打开的界面中根据前面的硬件选型，分别插入主机架并分别加入电源模块、 CPU 模块、 CP 模块，并将CPU416-2DP连接到新建的 Profibus-DP 网络中，Profibus-DP中分别添加接口模块，按照设计将站地址以及站内 I/O 模块全部配置好并设置好其地址，在STEP7中组态后的主机架配置如图1所示。
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图1 电控主机架硬件配置
2.2 部分程序介绍
一、坯料定位程序如图2所示。
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图2坯料定位程序1
该程序控制步进式加热炉坯料定位的原理是加热炉准备好，出料自动信号来1时，按下要钢按钮，2号台要钢信号闪点来1，启动入炉辊道和装料悬臂辊道同时高速转动将停在入炉辊道上的坯料向炉内输送。当钢坯尾部离开F3冷检后辊道减速，同时装料悬臂辊电机上的定位编码器开始计数，触发行走函数程序，就算钢坯行走距离，当定位编码器实际读数等于预设读数时，程序认为坯料装料到位，装料悬臂辊道停止，启动推钢机，将坯料送到步进梁，推钢机前进到位后延时3秒后退，装料悬臂辊道低速空转，等待第二次装钢。
二、炉温控制程序
炉温控制将高炉煤气和空气两种燃料送至炉膛燃烧，分均热段、加热一段、加热二段、预热段控制，炉温控制对每个加热段的煤气回路、煤烟回路、空气回路、空烟回路进行控制即通过温度、压力等的实时反馈适时对调节阀，鼓风机阀门定位器等进行调节来达到加热目的。主要通过上位机手动调节各段的煤气/空气调节阀来控制各段煤气/空气流量以及调整空气鼓风机阀门的开度达到控制炉温的目的。反馈温度低了，开度增加；反馈温度高了，开度减小。每个炉温段设有热电偶，在线检测炉温，每段有三个温度测量点，炉顶一点，下部两侧炉墙各一点，各段均以炉顶一点的温度作为控制信号，其它的测点温度作参考比较并显示。以均热段为例，介绍炉温控制程序原理。
均热段空气支管流量调节阀阀位控制程序如图3所示。
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图3 均热段空气支管流量调节阀阀位控制
空气调节阀开度控制调用标准功能FC106。FC106功能接收一个以工程单位表示、且标定于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之间的实型输入值(IN)，并将其转换为一个整型值。将结果写入OUT。如果输入值超出LO_LIM和HI_LIM范围，输出(OUT)将钳位于距其类型(BIPOLAR或UNIPOLAR)的指定范围的下限或上限较近的一方，并返回一个错误。该程序用来控制调节阀开度。
3、WinCC控制系统设计
3.1 WinCC概述
WinCC是SIEMENS公司与Microsoft公司合作开发的、开放的过程可视化系统。是在PC基础上的操作员监控系统软件。WinCC的显著特性就是全面开放，很容易将标准的用户程序结合起来，建立人机界面，精确地满足生产实际要求。通过系统集成，可将WinCC作为其系统扩展的基础，通过开放接口开发自己的应用软件。无论是简单的工业应用，还是复杂的多客户应用领域都可以应用WinCC系统。
WinCC与PLC之间的通信是通过过程总线实现的。与WinCC进行工业通信也就是通过变量和过程值交换信息。为了采集过程值。WinCC通信驱动程序向PLC发送请求报文。而PLC则在相应的响应报文中将所请求的过程值发送回WinCC。
3.2 WinCC与S7-400 PLC的通信
一、添加通信驱动程序
添加驱动程序为WinCC提供了一个称为SIMATIC S7 Protocol Suite的通讯驱动程序。通过它通道单元与S7-400 PLC进行通讯。
在 WinCC 项目管理器的浏览窗口中，右击“变量管理”。
从快捷菜单中选择“添加新的驱动程序”菜单项，打开“添加新的驱动程序”对话框，选择SIMATIC S7 Protocol Suite.chn。如图4所示。
单击“打开”按钮，将此驱动程序添加到所组态的WinCC项目中。
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图4 添加新的驱动程序
二、 WinCC中TCP/IP的连接
通道单元“TCP/IP”用于通过以太网将WinCC连接到S7自动化系统。组态步骤如下：
在通道单元 TCP/IP（以太网）的快捷菜单中选择“添加新的驱动程序”菜单项，
打开“连接属性”对话框，输入连接名称。
单击“属性”按钮，打开“连接参数—TCP/IP”对话框。在“IP 地址”文本框中按格式输入所要连接的PLC上的通讯处理器地址应与 PLC中的IP地址对应。
3.3 画面设计
一、画面设计
画面是连接机器和操作人员的纽带，是操作人员设置参数、监控诊断的终端，步进梁式加热炉燃烧控制画面如图5所示。
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图5 控制画面
二、 功能编辑
1、煤气调节阀开度由输入输出域中的数值大小控制。
（1）在资源管理器界面中，新建一个外部变量，单击“新建变量”命令，弹出“变量属性对话框”，设置名称为煤气调节阀，数据类型为无符号16位数；变量地址为DB20.DBD40。
（2）向图形编辑器中拖入“输入/输出域”，双击弹出“对象属性”对话框。选中 “输入/输出”选项，再选中“输出值”，然后选中右侧的灯泡图标并用鼠标右键单击，弹出快捷菜单，单击“变量”命令，之后选中变量“DB20.DBD40”，使“输入/输出域”与变量“DB20.DBD40”关联。
2、烟温趋势变量记录。
（1）右击左上角浏览窗口的“归档”并在下拉菜单中选择“归档向导”→“下一步”→在“归档名称”栏中填写该归档名称，在“归档类型”栏中选择“过程值归档”，单击“下一步”→单击“选择”按钮选择变量，最后单击“完成”按钮。
（2）表格窗口中右击变量并在下拉菜单中选择“属性”，在“过程变量属性”的“归档变量”标签页，“归档变量名称”栏显示该变量的名称。在“周期”栏中，“采集”栏设置多长时间采集一次变量，“归档/显示”栏设置多长时间归档一次。
（3）在“过程变量属性”的“参数”标签页 “处理”栏中设置是显示真实值、总和、最大值、平均值还是最小值。
（4）打开图形编辑器，将“对象选项板”的“控件”板中“WinCC Online Trend Control”控件放到界面上并拖至合适尺寸，双击控件弹出“WinCC Online Trend/Table Control属性”对话框。
（5）“WinCC Online Trend Control属性”对话框的“趋势”标签页设置曲线所连接的变量、曲线颜色等。“常规”标签页设置是否显示标题，是否具有公共的X轴、Y轴。 “时间轴”标签页设置时间轴的时间显示的格式及显示的时间范围。对话框的“数值轴”标签页设置数值轴的范围及标度。
4、结论
步进式加热炉自2013年1月投产以来运行稳定正常，加热热效率高，加热时间短，黑印少，能耗低。系统性价比高，可靠性好，故障率低为公司创造了良好的经济效益。
参考文献
（1） 主编：廖常初，《S7-300/400PLC应用技术》，机械工业出版社,2017第四版。
（2）主编：姜建芳，《西门子S7-300/400PLC工程应用技术》，机械工业出版社,2012第一版。