Opto 22 PAC 控制器在石灰豎窯控制系統中的應用
摘要：
通過本文簡要介紹了美國OPTO22公司的SNAP-PAC-S1控制器在石灰豎窯自動控制系統中的應用。介紹了本控制系統的設備選型、SNAP-PAC-S1控制器的硬件組態、軟件編程。
引言：
隨著舞陽鋼鐵公司新的100萬噸生產線的建設，作為新生產線煉鋼部分的配套工程，在原來兩座石灰豎窯的基礎上，新建兩座單窯生產能力150T/D的石灰豎窯。石灰是煉鐵、煉鋼生產中必不可少的原料之一。石灰品質的好壞直接影響著鋼鐵的質量，因此，采用先進的自動控制系統，對于提高煉鐵煉鋼的產量和質量，有十分重要的意義。
一、 自控系統設計要求：
石灰窯生產的原料主要是石子（石灰石），成品是生石灰。在豎窯的加料口加入石灰石，經過煤氣燃燒，煅燒成生石灰，輸出到成品料倉。控制系統主要包括石灰石篩選、上料系統，煅燒系統，冷卻空氣循環系統，助燃空氣循環系統，廢氣除塵循環系統，成品出窯、運輸系統以及配套的煤氣加壓泵站、液壓站。新建石灰窯工藝設計先進，自動化程度高，所有設備具備機旁手動、半自動、全自動三種控制模式，并具備設備故障診斷報警功能。
根據用戶和工藝設計的要求，石灰窯的控制系統分為三級監控系統。分別為車間生產管理級、窯前生產操作級 、現場控制級。
1、 車間生產管理級
面向生產管理人員，使用微軟的SQL 2000作為數據服務器，對生產中的各種數據進行存儲、管理、產生各種生產報表。
2、 窯前生產操作級
面向生產操作人員，由兩套工業控制計算機作為HMI,在HMI的監控畫面上顯示各種設備的工況參數，并通過HMI來對生產過程進行控制調節。根據生產情況可選擇半自動、全自動工作模式。當生產中出現異常時，在HMI上顯示報警信息。正常情況下，兩臺HMI分別監控兩座豎窯的情況，在一個HMI出現問題時，可互為冗余，確保生產的正常進行。
3、現場控制級
面向生產過程，由過程控制器以及現場智能I/O處理器、各種模板構成，為基礎測控級。完成生產現場大量壓力、溫度、流量的采集和處理，對生產過程進行控制。自動控制系統通過對由振動給料篩、板鏈式提升機、電子秤量斗、單斗提升機，拖板出料機、卸料閘板、振動給料機構成的豎窯篩選、加料、卸料系統的自動控制，實現原料的篩選、加料、卸料的自動化。在出料過程中為保證石灰豎窯的密閉型，必須確保上下卸料閘板只有一個同時處于開啟狀態。煤氣加壓機、助燃風機、冷卻風機是變頻器控制下的羅茨風機，通過對煤氣壓力、助燃空氣壓力、冷卻空氣壓力的PID調節，達到恒壓控制的要求。控制系統不間斷的對煤氣壓力進行監視，當出現煤氣壓力過低，危及到生產的安全進行時，立即自動切斷煤氣截止閥。按照工藝要求窯頂廢氣壓力必須控制在-0.2Kpa到+0.2Kpa的允許范圍內，控制系統通過對引風機入口閥開口度的PID調節，達到設計要求。控制系統還包括除塵、液壓站、帶式輸送機、刮板機、以及各種電動閥門的控制。
二、系統硬件選型及特點
為了滿足以上的設計要求，在本項目中我們選擇了美國OPTO22公司推出的基于以態網的過程自動化控制器SNAP-PAC-S1。
SNAP-PAC-S1過程控制器CPU為主頻266MHz、32位、帶浮點協處理器，內存為32M的RAM、8M電池后備RAM、16M的Flash EEPROM,提供強大的處理能力和運算功能。PAC控制器可以同時運行32個任務，現場智能I/O單元完成PID功能，適應實時工業控制、遠程監控、數據采集的要求。能夠處理多種自動控制任務，包括開關量、模擬量、串行數據處理、PID調節。PAC控制器有支持多種通訊協議，帶有2個RS-232接口、1個RS-485接口。
PAC-S1控制器帶有兩個獨立的10/100M自適應Ethernet網絡接口，通過軟件配置及可以實現控制器、智能I/O處理器的冗余，也可以通過網絡分段的辦法把控制網絡和生產管理網絡可靠隔離。
由于本項目使用的開關量I/O點比較多，開關量選擇的是32通道輸入模塊SNAP-IDC32和32通道輸出模塊SNAP-ODC32，以及配套的信號轉接板SNAP-IDC-HDB和SANP-ODC-HDB。根據工藝的需要智能I/O處理器選擇了帶PID調節的SNAP-B3000-ENET。
本系統選用的硬件產品及系統網絡配置圖如下所示：
控制系統共有輸入、輸出信號近800點，其中包括開關量輸入/輸出信號、4-20mA輸入/輸出信號熱電偶、熱電阻信號。
1.控制器 SNAP PAC-S1 1塊
2.智能I/O處理器 SNAP B3000-ENET 2塊
SNAP ENET-S64 4塊
3.底板 SNAP B16M 2塊
SNAP M64 4塊
4.開關量模塊 SNAP IDC32 14塊
SNAP ODC32 6塊
5.熱電偶模塊 SNAP AITM 11塊
SNAP AITM-2 9塊
6.模擬量輸入 SNAP AIMA-4 11塊
7.模擬量輸出 SNAP AOA-23 6塊
8.熱電阻模塊 SNAP AIRTD 20塊
三、軟件開發及系統功能
本項目使用得工業組態軟件是OPTO22公司的SNAP PAC控制器軟件開發包ioProject Professional。ioProject Proessional是一套功能齊全的控制器和HMI開發軟件包，快速、高效的OPC SERVER和硬件配置診斷工具包，使用該軟件包可以完成控制項目的全部功能。其中包括控制策略開發軟件ioControl,HMI開發軟件ioDisply，硬件配置診斷軟件，同時提供的OPC Server為第三方軟件提供數據接口。
1、ioControl是OPTO22的可視化編程、調試工具，是一種基于流程圖的語言，它使開發控制程序變得容易而且直觀。同時還提供完整、強大的命令集以及OptoScript編程語言用于復雜的工業控制應用。使用ioControl用戶很方便對硬件進行組態、編程、下載、在線跟蹤調試。
在本系統中不僅要對豎窯生產過程中的各種工況監視，還要對各種設備進行控制。這里對主要的加料出料系統的工藝及控制流程圖加以說明。
豎窯加料設備和工藝
豎窯的上料設備包括原料振動給料篩、電子稱量斗及控制箱、單斗提升機。原料通過給料篩---〉電子稱量斗---〉單斗提升機---〉豎窯的工藝流程，完成石灰豎窯原料的篩選、稱量、加料過程。
在生產過程中，當系統通過窯頂料位計監測到窯頂料位低于設定值時，通過控制振動給料篩把合適的原料加入電子稱量斗，在加料過程中通過電子稱量斗控制箱上的稱重二次儀表對加料量進行監測。當加料量預計達到窯頂料位設定值時停止加料。具體的窯頂料位設定值、一次最大加料量可根據實際情況在一定的范圍內進行調節。由于提升機料斗的容 ，一次加料量不能超過1.5噸。
豎窯卸料設備和工藝
豎窯系統的出料設備主要包括托盤式出料機、上部卸料閘板、下部卸料閘板、振動卸料機。因為上部儲料斗的容量為1.5噸，決定了每次單板出灰機出料量不能超過1.5噸。為了保證上部、下部出料閘板的可靠動作，每次出料保證1 噸左右。在托盤速度一定的情況下，每次換向出料70公斤左右。根據上面的數據以每座豎窯每天產量150噸，每小時出6噸白灰計算，每10 分鐘出1噸料比較合適。出料的時間和頻率可根據產量進行適當的調整。由于本出料系統的特點，在出料過 程中嚴禁上部、下部卸料閘板同時開啟。通過上、下閘板的連鎖動作，確保豎窯內部和豎窯外部的隔離。
當系統需要出料時出料系統動作順序如下：
托盤出料機換向14次左右出料1噸到上部儲料斗。
首先確認托盤出料機已停，然后關閉下部卸料閘板。
確認下部卸料閘板已正常關閉到位后，開啟上部卸料閘板。
確認上部卸料閘板已正常開啟到位后延時20秒，保證上部儲料斗的石灰全部倒入下部儲料斗。
關閉上部卸料閘板
確認上部卸料閘板關閉到位后，開啟下部卸料閘板，同時打開振動卸料機，通過帶式輸送機把成品送入后部料倉。
2、ioDisplay是OPTO22在Windows操作系統下的人機接口、報警、趨勢軟件開發工具，與Opto22運行在SNAP系列控制器上的ioControl控制策略共同工作。讓你很容易的創建圖形化操作界面，去監視、操作、管理運行在Opto22工業控制器上的應用程序。能夠及時顯示控制器上的實時信息，通過設置報警點去監視關鍵量的變化，使用趨勢圖來反應相應量的變化趨勢。ioDisplay共享ioControl的變量數據庫，在ioControl定義的內部、外部變量可以直接使用。可以根據不同的用戶設定不同的權限，可以很方便進行管理。
在本項目的 HMI中包括如下的功能：
豎窯加料出料監控畫面
豎窯煅燒監控畫面
豎窯除塵系統監控畫面
原料、成品輸送監控畫面
報警、趨勢圖畫面
四、總結
通過SNAP PAC控制器在石灰窯自動控制系統應用，加深了對PAC系統的理解。提高了生產的自動化水平，在減輕勞動強度的基礎上，大大提高了生產效率。
通過本文簡要介紹了美國OPTO22公司的SNAP-PAC-S1控制器在石灰豎窯自動控制系統中的應用。介紹了本控制系統的設備選型、SNAP-PAC-S1控制器的硬件組態、軟件編程。
引言：
隨著舞陽鋼鐵公司新的100萬噸生產線的建設，作為新生產線煉鋼部分的配套工程，在原來兩座石灰豎窯的基礎上，新建兩座單窯生產能力150T/D的石灰豎窯。石灰是煉鐵、煉鋼生產中必不可少的原料之一。石灰品質的好壞直接影響著鋼鐵的質量，因此，采用先進的自動控制系統，對于提高煉鐵煉鋼的產量和質量，有十分重要的意義。
一、 自控系統設計要求：
石灰窯生產的原料主要是石子（石灰石），成品是生石灰。在豎窯的加料口加入石灰石，經過煤氣燃燒，煅燒成生石灰，輸出到成品料倉。控制系統主要包括石灰石篩選、上料系統，煅燒系統，冷卻空氣循環系統，助燃空氣循環系統，廢氣除塵循環系統，成品出窯、運輸系統以及配套的煤氣加壓泵站、液壓站。新建石灰窯工藝設計先進，自動化程度高，所有設備具備機旁手動、半自動、全自動三種控制模式，并具備設備故障診斷報警功能。
根據用戶和工藝設計的要求，石灰窯的控制系統分為三級監控系統。分別為車間生產管理級、窯前生產操作級 、現場控制級。
1、 車間生產管理級
面向生產管理人員，使用微軟的SQL 2000作為數據服務器，對生產中的各種數據進行存儲、管理、產生各種生產報表。
2、 窯前生產操作級
面向生產操作人員，由兩套工業控制計算機作為HMI,在HMI的監控畫面上顯示各種設備的工況參數，并通過HMI來對生產過程進行控制調節。根據生產情況可選擇半自動、全自動工作模式。當生產中出現異常時，在HMI上顯示報警信息。正常情況下，兩臺HMI分別監控兩座豎窯的情況，在一個HMI出現問題時，可互為冗余，確保生產的正常進行。
3、現場控制級
面向生產過程，由過程控制器以及現場智能I/O處理器、各種模板構成，為基礎測控級。完成生產現場大量壓力、溫度、流量的采集和處理，對生產過程進行控制。自動控制系統通過對由振動給料篩、板鏈式提升機、電子秤量斗、單斗提升機，拖板出料機、卸料閘板、振動給料機構成的豎窯篩選、加料、卸料系統的自動控制，實現原料的篩選、加料、卸料的自動化。在出料過程中為保證石灰豎窯的密閉型，必須確保上下卸料閘板只有一個同時處于開啟狀態。煤氣加壓機、助燃風機、冷卻風機是變頻器控制下的羅茨風機，通過對煤氣壓力、助燃空氣壓力、冷卻空氣壓力的PID調節，達到恒壓控制的要求。控制系統不間斷的對煤氣壓力進行監視，當出現煤氣壓力過低，危及到生產的安全進行時，立即自動切斷煤氣截止閥。按照工藝要求窯頂廢氣壓力必須控制在-0.2Kpa到+0.2Kpa的允許范圍內，控制系統通過對引風機入口閥開口度的PID調節，達到設計要求。控制系統還包括除塵、液壓站、帶式輸送機、刮板機、以及各種電動閥門的控制。
二、系統硬件選型及特點
為了滿足以上的設計要求，在本項目中我們選擇了美國OPTO22公司推出的基于以態網的過程自動化控制器SNAP-PAC-S1。
SNAP-PAC-S1過程控制器CPU為主頻266MHz、32位、帶浮點協處理器，內存為32M的RAM、8M電池后備RAM、16M的Flash EEPROM,提供強大的處理能力和運算功能。PAC控制器可以同時運行32個任務，現場智能I/O單元完成PID功能，適應實時工業控制、遠程監控、數據采集的要求。能夠處理多種自動控制任務，包括開關量、模擬量、串行數據處理、PID調節。PAC控制器有支持多種通訊協議，帶有2個RS-232接口、1個RS-485接口。
PAC-S1控制器帶有兩個獨立的10/100M自適應Ethernet網絡接口，通過軟件配置及可以實現控制器、智能I/O處理器的冗余，也可以通過網絡分段的辦法把控制網絡和生產管理網絡可靠隔離。
由于本項目使用的開關量I/O點比較多，開關量選擇的是32通道輸入模塊SNAP-IDC32和32通道輸出模塊SNAP-ODC32，以及配套的信號轉接板SNAP-IDC-HDB和SANP-ODC-HDB。根據工藝的需要智能I/O處理器選擇了帶PID調節的SNAP-B3000-ENET。
本系統選用的硬件產品及系統網絡配置圖如下所示：
控制系統共有輸入、輸出信號近800點，其中包括開關量輸入/輸出信號、4-20mA輸入/輸出信號熱電偶、熱電阻信號。
1.控制器 SNAP PAC-S1 1塊
2.智能I/O處理器 SNAP B3000-ENET 2塊
SNAP ENET-S64 4塊
3.底板 SNAP B16M 2塊
SNAP M64 4塊
4.開關量模塊 SNAP IDC32 14塊
SNAP ODC32 6塊
5.熱電偶模塊 SNAP AITM 11塊
SNAP AITM-2 9塊
6.模擬量輸入 SNAP AIMA-4 11塊
7.模擬量輸出 SNAP AOA-23 6塊
8.熱電阻模塊 SNAP AIRTD 20塊
三、軟件開發及系統功能
本項目使用得工業組態軟件是OPTO22公司的SNAP PAC控制器軟件開發包ioProject Professional。ioProject Proessional是一套功能齊全的控制器和HMI開發軟件包，快速、高效的OPC SERVER和硬件配置診斷工具包，使用該軟件包可以完成控制項目的全部功能。其中包括控制策略開發軟件ioControl,HMI開發軟件ioDisply，硬件配置診斷軟件，同時提供的OPC Server為第三方軟件提供數據接口。
1、ioControl是OPTO22的可視化編程、調試工具，是一種基于流程圖的語言，它使開發控制程序變得容易而且直觀。同時還提供完整、強大的命令集以及OptoScript編程語言用于復雜的工業控制應用。使用ioControl用戶很方便對硬件進行組態、編程、下載、在線跟蹤調試。
在本系統中不僅要對豎窯生產過程中的各種工況監視，還要對各種設備進行控制。這里對主要的加料出料系統的工藝及控制流程圖加以說明。
豎窯加料設備和工藝
豎窯的上料設備包括原料振動給料篩、電子稱量斗及控制箱、單斗提升機。原料通過給料篩---〉電子稱量斗---〉單斗提升機---〉豎窯的工藝流程，完成石灰豎窯原料的篩選、稱量、加料過程。
在生產過程中，當系統通過窯頂料位計監測到窯頂料位低于設定值時，通過控制振動給料篩把合適的原料加入電子稱量斗，在加料過程中通過電子稱量斗控制箱上的稱重二次儀表對加料量進行監測。當加料量預計達到窯頂料位設定值時停止加料。具體的窯頂料位設定值、一次最大加料量可根據實際情況在一定的范圍內進行調節。由于提升機料斗的容 ，一次加料量不能超過1.5噸。
豎窯卸料設備和工藝
豎窯系統的出料設備主要包括托盤式出料機、上部卸料閘板、下部卸料閘板、振動卸料機。因為上部儲料斗的容量為1.5噸，決定了每次單板出灰機出料量不能超過1.5噸。為了保證上部、下部出料閘板的可靠動作，每次出料保證1 噸左右。在托盤速度一定的情況下，每次換向出料70公斤左右。根據上面的數據以每座豎窯每天產量150噸，每小時出6噸白灰計算，每10 分鐘出1噸料比較合適。出料的時間和頻率可根據產量進行適當的調整。由于本出料系統的特點，在出料過 程中嚴禁上部、下部卸料閘板同時開啟。通過上、下閘板的連鎖動作，確保豎窯內部和豎窯外部的隔離。
當系統需要出料時出料系統動作順序如下：
托盤出料機換向14次左右出料1噸到上部儲料斗。
首先確認托盤出料機已停，然后關閉下部卸料閘板。
確認下部卸料閘板已正常關閉到位后，開啟上部卸料閘板。
確認上部卸料閘板已正常開啟到位后延時20秒，保證上部儲料斗的石灰全部倒入下部儲料斗。
關閉上部卸料閘板
確認上部卸料閘板關閉到位后，開啟下部卸料閘板，同時打開振動卸料機，通過帶式輸送機把成品送入后部料倉。
2、ioDisplay是OPTO22在Windows操作系統下的人機接口、報警、趨勢軟件開發工具，與Opto22運行在SNAP系列控制器上的ioControl控制策略共同工作。讓你很容易的創建圖形化操作界面，去監視、操作、管理運行在Opto22工業控制器上的應用程序。能夠及時顯示控制器上的實時信息，通過設置報警點去監視關鍵量的變化，使用趨勢圖來反應相應量的變化趨勢。ioDisplay共享ioControl的變量數據庫，在ioControl定義的內部、外部變量可以直接使用。可以根據不同的用戶設定不同的權限，可以很方便進行管理。
在本項目的 HMI中包括如下的功能：
豎窯加料出料監控畫面
豎窯煅燒監控畫面
豎窯除塵系統監控畫面
原料、成品輸送監控畫面
報警、趨勢圖畫面
四、總結
通過SNAP PAC控制器在石灰窯自動控制系統應用，加深了對PAC系統的理解。提高了生產的自動化水平，在減輕勞動強度的基礎上，大大提高了生產效率。
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