西门子S7200PLC及组态王在无锡四方碳氧枪在上的应用
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摘 要 本文介绍了无锡四方电炉炉门碳氧枪的组成，并且详细介绍了碳氧枪各部分的构造、功能及相关参数，以及碳氧枪在电弧炉冶炼中的作用；同时对S7200PLC及组态王软件做了简单介绍，对S7200与组态王的通讯参数设置进行了详细介绍。
关 键 词 碳氧枪；组态王；PLC
中图分类号 TF74 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2013）89-0160-02
随着冶炼工艺及其技术的日益改善，现代电弧炉炼钢行业，为了提高冶炼效率，降低成本，电弧炉炼钢喷碳及吹氧已成为强化电炉冶炼的重要手段之一，同时碳粉和氧气的加入，可以充分利用炉内的化学能，进行第二次燃烧，减少能源消耗效果明显。炉门碳氧枪有自耗式碳氧枪和水冷式碳氧枪两种。自耗式碳氧枪的特点是：操作安全，喷吹角度大，可直接切割废钢。但是自耗式氧枪需要消耗大量的吹氧管，所以缺点是使用成本高，并且不能连续吹氧。水冷式碳氧枪与之相比的主要区别就是不用传统意义上的吹氧管，只需要定期检修枪体，能够节省60%～70%。水冷炉门碳氧枪具有氧枪和碳枪两大功能；机械系统由枪体系统、碳粉罐、液压站及压缩空气四大部分组成。
1 各部分功能
1.1 枪体部分
枪体的动作由大臂旋转、枪进退、枪头左右摆动、枪体升降等步骤组成，由液压站电磁阀控制油缸执行的；炉门枪装置上配置的氧枪，用于吹氧，在熔化期可辅助加热、熔化炉料，氧化期可脱碳精炼，在熔清后对钢水还可起到搅拌作用。炉门枪装置配置碳枪，用于喷吹碳粉，在钢液面形成大约30mm厚度的泡沫渣，用于埋弧炼钢。
1.1.1 大臂部分
大臂部分是碳氧枪枪体的承重支架机械臂，一端为带有旋转轴承的固定盘，另一端是可以转动的枪体安装座。大臂是用厚20mm钢板焊接成宽度为250mm的方管形状，内部附有不锈钢无缝管作为氧气管路，管径根据用氧量的工艺需求来确定（如1 200Nm3/h～2 000Nm3/h的流量需要φ50管径的不锈钢管）；以及2路φ50的冷却水管。机械臂可以从待用工位旋转展开使得枪头正对炉门，大臂旋开的最大角度为92°。机械臂的位置及高度可以调节，使得枪管能送入炉膛，实现工艺要求上的进枪以及大臂的上升、下降动作。在吹氧工作结束时，旋回大臂将水冷枪体退出炉膛，实现退枪操作，收回到待机工位时，水冷氧枪与机械臂重合。
1.1.2 枪体部分
枪体的动作有枪上、枪下、枪左枪右摆动。枪体的上下动作用于调节枪头与钢液的距离，在冶炼过程中枪头可以插入钢渣，以提高吹氧效果，但必须保证水冷枪头不接触到钢液，以免烧毁枪头，使得冷却水进入钢水发生危险。枪头上下的角度范围为8°～15°。枪头左右摆动，可以使吹氧更加均匀，并且可以对熔池里尚未完全熔化的块料强力切割，促使电弧难以熔化的大块料切成小块并熔化，加快废钢熔化速度；枪头左右的摆动也能够使得碳粉均匀地喷散到炉膛里。枪头左右摆动的范围为8°～12°。枪管内有氧气管路，枪前端焊接的是大约100mm长的紫铜作为枪头，枪头有2个下倾的氧气喷吹孔，倾斜度通常与中心轴线成45°，2孔间夹角为30°。中间为φ38孔径用于插入碳粉喷吹管。枪体及枪头内充满了冷却水用来保护枪体。吹氧口是拉瓦尔孔，这样使得氧气喷出枪孔的速度可以达到1.8马赫以上，这个速度的氧气能够顺利吹开钢渣，直透钢水。在枪管上装有一块水冷挡板，用来保护金属管路不被炉门喷出的火焰烧到。
1.2 碳粉罐部分
碳粉罐部分由料仓、碳粉压力罐及称重传感器三大部分组成。碳粉喷吹整个动作控制由加料、松动、下料、释压、充压、助吹、流化、喷粉组成。料仓是用来储存碳粉的，通常能存放2吨碳粉的容量。在料仓中可以根据冶炼工艺事先加入一定量的碳粉，在冶炼过程中就能够做到连续喷碳，加快冶炼速度。料仓下面有1个橡皮软连接和2组φ200的电动蝶阀，蝶阀的作用有2个：1）控制料仓向压力罐内加料；2）压力罐的密封性能须达到喷粉的工艺要求，所充压力必须能保持一段时间。软连接与2个蝶阀配合，能切断料仓与压力罐之间的直接联系，利于称重系统的准确称量。所喷吹的碳粉来自压力罐，充压后的压力罐内部压力通常能达到0.2MPa，喷粉过程中由于助吹的反充，压力可能会达到0.4MPa左右。压力罐出口是一套螺旋给料机，由1.5kW的变频器驱动0.75kW的三相螺旋给料电动机用于喷粉控制，在喷粉过程中可以根据工艺要求调节变频器频率来控制喷粉给料速度。通常喷碳速度为20kg/min～40kg/min。在喷粉开始时，助吹必须提前开启，用来清扫管路中的余留粉，结束喷碳后必须保持助吹确保管路中没有碳粉余留，以防堵料。称重系统由3个1吨的传感器及称重仪表组成，用来称量压力罐内所加的碳粉重量，现场操作人员能以此为依据确定所需要的碳粉，以及在喷碳过程中掌握所喷出碳粉是否已满足工艺需求。
1.3 压缩空气部分
加料、充压、喷粉、助吹等的控制动力由压缩空气提供来驱动电磁阀动作。压缩空气管路由减压阀、电磁阀、止回阀、手动球阀等设备组成；压缩空气总管压力必须在0.6MPa以上，控制球阀的压力0.4MPa以上。
1.4 液压站部分
液压站由液压泵、4组电磁换向阀、油箱组成，同时在氧枪上安装有4组油缸。液压站输出压力必须为4MPa以上，提供给碳氧枪操作动力。
2 电气控制部分
碳氧枪作为电弧炉炼钢的辅助设备，大多采用一套独立的控制系统，四方电炉的碳氧枪电气控制系统由西门子S7200系列PLC与北京亚控技术有限公司推出的人机界面软件“组态王”组成。西门子S7200是一款小型的可编程控制器，性能稳定可靠，指令丰富，易于扩展便于操作，并且通讯能力强，具有极高的性价比，适用于各种场合中的检测、监测及自动化控制。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行，还是联网控制都能实现。
组态王是国产应用自动控制软件，属于新型的工业自动控制系统，是以标准的工业计算机软硬件为平台构成的集成系统，取代了传统的封闭式系统，是一款面向中低端自动化市场及应用的软件，其功能强大、兼容性强、运行稳定且使用方便。组态王内部自带有s7200plc的通讯驱动程序，它们通讯属性设定画面如下。
2.1 PLC与编程电脑的通讯连接
在通讯电缆连好PLC与编程电脑后，需要设置PLC通讯协议、PPI地址以及工控机端口。
运行S7200编程软件MICRO/WIN，在“项目”栏里鼠标双击PLC CPU，弹出PLC类型对话框，可以选定实际应用的CPU类型及版本，鼠标点击“通讯”按钮，进入PLC通讯协议设定、CPU地址设定、以及波特率的设定，通讯协议在“设置PG/PC端口”里选择，同时可以设置PG/PC的端口及波特率，如端口为COM1及波特率为9600bps，PLC CPU地址为3。
也可以用自动的方式令系统读取PLC的类型及其通讯属性，在CPU类型对话框中，可以直接点击“读PLC”来自动修正实际选用的PLC类型；在进入通讯属性对话框后，可以双击右面的PC/PPI cable（ppi）下的“双击刷新”来自动读取PLC通讯属性的所有参数并确认保存。此时进入程序块，可以看到系统能监控PLC程序的运行进程。
PLC的通讯属性设置完毕，可以进行组态软件的通讯设置。
2.2 组态王与PLC通讯
包含组态王连接的通讯协议、PLC地址、端口设置画面。
运行组态王V6.02工程浏览器，选择新建的工程进入浏览器的项目，找到“设备”下的“COM1或COM2”，鼠标双击后出现“设置串口COM的通讯参数”，可以选择波特率、通讯数据的位数、停止位、几偶校验位及通讯方式，如上面PLC的波特率为9600 bps，数据位数为8位，1位停止位，偶校验，通讯方式为RS232通讯；
设置好组态王软件的通讯属性还要设置所连接设备的通讯属性；点击“COM”里的“新建”项，创建“新的IO设备”，点击进去出现“新建打开设备配置向导”对话框，找到下面所含的PLC类型，找到需要实际连接的PLC型号（这里为西门子S7200），接着选择PLC的通讯协议（这里为PPI）， 进入下一步可以设置通讯的串口号（如上面的COM1），及设备地址（如PLC地址为3）。
所有的通讯参数设置完成后，必须推出PLC与编程软件的连接，把端口的控制权给组态王使用，在组态软件的数据字典里，依据PLC程序设置好变量后，运行组态王工程VIEW工具，就可以看到PLC中相应的参数变化。
3 结论
炉门碳氧枪随着炼钢技术的发展，碳氧枪技术已非常成熟，在电炉冶炼中应用广泛，炉门碳氧枪的使用，降低了炼钢工人的劳动强度；喷碳的参与，做到全程泡沫渣冶炼，泡沫渣冶炼的条件改善，减少钢水的喷溅，提高电能利用率，降低噪音，能改善钢水质量；大量氧气的参与，改变了熔池内的化学平衡，使得熔池内CO含量增加，氧气与CO的再次燃烧，降低炉内氧化性气氛，能够大大降低电极和耐材消耗。炼钢技术及工艺的改善，钢铁企业能获得更大的利益。