基于TIA 博途和SIMATIC HMI 面板的转动炉体控制装置的工程实践

张 鹏, 郑圣聚

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

设备及自动化

基于TIA 博途和SIMATIC HMI 面板的转动炉体控制装置的工程实践

张 鹏, 郑圣聚

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

介绍了西门子公司TIA博途和SIMATIC HMI面板的主要特点，详细阐述了基于TIA系统平台和SIMATIC HMI面板开发的转动炉体控制装置。该控制装置应用于国内某铜冶炼厂工程实践中，取得了良好的效果。

TIA博途； SIMATIC HMI； 转动炉体

全球化竞争日益激烈，充分发掘机器或工厂整个生命周期中的所有优化潜力迫在眉睫。流程优化，不仅可以显著提高产品质量，还可以降低总拥有成本并大幅缩短产品的开发周期。SIMATIC HMI面板和TIA博途的结合就可以解决上述问题，并为项目提供全周期内的全方位支持。

1 铜冶炼领域转动炉体操作现状

冶金炉是铜冶炼工艺中的核心装备，国内外大中型铜冶炼厂广泛采用。在铜精矿熔炼、吹炼、精炼浇铸成铜阳极板的过程中，用到的冶金炉包括底吹炉、P-S转炉、精炼炉等。这些冶金炉体积大、重量大、可靠性要求高，要有一套完善的转动炉体电控设施与之相配套。尤其是操作方式，既要遵循简单、易懂、直观、明了的原则，又不能忽视安全、可靠等因素[1]。

目前国内转动炉体多采用炉前控制箱或炉前控制箱与控制室操作台相结合的操作控制方式。控制箱和控制台主要由机械按钮、转换开关、指示灯、中间继电器、数字显示仪表、不锈钢外壳等组成，如图1所示。

图1 国内某冶炼厂转动炉体操作装置

该装置的优点是价格低廉，维护方便；缺点是操作繁琐，自动化程度差，兼容性不高，不易连接企业信息化网络等。在工业4.0大背景下，工厂的自动化程度大幅度提高，工人素质也随之提高，传统的操作方式亟待升级改造适应新的生产。

2 SIMATIC HMI面板和TIA博途的特点

2.1 SIMATIC HMI面板

(1)灵活的高分辨率显示屏：宽屏显示可增加高达40%的显示空间，完美显示各种复杂操作画面，而且操作与监控清晰明了。1 600万色高分辨率，可详尽显示所有操作过程，显著优化了面板显示清晰度。与此同时，170°的超宽视角，确保最优显示清晰度。

(2)创新的图形化界面和集成各种高端功能：创新的用户界面，极大提高了设备操作和监控直观性和易用性；可实现快速图像构建功能；具有归档、VB脚本运行、可浏览各种文档(如PDF或网页文件)等功能；实现了系统诊断与SIMATIC控制器的完美交互，可以直接通过面板读取相应的诊断信息。

(3)高效的能源管理：通过PROFlenergy标准协议，可统一断开冗余能源负载并快速检测能源消耗值。因而，可在短暂的停机时段，关断HMI面板显示屏，有效降低能源损耗。与此同时，通过PROFINET标准可快速将这些显示屏集成到现有的工厂结构中，有效实现投资保护。

(4)数据安全：具备断电保护功能，无需额外连接不间断电源。这一功能是由SIMATIC HMI存储卡中的以RDB格式保存的配方和归档数据实现的。

(5)集成各种接口，传输数据更为简单快捷：SIMATIC HMI面板可轻松集成到PROFINET和PROFIBUS网络中，并集成有USB接口。同时配备一个双端口以太网交换机接口和一个额外的PROFINET千兆以太网接口。无需使用专用电缆，标准电缆即可通过PROFINET/以太网或USB端口进行HMI项目下载。组态时，系统同步完成相应的设备设置，无需额外设置面板参数，极大简化了调试流程。

2.2 TIA博途

TIA博途采用新型、统一软件框架，可在同一开发环境中组态西门子的所有可编程控制器、人机界面和驱动装置。在控制器、驱动装置和人机界面之间建立通信时的共享任务，大大降低了连接和组态成本。例如，用户可方便地将变量从可编程控制器拖放到人机界面设备的画面中，然后在人机界面内即时分配变量，并在后台自动建立控制器与人机界面的连接，无需手动组态。TIA博途可用于组态所有SIMATIC HMI应用，并具备以下特点：

(1)实现最高组态效率：通过TIA博途，可直接在各种目标系统中使用独立于面板的组态数据，无需进行转换。而且操作界面可按照目标设备的功能特性进行自动调整。在TIA博途中，还可统一管理各种跨项目数据(报警类别，项目文本等)，并在不同的设备中使用。此外，TIA博途中的HMI组态助手与设备无关，可快速、简便地创建各种显示架构。

(2)图形化编辑器，快速高效完成图形组态：可通过拖放操作，生成互联的图形对象，如生成带有过程连接的I/O域；定义有现成的图形模板和功能；支持多达32层的层技术。

(3)面向对象的数据管理方式：搜索和更改功能方便易用；可直接在HMI变量中进行消息和归档组态，无需按照编辑器进行逐一修改；可通过交叉索引列表直接访问所有对象，如更改或选择对象。

(4)集成组态对象的库，支持测试和调试：可在库中归档所有组态对象，无需考虑是系统预定义还是用户自定义；可在面板上直接编译客户提供的简单图形对象或项目特定对象；通过块定义，可统一执行面板更改；可在工程PC上仿真HMI项目；可在相应的编辑器上直接标记组态不完整或错误信息；可根据编译程序的消息报警，查找故障原因[2]。

3 基于TIA博途和SIMATIC HMI面板的转动炉体控制装置的工程实践

采用TIA博途平台和SIMATIC HMI面板，开发出了一套转动炉体操作装置(见图2)，并应用于国内某新建15万t/a铜冶炼厂吹炼炉、精炼炉的控制现场。该操作装置可放置于炉前现场，也可放置于控制室，甚至远程控制中心。操作权限由主操作装置切换，既灵活多变，又安全可靠。

图2 转动炉体操作装置平面布置示意图

本工程实例SIMATIC HMI面板型号为TP1200，TIA博途平台版本号为V13。

3.1 TIA博途平台的安装

TIA博途平台建议通过光盘安装。安装前确认电脑配置硬件和软件是否满足系统要求，并在具有计算机管理员权限的状态下安装，同时不要在安装路径中使用或者包含任何UNICODE字符。

将安装光盘插入光盘驱动器，安装程序自动启动。打开选择产品组态的对话框，选择要安装的产品，建议选择以典型配置安装程序。

同意许可条款后，继续安装，确认阅读并接受所有许可协议，并单击“下一步”，确认安装开始。如果安装过程中未找到许可秘钥，则可以将其传送到PC中。如果跳过许可秘钥传送，稍后也可通过Automation License Manager进行注册。然后选择“是，立即重启计算机”，直至安装完成。

3.2 建立HMI工程

打开TIA博途软件，创建一个项目并打开。从右侧硬件选择对话框中，选择与实际设备相对应型号的HMI设备，添加到项目中，并按照图3所示的网络拓扑结构完成网络设置。

图3 转动炉体控制装置网络拓扑图

选择HMI设备，建立与PLC连接的变量表，在变量表里定义变量名称、数据类型、地址等属性。这些变量在HMI和PLC中均可以调用，如图4。

为HMI画面上的按钮、指示灯、联锁开关等对象编写PLC逻辑程序。编写时，直接选择之前建立的变量表里的变量，简单方便，不易出错。如图5所示。

图4 HMI变量表

图5 逻辑程序

在TIA博途中绘制控制画面，把画面对象和变量联系起来。调整画面布局和画面的设置，达到合适的效果。并且选取其中的一些重要变量，进行历史趋势记录、报警记录，以随时监测冶金炉传动系统的状态，如图6。

图6 趋势图

选用合适、可靠的安装方式固定SIMATIC HMI面板，运行程序，便可在触屏上进行操作。

3.3 实际应用

图7 工程现场安装图

如图7，该控制装置落地安装于控制室，对比图1的传统控制装置，具有以下优点：①界面显示内容更加丰富；②各项控制功能集成化程度更高；③大大降低了工人的劳动强度和操作频率，提高了生产效率；④操作简单易懂，容错率高，普通工人也较易上手；⑤自动化程度明显提升。

4 结语

针对国内铜冶炼工艺中转动炉体操作方式存在的问题，基于西门子公司SIMATIC HMI面板和TIA博途开发了转动炉体控制装置，并成功应用于国内某现代化铜冶炼厂，投运后获得了业主的肯定和认可。该套控制装置提高了转动炉体操作的自动化程度，优化了操作界面，通俗易懂，简单可靠，具有广阔的应用前景。

[1] 万爱东.合成炉工[M].北京：冶金工业出版社，2013:100-137.

[2] 崔坚.TIA博途软件[M]. 北京：机械工业出版社，2012:56-57.

青能所研发出无铅化锂电池

中科院青岛生物能源与过程研究所在国内率先研发成功绿色环保的无铅化锂电池，且每瓦时成本控制在0.5元，已具备产业化推广的条件。此前铅酸蓄电池的大量应用在于其显著的成本优势，每瓦时成本约0.5元。青能所研发的无铅化锂电池，运用低成本的阻燃纤维素隔膜、低成本碳负极、无氟环保硼酸锂盐等新的材料体系及提升的新技术工艺，已将每瓦时成本控制在0.5元，具备了等值替代铅酸蓄电池的产业化条件。而且锂电池能量和安全性能均超过铅酸蓄电池，铅酸蓄电池使用寿命约为3年，无铅化锂电池可达4至5年。全国每年生产低速电动车的电池约需300万t铅，如果能推广无铅化锂电池，对环保的意义不言而喻。

Engineering practice of control device based on TIA Portal and SIMATIC HMI for rotary furnace body

ZHANG Peng, ZHENG Sheng-ju

This paper introduces the main features of SIEMENS TIA (Portal) system and SIMATIC HMI panel, and expounds the process of how to realize the rotary furnace body control based on TIA system platform and SIMATIC HMI panel. The control device was applied to a copper smelter in China as an engineering practice, and achieved good practical results.

TIA (Portal); SIMATIC HMI; rotary furnace body

张鹏 (1987— )， 男， 山东济南人， 工程师， 硕士研究生， 主要从事有色金属冶炼领域电气设计、电气传动控制研究工作。

2017-- 01-- 09

TF355

B

1672-- 6103(2017)02-- 0038-- 04