滕 飛，李紅星，王繼文

TENG Fei1, LI Hong-xing2, WANG Ji-wen3

（1. 北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029；2. 北京聯(lián)合大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100101；3. 北京千侖科技有限公司，北京 100102）

S7_300PLC在水泥粉磨站控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

Application of S7_300 PLC in cement mill control system

滕 飛1，李紅星2，王繼文3

TENG Fei1, LI Hong-xing2, WANG Ji-wen3

（1. 北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029；2. 北京聯(lián)合大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100101；3. 北京千侖科技有限公司，北京 100102）

本文介紹了SIMATIC S7系列PLC在水泥粉磨站控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。從水泥粉磨的工藝流程，控制系統(tǒng)的硬軟件配置以及程序設(shè)計(jì)這幾個(gè)方面做介紹，并闡述了如何通過常規(guī)PID控制算法來實(shí)現(xiàn)粉磨站配料控制。該系統(tǒng)自運(yùn)行以來，各項(xiàng)功能正常，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

可編程邏輯控制器；STEP7；PID控制算法；水泥粉磨

0 引言

隨著水泥生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和連續(xù)性的提高，首先要求控制系統(tǒng)能夠進(jìn)行集中管理和操作，統(tǒng)一協(xié)調(diào)各個(gè)車間或部門的生產(chǎn)，確保整個(gè)生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，充分發(fā)揮大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢，又要求避免由于集中帶來的危險(xiǎn)。同時(shí)由于生產(chǎn)速度的加快，這就要求控制系統(tǒng)也能快速可靠地做出反應(yīng)，來適應(yīng)其速度要求。在這種環(huán)境下要充分發(fā)揮現(xiàn)代化生產(chǎn)的優(yōu)勢，獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益，必須采用先進(jìn)的控制裝置和策略。

近些年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)以及軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，在電氣控制領(lǐng)域，國內(nèi)外普遍采用可編程控制器（PLC）。由于其結(jié)構(gòu)緊密、堅(jiān)固、體積小巧，可以方便、靈活地組合成各種不同規(guī)模和要求的控制系統(tǒng)以適應(yīng)各種工業(yè)控制的需要，因此可以把它看作實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。本文將針對水泥粉磨站工程，采用以PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控管理一體化，使粉磨站不僅在生產(chǎn)上具有過程控制自動(dòng)化，更在管理上具有現(xiàn)代化水平。

1 水泥粉磨工藝介紹

水泥粉磨工藝流程如圖1所示[1]。

1.1 熟料破碎與入庫

熟料電振機(jī)啟動(dòng)后，熟料通過皮帶機(jī)進(jìn)入破碎機(jī)，破碎完成后經(jīng)過斗式提升機(jī)入熟料庫儲(chǔ)存。

圖1 水泥粉磨工藝流程

1.2 水泥粉磨

水泥粉磨的原料包括熟料、石灰石、助磨劑、石膏以及粉煤灰，分別儲(chǔ)存在不同的庫料倉中。每種原料庫的下部都裝有調(diào)速定量給料皮帶秤，可以通過開啟皮帶秤來選擇使用的原料種類。原料通過皮帶秤按配比給料，經(jīng)入磨皮帶機(jī)進(jìn)入水泥磨。

1.3 出磨入水泥庫

水泥粉磨好后出磨，經(jīng)出磨螺旋輸送機(jī)進(jìn)入斗式提升機(jī)，提升到水泥庫頂?shù)穆菪斔蜋C(jī)，之后卸入到水泥庫中。

1.4 水泥入包裝車間

水泥經(jīng)卸料器卸出后，通過水泥庫底的螺旋輸送機(jī)進(jìn)入斗式提升機(jī)，提升到水泥包裝車間，然后包裝并進(jìn)入成品庫。

2 控制系統(tǒng)組成及功能

水泥粉磨站控制系統(tǒng)的組成如圖2所示。中控室設(shè)置一個(gè)操作員站和一個(gè)工程師站，操作員站是工廠運(yùn)行人員與現(xiàn)場控制過程之間的一個(gè)窗口。操作員根據(jù)顯示的過程信息實(shí)施對工業(yè)過程的監(jiān)視和操作，以保證生產(chǎn)過程的安全經(jīng)濟(jì)性。工程師站是專門為工程師準(zhǔn)備的，是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組態(tài)、調(diào)試、監(jiān)視的工具。操作員站和工程師站通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通訊[2]。PLC在順序控制和邏輯控制方面具有明顯的優(yōu)勢,在模擬信號(hào)的處理上也具有很強(qiáng)的能力, 完全能夠滿足水泥粉磨站系統(tǒng)監(jiān)測和控制的要求。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.1 PLC的硬件配置

可編程控制器（PLC）實(shí)際是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，它的硬件結(jié)構(gòu)與一般微機(jī)控制系統(tǒng)相似，主要由中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出模塊、編程器和電源五大部分組成。近些年來發(fā)展成為應(yīng)用面極廣的工業(yè)控制裝置。它按照成熟而有效的繼電器設(shè)計(jì)思想，利用不斷發(fā)展的新技術(shù)、新電子器件，逐步成為具有特色的系列產(chǎn)品。本系統(tǒng)將采用SIEMENS公司生產(chǎn)的S7-300系列PLC，硬件配置為4組機(jī)架，用IM模塊相互連接。硬件的型號(hào)及數(shù)量如表1所示。

2.2 軟件組成

編程軟件采用SIEMENS公司的STEP7 V5.3，通過該軟件用戶可以進(jìn)行系統(tǒng)配置、程序的編寫和調(diào)試；在線診斷PLC硬件狀態(tài)；控制PLC和I/O通道的狀態(tài)等。該軟件有三種編程方式：梯形圖(LAD)、語句表（STL）和功能塊圖(FBD)，每種編程方式可自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在用戶程序中包含不同的程序塊，如組織塊(OB),功能塊(FB)，數(shù)據(jù)塊(DB)等，不同類型的程序塊實(shí)現(xiàn)的功能不同，圖3為本文編寫的普通電機(jī)控制功能塊。若選擇“線性程序設(shè)計(jì)”方法，則把所有程序放在組織塊OB1中即可。OB1是PLC操作系統(tǒng)與用戶程序間的接口，PLC周期性的調(diào)用此組織塊。若選擇“結(jié)構(gòu)式程序設(shè)計(jì)”方法，則通過組織塊OB1調(diào)用其他塊[3]。

表1 硬件配置（型號(hào)與數(shù)量）

圖3 普通電機(jī)控制梯形圖

監(jiān)控軟件采用SIEMENS公司的WinCC V6.0，它通過監(jiān)控模塊的組態(tài)能方便地生成靜態(tài)底圖并在底圖基礎(chǔ)上動(dòng)態(tài)顯示過程參數(shù)及狀態(tài),進(jìn)行人機(jī)對話，進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定、電機(jī)的啟動(dòng)停止和緊急停車等。同時(shí)還可為運(yùn)行控制進(jìn)行安全性組態(tài)，設(shè)置安全等級(jí)以允許相關(guān)人員進(jìn)入某些畫面。如果將WinCC與STEP7合用，更是大幅降低了工程的開發(fā)時(shí)間，因?yàn)樵赟TEP7中定義的變量可以在WinCC中直接使用[4]。其中水泥粉磨部分的監(jiān)控畫面如圖4所示。

圖4 水泥粉磨監(jiān)控畫面

2.3 控制系統(tǒng)的主要功能

控制系統(tǒng)通過工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和高速I/0驅(qū)動(dòng)程序直接與外設(shè)進(jìn)行通信，采集現(xiàn)場所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和參數(shù)，并在上位機(jī)監(jiān)控畫面上顯示，監(jiān)控畫面全面直觀地反映了水泥粉磨生產(chǎn)過程控制的全流程，可對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)監(jiān)控畫面之間的切換操作簡單方便，界面友好。操作人員可通過實(shí)時(shí)趨勢圖、歷史趨勢圖和報(bào)表查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，便于對故障進(jìn)行分析或優(yōu)化工藝參數(shù)的設(shè)定。當(dāng)被控對象中的工藝參數(shù)或設(shè)備發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)將通過畫面和聲音進(jìn)行報(bào)警，在報(bào)警圖中還記錄了故障發(fā)生的時(shí)間、來源和恢復(fù)的時(shí)間等詳細(xì)的報(bào)警信息，同時(shí)用戶可按工藝要求實(shí)時(shí)或定時(shí)打印生產(chǎn)報(bào)表及故障記錄報(bào)表。其監(jiān)控組態(tài)軟件的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 監(jiān)控組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 邏輯控制部分程序設(shè)計(jì)

邏輯控制部分主要完成設(shè)備的正常啟停以及相關(guān)的故障處理。生產(chǎn)線上所有設(shè)備的運(yùn)行方式可分為現(xiàn)場控制和中控控制兩種方式?，F(xiàn)場控制又被稱為機(jī)旁控制，主要是為了現(xiàn)場設(shè)備安裝、調(diào)試和維修方便而設(shè)計(jì)的。中控控制又分為中控自動(dòng)和中控手動(dòng)，中控控制方式下設(shè)備的自動(dòng)或手動(dòng)運(yùn)行都是操作員通過監(jiān)控畫面進(jìn)行設(shè)定的。中控模式下啟動(dòng)設(shè)備的程序處理流程如圖6所示。

圖6 設(shè)備啟動(dòng)的程序處理流程圖

在正常生產(chǎn)過程中，設(shè)備處在中控控制的自動(dòng)模式下。按工況要求將設(shè)備分成不同的小組，各組中的電機(jī)和控制閥按程序設(shè)定進(jìn)行啟停控制。啟動(dòng)設(shè)備時(shí)，當(dāng)按下啟動(dòng)鍵后，脈沖S5定時(shí)器啟動(dòng)，鈴聲響起并持續(xù)10秒鐘，以保證設(shè)備可以安全啟動(dòng)。之后觸發(fā)保持接通延時(shí)S5定時(shí)器，為了防止物料堵塞，系統(tǒng)從下游設(shè)備開始，逆物料流動(dòng)方向依次延時(shí)啟動(dòng)。如有設(shè)備因故障無法啟動(dòng)，需旋轉(zhuǎn)到現(xiàn)場控制擋進(jìn)行修理，修理好后再旋轉(zhuǎn)回中控控制擋準(zhǔn)備重新啟動(dòng)，通過按下停止鍵后馬上按啟動(dòng)鍵的方式進(jìn)行重新啟動(dòng)，這樣可以使已啟動(dòng)的設(shè)備正常運(yùn)行，節(jié)省了啟動(dòng)時(shí)間和能源。停止設(shè)備時(shí)，當(dāng)按下停止鍵后，斷開延時(shí)S5定時(shí)器啟動(dòng)，使系統(tǒng)從上游設(shè)備開始停止，每臺(tái)設(shè)備停止前需持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，用來運(yùn)送剩余物料。當(dāng)該設(shè)備內(nèi)的物料輸送完畢后，停止該設(shè)備，然后順次停止下游設(shè)備。另外，當(dāng)出現(xiàn)緊急事故時(shí)可以全線停車，以保證人身和設(shè)備的安全。

在中控控制的手動(dòng)模式下，各設(shè)備可以單獨(dú)啟動(dòng)和停止，不需要嚴(yán)格的啟停順序。這種方式適用于進(jìn)行對設(shè)備的單機(jī)試車、安裝和調(diào)試等工作。

3.2 水泥配料自動(dòng)控制

水泥粉磨的原料由熟料、石膏、混合材料按一定比例組成，所以其配料的自動(dòng)控制實(shí)際上是一種比值控制系統(tǒng)，要控制的是幾種原料的流量比值。每種原料由一臺(tái)調(diào)速皮帶秤調(diào)節(jié)喂料流量，工控機(jī)根據(jù)要入磨的喂料總量和原料的工藝比例計(jì)算出每種原料的設(shè)定值，此設(shè)定值送入PLC，由PLC轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的4-20mA電流信號(hào)輸出給變頻器去控制皮帶秤的速度，即控制原料的流量。為保證每種物料的給料精度，采用閉環(huán)數(shù)字PID進(jìn)行控制。其簡化的控制框圖如圖7所示。

圖7 配料控制圖

皮帶秤的荷重傳感器和變頻器的速度信號(hào)接入201儀表，201儀表可把流量轉(zhuǎn)化為4-20mA電流信號(hào)送入PLC，由PLC轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)字信號(hào)送入工控機(jī)，用于顯示。同時(shí)，由PLC與設(shè)定值進(jìn)行比較，并采用數(shù)字PID控制方式，保證輸出有足夠的精度，使誤差控制在允許的較小范圍內(nèi)?？刂品桨溉鐖D8所示。

圖8 自動(dòng)控制方案圖

3.3 組織塊程序設(shè)計(jì)

組織塊OB都是事件觸發(fā)而執(zhí)行的中斷程序塊，并按照已分配的優(yōu)先級(jí)來執(zhí)行[5]。中斷處理用來實(shí)現(xiàn)對特殊內(nèi)部事件或外部事件的快速響應(yīng)。本系統(tǒng)使用了如下組織塊：當(dāng)備用電池、CPU的主機(jī)架或擴(kuò)展機(jī)架上的24V電源從有效變?yōu)槭Щ驈氖ё優(yōu)橛行?，系統(tǒng)都會(huì)調(diào)用電源故障組織塊OB81。當(dāng)發(fā)生尋址沒有加載的塊、不存在或錯(cuò)誤的地址時(shí)，系統(tǒng)將調(diào)用編程錯(cuò)誤組織塊OB121。在訪問模塊上的數(shù)據(jù)出錯(cuò)時(shí)，系統(tǒng)將調(diào)用訪問錯(cuò)誤組織塊OB122。循環(huán)中斷組織塊OB32每間隔一秒讀入一次外部信號(hào)，同時(shí)輸出經(jīng)過PID控制器運(yùn)算后的控制信號(hào)，該組織塊還可以通過累加皮帶秤卸料量的值，計(jì)算出每日的工作量。

4 結(jié)論

由SIEMENS S7_300 PLC實(shí)現(xiàn)的水泥粉磨站控制系統(tǒng)已在實(shí)際中投入使用，經(jīng)過一段時(shí)期的正常運(yùn)行證明：整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，操作簡便，可靠性高，完全符合工藝生產(chǎn)要求。該系統(tǒng)的使用可降低一次性投資和企業(yè)產(chǎn)品綜合成本，提高工廠的自動(dòng)化程度，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，對企業(yè)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益也起到了很大的促進(jìn)作用。

[1] 肖爭鳴,昝和平.水泥工藝技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[2] 李新平.基于西門子S7-300/400PLC的控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].電氣制造,2008,5：86-88.

[3] 王志慧.分布式控制在水泥粉磨站自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].輕金屬,2004,12：16-18.

[4] 趙陽.西門子S7-300PLC及工控組態(tài)軟件WinCC的應(yīng)用[J].PLC、工控機(jī)與集散控制系統(tǒng),2006,10：41-43.

[5] 張運(yùn)剛,宋小春,郭武強(qiáng).從入門到精通——西門子S7-300/400PLC技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社,2007.

TP273

A

1009-0134(2010)09-0106-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.09.32

2009-10-30

北京市教委科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（km200611417007）

滕飛（1985 -），男，北京人，碩士研究生，研究方向?yàn)榛诂F(xiàn)場總線的智能控制。