鐘造勝++李秀忠

摘要：本文介紹一種井式爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。選用SIMATIC S7-1200PLC做控制器，力控組態(tài)軟件做中央監(jiān)控，使用數(shù)字量模塊和模擬量模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)熱處理井式爐控制信號(hào)、溫度信號(hào)等進(jìn)行采集處理及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)控制。利用PROFINET網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)獨(dú)立的熱處理井式爐設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)設(shè)備溫度自動(dòng)控制及各類生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)集中歸檔。

關(guān)鍵詞：SIMATIC S7-1200；PROFINET；井式爐；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）03-0008-03

1 引言

佛山市某企業(yè)熱處理車間有5套4加熱層的井式爐用于對(duì)長(zhǎng)軸類產(chǎn)品的熱處理加工，為了滿足企業(yè)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的參數(shù)指標(biāo)分析及加強(qiáng)生產(chǎn)過程中的質(zhì)量管理和產(chǎn)品溯源的要求，現(xiàn)有井式爐的控制系統(tǒng)已不能完全滿足企業(yè)更高質(zhì)量定位需求，需要對(duì)現(xiàn)有的5套井式爐進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)改造和對(duì)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)集中監(jiān)控。本文將介紹在保留現(xiàn)有相關(guān)硬件的前提下，如何利用SIMATIC S7-1200基于力控組態(tài)軟件完成井式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

SIMATIC S7-1200（以下簡(jiǎn)稱S7-1200PLC）是西門子公司為充分滿足于中小型自動(dòng)化的系統(tǒng)需求，面向離散自動(dòng)化系統(tǒng)和獨(dú)立自動(dòng)化系統(tǒng)所開發(fā)使用的小型控制器模塊。通過TIA Portal V13軟件進(jìn)行工程組態(tài)，使其具有強(qiáng)大的集成工藝功能和靈活的可擴(kuò)展性，為各種工藝任務(wù)提供了簡(jiǎn)單的通訊和有效的解決方案，尤其滿足多種應(yīng)用中完全不同的自動(dòng)化需求。同時(shí)集成PROFINET接口用于編程、HMI通訊和PLC間的通訊。在本系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)的S7-1200PLC、觸摸屏及工控機(jī)利用PROFINET線集中連接到工業(yè)交換機(jī)中，力控組態(tài)軟件和現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏與S7-1200PLC之間通過S7-1200PLC（TCP/IP）以太網(wǎng)協(xié)議來進(jìn)行通信架構(gòu)的搭建，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的5套井式爐的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及對(duì)應(yīng)控制，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)電氣組成

現(xiàn)場(chǎng)單臺(tái)設(shè)備在電氣控制系統(tǒng)中，電氣拓?fù)鋱D如圖2所示。由一臺(tái)由西門子S7-1200PLC（CPU 1214C AC/DC/Rly）、一臺(tái)模擬量輸入擴(kuò)展模塊（SM 1231 AI4 x RTD）、一臺(tái)模擬量輸出擴(kuò)展模塊（SM 1232 AQ4）、4臺(tái)可控硅功率調(diào)節(jié)器（T6-SCR）、4套溫度傳感器及一臺(tái)威綸通觸摸屏（MT8070）及爐門、供電、報(bào)警等輔助系統(tǒng)構(gòu)成。其中S7-1200PLC為控制系統(tǒng)核心，4路擴(kuò)展模擬量輸入模塊用于處理4套溫度傳感器采集到的井式爐4層位置實(shí)時(shí)溫度值，4路擴(kuò)展模擬量輸出模塊用于同時(shí)對(duì)4臺(tái)可控硅功率進(jìn)行驅(qū)動(dòng)進(jìn)而調(diào)節(jié)器對(duì)井式爐內(nèi)部上4層加熱電阻進(jìn)行電能控制，現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏實(shí)現(xiàn)操作人員在產(chǎn)品生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的登陸及完成對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)品的工藝選擇。

4 系統(tǒng)工作原理

在進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，操作人員在現(xiàn)場(chǎng)使用觸摸屏進(jìn)行本次生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)的選擇，然后通過現(xiàn)場(chǎng)電氣控制柜上的啟動(dòng)按鈕進(jìn)行系統(tǒng)啟動(dòng)。S7-1200PLC接收到該啟動(dòng)信號(hào)后程序進(jìn)行動(dòng)作輸出，控制對(duì)應(yīng)的接觸器或中間繼電器接通分別給功率調(diào)節(jié)器、爐門等相關(guān)設(shè)備供電?？刂葡到y(tǒng)工作時(shí)，程序根據(jù)操作人員在觸摸屏上選擇設(shè)置的工藝參數(shù)，結(jié)合采集回的井式爐內(nèi)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行PID運(yùn)算，結(jié)果以模擬信號(hào)輸出到功率調(diào)節(jié)器。功率調(diào)節(jié)器根據(jù)S7-1200PLC給定的模擬信號(hào)對(duì)流入井式爐內(nèi)發(fā)熱電阻的電能進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

5 系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)

在該控制系統(tǒng)中S7-1200PLC的程序設(shè)計(jì)如圖3所示包括：主程序OB1，實(shí)現(xiàn)對(duì)本機(jī)的各個(gè)功能的協(xié)調(diào)及調(diào)用控制；溫度采集FC1，內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換和濾波算法完成現(xiàn)場(chǎng)的溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)供各功能使用。PID調(diào)節(jié)控制FC2，根據(jù)工藝流程和設(shè)置的參數(shù)完成PID控制；輔助動(dòng)作FC3，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐門升降、功率調(diào)節(jié)器供電、完成信號(hào)等進(jìn)行控制；工藝數(shù)據(jù)庫(kù)FC4，內(nèi)置50組數(shù)據(jù)通道實(shí)現(xiàn)對(duì)50種不同產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期保存及調(diào)用。故障診斷FC5，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備出現(xiàn)的過載故障、PLC主機(jī)和傳感器斷線故障、加熱超溫故障，加熱異常等進(jìn)行采集判斷保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

在系統(tǒng)程序中，使用前期主要的技術(shù)難點(diǎn)是程序中PID參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。需要多次進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及優(yōu)化，但一臺(tái)設(shè)備調(diào)試完畢后將可以拷貝到其余機(jī)組從而節(jié)省后續(xù)多臺(tái)的調(diào)試周期。同時(shí)在系統(tǒng)程序內(nèi)置有專門的故障診斷程序塊，每當(dāng)設(shè)備的使用過程中現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)故障后可以及時(shí)的通過觸摸屏或中央監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)的反饋顯示。方便現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)人員對(duì)故障判斷，提高維修速度減少維修周期。

6 中央監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

目前世面上有很多上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，如國(guó)外西門子的Wincc，國(guó)內(nèi)的組態(tài)王，力控等。其中力控軟件具有良好的開發(fā)培訓(xùn)教程以及配置完善的各類現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信接口，具有較高的性價(jià)比。在本系統(tǒng)中將使用力控7.0軟件，通過PROFINET線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的5臺(tái)設(shè)備進(jìn)行訪問來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整體監(jiān)控。首先在工控機(jī)上安裝力控7.0軟件并完成軟件授權(quán)，隨后開始進(jìn)行系統(tǒng)的組態(tài)。本系統(tǒng)具有以下功能：不同層的溫度的顯示和報(bào)警；現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工藝參數(shù)選擇及設(shè)備啟動(dòng)；實(shí)時(shí)和歷史曲線顯示、查詢及保存；數(shù)據(jù)報(bào)表的打印。系統(tǒng)相關(guān)界面如圖4和5 所示，其中主界面的功能與現(xiàn)場(chǎng)的觸摸屏一致具有溫度數(shù)據(jù)的顯示也能完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程操作；操作人員能對(duì)歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖查詢和數(shù)據(jù)導(dǎo)出；數(shù)據(jù)報(bào)表能完成對(duì)產(chǎn)品按秒、按分、按時(shí)的時(shí)間定長(zhǎng)查詢并將查詢的結(jié)果進(jìn)行打印或?qū)С鯯CV格式文件的功能。

7 結(jié)語(yǔ)

企業(yè)在使用S7-1200PLC與力控組態(tài)軟件進(jìn)行熱處理井式爐的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)井式爐工作過程的自動(dòng)溫度控制。并可以對(duì)工作過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，導(dǎo)出，打印。使生產(chǎn)工藝人員隨時(shí)掌握產(chǎn)品生產(chǎn)過程的工藝數(shù)據(jù)并根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量調(diào)整工藝數(shù)據(jù)，為提高產(chǎn)品質(zhì)量打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)同時(shí)為后續(xù)的產(chǎn)品質(zhì)量溯源提供重要的佐證依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]吳波，張靜.PLC在熱處理電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].熱處理技術(shù)與裝備，2006，27（6）：39-43.

[2]馮博，徐淑華.基于S7-1200 PLC的電加熱器模糊PID控制[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26（1）：14-18.

[3]曹慶才，高德欣.基于力控的溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2014，32（3）：91-95.

[4]西門子股份有限公司.S7-1200可編程序控制器產(chǎn)品樣本[Z]，2010.08.

[5]西門子股份有限公司.S7-1200 可編程控制器系統(tǒng)手冊(cè)[Z]，2012.04.