張浩 賴敏

摘 要：從系統(tǒng)組成、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)程序和上位監(jiān)控等方面，對(duì)西門子S7-400 PLC在冶金配料系統(tǒng)上的應(yīng)用進(jìn)行了分析，實(shí)踐應(yīng)用顯示，采用了S7-400 PLC系統(tǒng)的冶金配料系統(tǒng)具有功能強(qiáng)大、可靠性高、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，可為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：冶金配料系統(tǒng);S7-400 PLC;系統(tǒng)結(jié)構(gòu);網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

0 引言

在冶金配料過程中，通常需要對(duì)多種原材料進(jìn)行一定比例的配比。在純?nèi)斯げ僮鬟^程中，工藝人員會(huì)根據(jù)工藝需求人工計(jì)算每種材料的配方比例，然后根據(jù)比例計(jì)算每種材料的理論量，并單獨(dú)設(shè)置機(jī)械設(shè)備以滿足生產(chǎn)要求。當(dāng)生產(chǎn)狀況發(fā)生變化且需要更改物料數(shù)量時(shí)，需要再次計(jì)算每種物料的設(shè)定值并再次進(jìn)行設(shè)定，整個(gè)過程消耗大量人力和精力。而采用基于西門子S7-400 PLC控制方式和變頻調(diào)速理念的冶金配料系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，輕松完成物料輸送、配料控制、配方設(shè)計(jì)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理等功能。在自動(dòng)冶金配料過程中，多種物料按一定比例進(jìn)行配比，電子皮帶秤用于測(cè)量皮帶輸送機(jī)輸送的物料。PLC主要負(fù)責(zé)輸送設(shè)備和稱重過程的實(shí)時(shí)控制，并完成系統(tǒng)故障檢測(cè)、顯示和報(bào)警，同時(shí)變頻器輸出信號(hào)起到調(diào)節(jié)皮帶和下料系統(tǒng)速度的作用。

1 系統(tǒng)組成

冶金配料系統(tǒng)由稱量?jī)x表、上位工控機(jī)、S7-400 PLC、變頻器等組成。

（1）進(jìn)料部分：進(jìn)料部分是從料倉(cāng)（或儲(chǔ)罐）到稱重設(shè)備的進(jìn)料執(zhí)行器。根據(jù)物料的不同特性，可以選擇不同的給料設(shè)備，如電磁振動(dòng)給料機(jī)、螺旋給料機(jī)、電磁閥。

（2）稱重部分：稱重部分由傳感器、接線盒和稱重二次顯示器組成，稱重儀器用于稱量物料并檢測(cè)誤差。

（3）卸料設(shè)備：卸料可以用稱重設(shè)備或卸料設(shè)備，通常由空閥、電磁振動(dòng)給料機(jī)、螺旋給料機(jī)、電動(dòng)（氣動(dòng)）閥組成。所有設(shè)備應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工藝條件和材料性質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇。

（4）配料控制系統(tǒng)：配料控制系統(tǒng)由稱重儀表、可編程序控制器、上位機(jī)等控制設(shè)備組成。

（5）校秤系統(tǒng)：應(yīng)定期調(diào)整計(jì)量系統(tǒng)傳感器，以確保系統(tǒng)計(jì)量的準(zhǔn)確性。

冶金配料系統(tǒng)工作原理：下料閉環(huán)控制過程主要是通過電子皮帶秤對(duì)振動(dòng)給料機(jī)輸送的物料進(jìn)行計(jì)量，由PLC接收現(xiàn)場(chǎng)的稱重信號(hào)和下料變頻器的速度信號(hào)，經(jīng)處理后轉(zhuǎn)化為瞬時(shí)物料量，并將瞬時(shí)物料量信號(hào)由以太網(wǎng)絡(luò)傳送給工業(yè)上位機(jī)，PLC同時(shí)以程序計(jì)算出理論下料量，經(jīng)過AO模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以電流信號(hào)傳送給下料變頻器，再由變頻器調(diào)節(jié)振動(dòng)給料機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)流量增大時(shí)，降低振動(dòng)給料機(jī)的轉(zhuǎn)速，反之提高振動(dòng)給料機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使得物料的流量和階段累計(jì)量均保持在設(shè)定范圍內(nèi)，進(jìn)而得到可靠的產(chǎn)品質(zhì)量。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

冶金配料系統(tǒng)為S7-400H系列冗余控制系統(tǒng)，控制器冗余系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)雙控制器冗余切換功能，當(dāng)主控的CPU出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)CPU自動(dòng)接替主控CPU工作，切換時(shí)間為毫秒級(jí)。

冶金配料系統(tǒng)完全采用基于PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的分布式I/O系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)方案的缺點(diǎn)。遠(yuǎn)程I/O站通過冗余的IM153-2模塊用兩條冗余PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線把經(jīng)濟(jì)性更好的S7-300 I/O模塊整合到整個(gè)DP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，所有I/O模塊選用有源背板總線，可支持模板在線更換，保障網(wǎng)絡(luò)上其他模塊不受影響。

冶金配料系統(tǒng)的電機(jī)管理模塊選用西門子SIMOCODE_pro作為控制模塊，它集成了電機(jī)饋電回路所需要的所有功能，并提供了大量操作、維護(hù)、診斷數(shù)據(jù)，使電機(jī)饋電回路的功能更加透明。利用SIMOCODE_pro電機(jī)管理模塊自帶的Profibus-DP通信接口，調(diào)試人員可方便地將整個(gè)電機(jī)饋電回路通過西門子Y-LINK總線連接器集成到一個(gè)冗余自動(dòng)化系統(tǒng)中。

該冶金配料系統(tǒng)硬件配置的部分硬件型號(hào)為：控制器CPU417H、電源模塊PS407、以太網(wǎng)通信卡CP443、I/O通信接口卡IM153-2、普通型I/O卡SM321/SM322/SM331/SM332。

冶金配料系統(tǒng)的下料電機(jī)采用ABB系列變頻器（型號(hào)ACS550-01-023A-4），該變頻器是由西門子公司生產(chǎn)的一種具有基本功能的多用途工業(yè)變頻器。ABB系列變頻器經(jīng)濟(jì)實(shí)用，使用簡(jiǎn)便，具有魯棒性和適應(yīng)性，適合我國(guó)復(fù)雜的電網(wǎng)環(huán)境。

上位機(jī)部分設(shè)置了一臺(tái)工程師站、一臺(tái)操作員站，工程師站與操作員站配置Dell工控機(jī)，工程師站和操作員站安裝西門子STEP7工程軟件，工業(yè)以太網(wǎng)以MOXA工業(yè)級(jí)交換機(jī)進(jìn)行環(huán)網(wǎng)組態(tài)等。

3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

冶金配料系統(tǒng)通過以太網(wǎng)通信處理模塊CP443將S7-400H站連接到工業(yè)以太網(wǎng)中。整套冶金配料系統(tǒng)工廠總線配備了MOXA工業(yè)級(jí)EDS-516A系列的網(wǎng)管型交換機(jī)，用于構(gòu)建冶金配料系統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可使個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)通信速率達(dá)到100 Mbit/s。

冶金配料系統(tǒng)終端總線配備了西門子工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)，用以連接工程師站及操作員站，操作員站保存所有的歷史數(shù)據(jù)記錄、事件順序記錄、報(bào)表、料比更改記錄等。工程師站配置了西門子專用通信網(wǎng)卡CP1613和通用網(wǎng)卡，用于與現(xiàn)場(chǎng)控制站通信。

4 系統(tǒng)程序和上位監(jiān)控

4.1? ? 系統(tǒng)程序

冶金配料系統(tǒng)通過西門子S7-400系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，整套系統(tǒng)的主程序采用LAD語(yǔ)言編寫，用于實(shí)現(xiàn)主流程的步序控制，LAD語(yǔ)言比較容易理解，方案維護(hù)人員后期解讀和升級(jí)優(yōu)化控制邏輯。

冶金配料系統(tǒng)運(yùn)行聯(lián)鎖條件多，工藝控制要求高。系統(tǒng)程序中大量使用了安全程序，標(biāo)準(zhǔn)程序與安全程序之間相互調(diào)用，確保了I/O模塊采集各個(gè)工藝過程值的準(zhǔn)確性及各個(gè)數(shù)據(jù)及通過模塊都在安全狀態(tài)下運(yùn)行。

4.2? ? 上位監(jiān)控

冶金配料系統(tǒng)采用西門子S7-400系統(tǒng)的WinCC作為HMI上位監(jiān)控軟件，該軟件與PLC控制系統(tǒng)結(jié)合緊密，是簡(jiǎn)單、高效的組態(tài)工具。冶金配料系統(tǒng)主畫面可以監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)、變頻器、秤等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。通過該操作畫面可以快捷地遠(yuǎn)程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行單機(jī)或全自動(dòng)狀態(tài)下的控制，該HMI軟件還配有完善的報(bào)警程序，可在報(bào)警信息欄中實(shí)時(shí)提示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)以及顯示故障信息，為維護(hù)本套設(shè)備提供了可靠依據(jù)。

應(yīng)用冶金配料系統(tǒng)，操作人員能連續(xù)監(jiān)視生產(chǎn)過程中各個(gè)相關(guān)附機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)，并且進(jìn)行邏輯運(yùn)算和判斷，使附機(jī)設(shè)備按照既定的合理程序完成必要的操作，保證整個(gè)冶金配料系統(tǒng)的安全。

5 主要控制

物料由加料設(shè)備傳送到配料皮帶秤，稱重傳感器和速度傳感器將稱量和速度信號(hào)發(fā)送到皮帶秤儀表，輸送物料的皮帶秤儀表顯示瞬時(shí)流量和累計(jì)量數(shù)據(jù)，同時(shí)將模擬的瞬態(tài)流量以標(biāo)準(zhǔn)電流形式發(fā)送到PLC系統(tǒng)，其內(nèi)部單回路程序塊通過設(shè)備定值和實(shí)際值比較進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器根據(jù)測(cè)量值和設(shè)定值的偏差，通過變頻器調(diào)整皮帶秤的驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度，使進(jìn)料流量精確，由用戶設(shè)定下料速度，達(dá)到恒定物料流量的目的。冶金配料系統(tǒng)大量使用了單回路調(diào)節(jié)，當(dāng)物料下料量短時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，其影響到多個(gè)物料的配比，這時(shí)調(diào)節(jié)器及時(shí)進(jìn)行控制，改變下料電機(jī)變頻器的頻率，通過改善單個(gè)回路控制的參數(shù)整定，可大大提高控制質(zhì)量。

關(guān)于各種物料的配比，編程人員將配比方案設(shè)置在上位畫面，對(duì)比不同的物料配比就不同的方案，操作人員只需要在上位畫面中選定一種配比方案，系統(tǒng)就可以按照程序進(jìn)行物料下料處理。針對(duì)生產(chǎn)過程中需要添加特殊的物料，操作人員可以進(jìn)行人為的配比參數(shù)設(shè)定，滿足不同冶金工況對(duì)配比的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

冶金配料系統(tǒng)與傳統(tǒng)靜態(tài)配料裝置相比，其系統(tǒng)具有功能強(qiáng)大、可靠性高、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，S7-400 PLC系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，極大地方便了系統(tǒng)的后期維護(hù)，大大提高了配料精度，實(shí)現(xiàn)了智能網(wǎng)絡(luò)化管理，整套控制系統(tǒng)的程序可在線修改、下載，減少了系統(tǒng)的非故障停機(jī)時(shí)間，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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收稿日期：2020-01-02

作者簡(jiǎn)介：張浩（1984—），男，云南普洱人，工程師，從事現(xiàn)場(chǎng)電氣自動(dòng)化設(shè)備的技術(shù)工作。