S7_300PLC在水泥粉磨站控制系統(tǒng)中的應用

滕 飛，李紅星，王繼文

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

（1. 北京化工大學 信息科學與技術學院，北京 100029；2. 北京聯(lián)合大學 自動化學院，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 信息科學與技術學院，北京 100029；2. 北京聯(lián)合大學 自動化學院，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計這幾個方面做介紹，并闡述了如何通過常規(guī)PID控制算法來實現(xiàn)粉磨站配料控制。該系統(tǒng)自運行以來，各項功能正常，設備運行穩(wěn)定，完全達到了設計要求。

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)模的擴大和連續(xù)性的提高，首先要求控制系統(tǒng)能夠進行集中管理和操作，統(tǒng)一協(xié)調各個車間或部門的生產(chǎn)，確保整個生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定進行，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。同時由于生產(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，來適應其速度要求。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)濟效益，必須采用先進的控制裝置和策略。

近些年來，隨著計算機技術、控制技術、通信技術以及軟件技術的迅速發(fā)展，在電氣控制領域，國內外普遍采用可編程控制器（PLC）。由于其結構緊密、堅固、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)以適應各種工業(yè)控制的需要，因此可以把它看作實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。本文將針對水泥粉磨站工程，采用以PLC為基礎的控制系統(tǒng)，實現(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

熟料電振機啟動后，熟料通過皮帶機進入破碎機，破碎完成后經(jīng)過斗式提升機入熟料庫儲存。

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，分別儲存在不同的庫料倉中。每種原料庫的下部都裝有調速定量給料皮帶秤，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)入磨皮帶機進入水泥磨。

1.3 出磨入水泥庫

水泥粉磨好后出磨，經(jīng)出磨螺旋輸送機進入斗式提升機，提升到水泥庫頂?shù)穆菪斔蜋C，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進入斗式提升機，提升到水泥包裝車間，然后包裝并進入成品庫。

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。中控室設置一個操作員站和一個工程師站，操作員站是工廠運行人員與現(xiàn)場控制過程之間的一個窗口。操作員根據(jù)顯示的過程信息實施對工業(yè)過程的監(jiān)視和操作，以保證生產(chǎn)過程的安全經(jīng)濟性。工程師站是專門為工程師準備的，是進行系統(tǒng)設計、組態(tài)、調試、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,在模擬信號的處理上也具有很強的能力, 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)絡結構圖

2.1 PLC的硬件配置

可編程控制器（PLC）實際是一種工業(yè)控制計算機，它的硬件結構與一般微機控制系統(tǒng)相似，主要由中央處理器、存儲器、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計思想，利用不斷發(fā)展的新技術、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組機架，用IM模塊相互連接。硬件的型號及數(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行系統(tǒng)配置、程序的編寫和調試；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進行轉換。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現(xiàn)的功能不同，圖3為本文編寫的普通電機控制功能塊。若選擇“線性程序設計”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周期性的調用此組織塊。若選擇“結構式程序設計”方法，則通過組織塊OB1調用其他塊[3]。

表1 硬件配置（型號與數(shù)量）

圖3 普通電機控制梯形圖

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)底圖并在底圖基礎上動態(tài)顯示過程參數(shù)及狀態(tài),進行人機對話，進行參數(shù)的設定、電機的啟動停止和緊急停車等。同時還可為運行控制進行安全性組態(tài)，設置安全等級以允許相關人員進入某些畫面。如果將WinCC與STEP7合用，更是大幅降低了工程的開發(fā)時間，因為在STEP7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)絡和高速I/0驅動程序直接與外設進行通信，采集現(xiàn)場所有實時數(shù)據(jù)和參數(shù)，并在上位機監(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，可對整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(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。操作人員可通過實時趨勢圖、歷史趨勢圖和報表查詢實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及設備運行狀態(tài)，便于對故障進行分析或優(yōu)化工藝參數(shù)的設定。當被控對象中的工藝參數(shù)或設備發(fā)生異常時，系統(tǒng)將通過畫面和聲音進行報警，在報警圖中還記錄了故障發(fā)生的時間、來源和恢復的時間等詳細的報警信息，同時用戶可按工藝要求實時或定時打印生產(chǎn)報表及故障記錄報表。其監(jiān)控組態(tài)軟件的結構如圖5所示。

圖5 監(jiān)控組態(tài)軟件結構圖

3 控制系統(tǒng)程序設計

3.1 邏輯控制部分程序設計

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

圖6 設備啟動的程序處理流程圖

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

在中控控制的手動模式下，各設備可以單獨啟動和停止，不需要嚴格的啟停順序。這種方式適用于進行對設備的單機試車、安裝和調試等工作。

3.2 水泥配料自動控制

水泥粉磨的原料由熟料、石膏、混合材料按一定比例組成，所以其配料的自動控制實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。每種原料由一臺調速皮帶秤調節(jié)喂料流量，工控機根據(jù)要入磨的喂料總量和原料的工藝比例計算出每種原料的設定值，此設定值送入PLC，由PLC轉化為對應的4-20mA電流信號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接入201儀表，201儀表可把流量轉化為4-20mA電流信號送入PLC，由PLC轉換成相應數(shù)字信號送入工控機，用于顯示。同時，由PLC與設定值進行比較，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。控制方案如圖8所示。

圖8 自動控制方案圖

3.3 組織塊程序設計

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)先級來執(zhí)行[5]。中斷處理用來實現(xiàn)對特殊內部事件或外部事件的快速響應。本系統(tǒng)使用了如下組織塊：當備用電池、CPU的主機架或擴展機架上的24V電源從有效變?yōu)槭Щ驈氖ё優(yōu)橛行?，系統(tǒng)都會調用電源故障組織塊OB81。當發(fā)生尋址沒有加載的塊、不存在或錯誤的地址時，系統(tǒng)將調用編程錯誤組織塊OB121。在訪問模塊上的數(shù)據(jù)出錯時，系統(tǒng)將調用訪問錯誤組織塊OB122。循環(huán)中斷組織塊OB32每間隔一秒讀入一次外部信號，同時輸出經(jīng)過PID控制器運算后的控制信號，該組織塊還可以通過累加皮帶秤卸料量的值，計算出每日的工作量。

4 結論

由SIEMENS S7_300 PLC實現(xiàn)的水泥粉磨站控制系統(tǒng)已在實際中投入使用，經(jīng)過一段時期的正常運行證明：整個系統(tǒng)設計合理，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，提高工廠的自動化程度，減輕工人的勞動強度，對企業(yè)的經(jīng)濟和社會效益也起到了很大的促進作用。

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

[2] 李新平.基于西門子S7-300/400PLC的控制網(wǎng)絡設計[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控制系統(tǒng)中的應用[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的應用[J].PLC、工控機與集散控制系統(tǒng),2006,10：41-43.

[5] 張運剛,宋小春,郭武強.從入門到精通——西門子S7-300/400PLC技術與應用[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)展計劃項目（km200611417007）

滕飛（1985 -），男，北京人，碩士研究生，研究方向為基于現(xiàn)場總線的智能控制。