基于S7-300PLC鍍膜控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王曉晨，朱 釗

WANG Xiao-chen, ZHU Zhao

（合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

隨著通訊技術(shù)，計(jì)算機(jī)和微處理器的發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制幾乎發(fā)展到了所有的工業(yè)領(lǐng)域。可編程控制技術(shù)已成為工業(yè)控制的重要部分，其中主要的功能體現(xiàn)在開(kāi)關(guān)量邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、閉環(huán)過(guò)程控制、數(shù)據(jù)處理、通信聯(lián)網(wǎng)五大方面[1]。近年來(lái)，PLC在鍍膜控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也更加成熟,隨著工控機(jī)的發(fā)展，操作員能夠更清楚地看到實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(shù)據(jù)并加以分析。這種人機(jī)界面大大滿足了工業(yè)的需求，工控機(jī)和PLC的有機(jī)結(jié)合為企業(yè)實(shí)現(xiàn)管理、控制一體化提供了一種有效的手段[2]。本文所設(shè)計(jì)的鍍膜控制系統(tǒng)，主要應(yīng)用西門(mén)子S7-300PLC和WinCC組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)鍍膜過(guò)程中多個(gè)變量和參數(shù)的信號(hào)采集、控制和監(jiān)控。

玻璃鍍膜是指在玻璃表面涂鍍一層或多層金屬化合物薄膜[3]，以改變玻璃的工藝性能，使其能夠滿足各個(gè)領(lǐng)域的要求。玻璃鍍膜的生產(chǎn)方法有很多種：真空磁控濺射法、化學(xué)氣相沉積法、真空蒸發(fā)法等，本文采用的是化學(xué)氣相沉積法。化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapour Deposition，簡(jiǎn)稱(chēng)CVD)是把含有構(gòu)成薄膜元素的一種或幾種化合物或單質(zhì)氣體，供給基板，借助氣相反應(yīng)，在基片表面上反應(yīng)生成薄膜的方法。CVD鍍膜技術(shù)壓力分為低壓CVD（LPCVD）和常壓CVD（APCVD）[4]。

本項(xiàng)目為某實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采用的是常壓化學(xué)氣相沉積法（APCVD）實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃的鍍膜，整個(gè)控制系統(tǒng)分為傳動(dòng)部分和配氣部分，傳動(dòng)部分的主要功能是通過(guò)電機(jī)控制玻璃在各個(gè)室間的運(yùn)動(dòng)；配氣部分的主要功能是控制各種化學(xué)氣體使其進(jìn)入鍍膜室發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，來(lái)完成玻璃的鍍膜。整個(gè)控制系統(tǒng)主要是對(duì)熱電阻、熱電偶、氣體流量控制器、壓力傳感器、液位傳感器、氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電機(jī)等進(jìn)行信號(hào)的采集與控制，從而實(shí)現(xiàn)玻璃鍍膜工藝的要求。

1 系統(tǒng)PLC模塊的組態(tài)

本系統(tǒng)的PLC控制器采用2塊西門(mén)子S7-300的CPU，分為完成相對(duì)獨(dú)立的工作。系統(tǒng)的配氣部分采用CPU319-3PN/DP，其中電源模塊PS307（5A），接口模塊IM153-2，通訊處理模塊CP342-5，模擬量輸入模塊共16個(gè)（3*8*TC 5*8*RTD 8*8*12BIT）,模擬量輸出模塊共4個(gè)（8*12BIT），數(shù)字量輸入模塊3個(gè)（32*DC24V），數(shù)字量輸出模塊3個(gè)（32*DC24V/0.5A）；系統(tǒng)傳動(dòng)部分采用的是CPU314，其中電源模塊PS307（10A），接口模塊IM365，通訊處理模塊CP342-5，模擬量輸入模塊共4個(gè)（8*12BIT）,模擬量輸出模塊共1個(gè)（8*12BIT），數(shù)字量輸入模塊1個(gè)（32*DC24V），數(shù)字量輸出模塊3個(gè)（2*32*DC24V/0.5A 1*16*DC24V/0.5A）?，F(xiàn)場(chǎng)I/O點(diǎn)就近接入分布式遠(yuǎn)程I/O模塊中，每個(gè)遠(yuǎn)程I/O從站采用西門(mén)子ET200M模塊。

2 系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)和通訊

整個(gè)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、PLC主機(jī)、分布式I/O模塊、以太網(wǎng)、Profibus-DP網(wǎng)完成對(duì)以上模塊的信號(hào)采集和控制,上位機(jī)采用WINCC7.0工控組態(tài)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控。系統(tǒng)由管理級(jí)、控制級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和通訊網(wǎng)絡(luò)4部分組成。在管理級(jí)上，PLC通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與上位機(jī)相連，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，以便于操作員的分析與管理；在控制級(jí)上，主要是由兩套PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集并實(shí)施相關(guān)的控制；在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)上，由于I/O數(shù)量很多，所以采用ET200M模塊，大大縮短了電路的接線長(zhǎng)度，減少了信號(hào)的干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性；在通訊網(wǎng)絡(luò)上，本系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)作為通訊網(wǎng)絡(luò)，具體優(yōu)點(diǎn)如下：

1) 連接簡(jiǎn)單，試運(yùn)行過(guò)程短。

2) 易于和Internet集成。

3) 采用冗余的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證了可靠性。

4) 開(kāi)放性強(qiáng)。

3 鍍膜傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

整個(gè)鍍膜生產(chǎn)線按工藝流程（如圖1所示）可分為上片臺(tái)、加熱爐、鍍膜室1、烘干室1、鍍膜室2、烘干室2、冷卻室、下片臺(tái)，其上位監(jiān)控界面如圖2所示。整個(gè)傳動(dòng)部分由8臺(tái)電機(jī)組成，同時(shí)在各個(gè)位置安裝了光傳感器和編碼器，以便于精確的計(jì)算玻璃所處的位置，其整個(gè)鍍膜流程為：玻璃樣品由上片臺(tái)進(jìn)入加熱爐后開(kāi)始以往復(fù)運(yùn)行方式加熱至溫度T，待溫度平衡后進(jìn)入鍍膜室1，根據(jù)工藝要求，在鍍膜室1打開(kāi)所需氣體的閥門(mén)進(jìn)行鍍膜，鍍膜完成后進(jìn)入烘干室1，在烘干室1進(jìn)行往復(fù)的運(yùn)行，經(jīng)過(guò)時(shí)間T1后進(jìn)入鍍膜室2，同樣是根據(jù)不同工藝的要求打開(kāi)所需氣體的閥門(mén)進(jìn)行鍍膜，鍍膜完成后進(jìn)入烘干室2，在烘干室2進(jìn)行往復(fù)的運(yùn)行，經(jīng)過(guò)時(shí)間T2進(jìn)入冷卻室，在冷卻室進(jìn)行往復(fù)運(yùn)行，經(jīng)過(guò)時(shí)間T3后進(jìn)入下片臺(tái)完成鍍膜。在整個(gè)鍍膜工藝中，電機(jī)的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、勻速、減速、加熱爐上下部溫度等都是由PLC控制實(shí)現(xiàn)。用STEP7編程軟件提供的功能塊FC105、FC106來(lái)完成A/D或D/A的轉(zhuǎn)換[5]，且各個(gè)工藝參數(shù)（如圖3所示）加熱爐加熱時(shí)間、加熱溫度、傳動(dòng)速度等都是可設(shè)置的，同時(shí)組態(tài)有報(bào)警畫(huà)面，當(dāng)有緊急情況時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)并記錄數(shù)據(jù)。

圖1 鍍膜工藝流程圖

圖2 鍍膜傳動(dòng)系統(tǒng)流程圖

圖3 工藝參數(shù)調(diào)整畫(huà)面

4 鍍膜配氣部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鍍膜配氣部分(如圖4所示)主要是對(duì)MBTC、TFA、Zn、H2O、O2、N2、Sbcl3等氣體實(shí)施溫度，壓力、氣體流量等信號(hào)的采集，并進(jìn)行相關(guān)控制。對(duì)于溫度的控制，根據(jù)鍍膜過(guò)程中的不同階段對(duì)各個(gè)鼓泡器的溫度進(jìn)行控制，同時(shí)設(shè)定報(bào)警系統(tǒng)并將結(jié)果顯示在監(jiān)控界面中；氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥主要是控制氣體的流向，可根據(jù)工藝要求，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的互鎖，同時(shí)設(shè)有急停按鈕，當(dāng)有緊急情況時(shí)，可實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的同時(shí)關(guān)閉[6]；氣體流量的控制采用模糊PID參數(shù)自整定的控制方法，模糊PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖5所示，與傳統(tǒng)的PID控制不同的是：它是基于傳統(tǒng)的PID控制器和模糊控制器組成的，采用偏差e和偏差率△e作為輸入，即找到PID的三個(gè)參數(shù)與偏差e和偏差率△e之間的模糊關(guān)系，通過(guò)模糊控制原理能在線計(jì)算出不同狀態(tài)下kp、ki、kd的值,然后作用于PID控制。

圖4 鍍膜器氣體控制系統(tǒng)圖

本系統(tǒng)根據(jù)工藝要求，設(shè)計(jì)以下控制策略：當(dāng)檢測(cè)到流量控制器的開(kāi)度小于30%或壓力大于0.5Bar時(shí)就會(huì)關(guān)閉所有的流量控制器，當(dāng)流量開(kāi)度大于某一設(shè)定值得時(shí)候就會(huì)由鍍膜模式轉(zhuǎn)為關(guān)閉模式。

圖5 模糊PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

鍍膜監(jiān)控系統(tǒng)控制模式一共分為六種：手動(dòng)模式（FC20）、等待模式（FC21）、清潔模式（FC22）、鍍膜模式（FC23）、暫停模式（FC24）、關(guān)閉模式（FC25），每一種模式都采用模塊化的方法進(jìn)行編程，每一種固定的模式狀態(tài)都有一系列的先后順序、步驟、閥門(mén)及流量計(jì)的轉(zhuǎn)換。主要包括閥門(mén)狀態(tài)、流量改變、檢測(cè)流量等。下面給出鍍膜工作模式配氣系統(tǒng)的部分步序程序:

根據(jù)工藝要求，軟件互鎖和緊急停止區(qū)域也是系統(tǒng)的重要部分，具體如下：

1）鼓泡器清潔是指在鼓泡器化學(xué)品進(jìn)入鍍膜器之前必須清潔一定的時(shí)間，以保證管道無(wú)殘余化學(xué)氣體。

2）MBTC/水檢測(cè)互鎖程序是指檢測(cè)水的流量是否向鍍膜器輸送，目的是保證當(dāng)從鼓泡器出來(lái)的MBTC輸送到鍍膜器的時(shí)候，必須有水輸送到鍍膜器。

3）污染車(chē)間故障或MBTC緊急停止都是安全互鎖文件重要的組成部分，當(dāng)DCS輸出狀態(tài)和閥門(mén)的實(shí)際狀態(tài)不一致的時(shí)候就會(huì)報(bào)警。

4）鍍膜器冷卻系統(tǒng)報(bào)警主要有鍍膜器導(dǎo)熱油冷卻系統(tǒng)和鍍膜器水冷卻系統(tǒng)兩部分組成，是為了保證鍍膜器時(shí)刻處于安全穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

5）緊急停止區(qū)域分為化學(xué)物品的緊急停止和各個(gè)分鼓泡器緊急停止。如果“化學(xué)品緊急停止”按鈕按下，所有分系統(tǒng)都進(jìn)入不安全狀態(tài)；如果各個(gè)鼓泡器緊急按鈕被按，僅僅按鈕被按的區(qū)域系統(tǒng)進(jìn)入不安全狀態(tài)。

以上軟件互鎖和緊急停止區(qū)域在PLC上都是以模塊化進(jìn)行編程，如圖6所示。

圖6 配氣系統(tǒng)下位程序

5 人機(jī)界面組態(tài)

系統(tǒng)采用WinCC 7.0監(jiān)控軟件作為組態(tài)界面，能夠顯示各工藝流程畫(huà)面和工藝參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制整個(gè)鍍膜系統(tǒng)[7]。鍍膜監(jiān)控系統(tǒng)畫(huà)面主要包含控制主界面、鍍膜器A運(yùn)行界面、鍍膜器B運(yùn)行界面、加熱爐控制界面、COATER系統(tǒng)界面、油溫機(jī)界面、氣體系統(tǒng)界面、趨勢(shì)圖等。在工藝畫(huà)面上顯示有整個(gè)設(shè)備的模擬圖，相應(yīng)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，電機(jī)的啟停都可以通過(guò)顏色的變化來(lái)顯示相應(yīng)的狀態(tài)[8]。溫度、壓力、流量通過(guò)使用輸入輸出域顯示在組態(tài)畫(huà)面中。為了安全，界面中增加了報(bào)警系統(tǒng)（如圖7所示）和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，能及時(shí)處理緊急情況并且查詢(xún)歷史記錄，方便管理。

圖7 報(bào)警記錄

6 結(jié)束語(yǔ)

玻璃鍍膜采用PLC控制技術(shù)與WinCC軟件結(jié)合的方式實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行情況，大大降低了操作人員的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度。實(shí)踐證明，該鍍膜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，精度高，操作方便，能滿足不同工藝的要求。

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