基于S7-300糖廠蔗渣爐喂料器自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郭 平，李曉東，郭 勇

（1.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023；2.廣西來賓東糖遷江有限公司，來賓 546131）

0 引言

在我國的制糖行業(yè)中自動(dòng)化水平是相對較低的，在科技快速發(fā)展的今天，技術(shù)水平落后已經(jīng)尤為突出。隨著國家節(jié)能減排的政策趨于嚴(yán)厲，制糖行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，人工操作已經(jīng)難以達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高糖分收回、節(jié)能降耗、提高效益的要求。為了提高產(chǎn)品的市場競爭力以及與世界接軌，實(shí)現(xiàn)糖業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化是制糖行業(yè)的必然發(fā)展方向。

本文針對廣西某糖廠采用S7-300 PLC實(shí)現(xiàn)的蔗渣鍋爐喂料器自動(dòng)控制系統(tǒng)做了介紹。工人只需在操作過程中設(shè)定鍋爐汽包壓力，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)連續(xù)的監(jiān)視和控制鍋爐喂料器，從而有效控制鍋爐的給渣量，所有的工作狀態(tài)均可以在工控機(jī)上進(jìn)行監(jiān)控。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于S7-300 PLC糖廠蔗渣鍋爐喂料器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由1臺裝有WinCC組態(tài)軟件的工控機(jī)作為上位機(jī)，監(jiān)控整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況。主站為西門子S7-300 PLC，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)控制，CPU型號為CPU315-2PN/DP，集成有2個(gè)PROFINET 接口，一個(gè)MPI/PROFIBUS接口。PROFINET 接口用于上位機(jī)連接，鍋爐的7臺送料電機(jī)（共有七個(gè)送料槽）分別由7臺MM440變頻器驅(qū)動(dòng)，變頻器MM440通過CBP板連接在Profibus-DP總線上。該糖廠共有2個(gè)鍋爐，1#鍋爐有3個(gè)送料槽，2#鍋爐有4個(gè)送料槽，每個(gè)送料槽有4個(gè)料位檢測點(diǎn)，采用歐姆瓏的料位傳感器。送料槽如果全空，送料槽擋板的開度100%；如果送料槽料位為1/4，送料槽擋板開度75%，依次類推。S7-300 PLC的CPU根據(jù)采集到的料位信號，輸出4mA～20mA電流控制信號（開度信號）給電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將控制信號與現(xiàn)場的開度信號（位置變送器的反饋信號）相比較，最終決定使現(xiàn)場的執(zhí)行器電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，以此來控制送料槽擋板開度。S7-300 PLC屬于模塊式PLC，各種模塊安裝在機(jī)架上，可以方便擴(kuò)展各種I/O模塊，滿足系統(tǒng)料位檢測、擋料板控制要求。

圖1 糖廠蔗渣爐喂料器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用西門子S7-300 PLC,其構(gòu)成的PLC硬件系統(tǒng)如圖2所示。32路數(shù)字輸入模塊用于鍋爐送料槽料位檢測及系統(tǒng)控制信號輸入，選用數(shù)字輸入模塊SM 321，DI32×DC24V（訂貨號6ES7321-1BL00-0AA0）；8路數(shù)字輸出模塊用于系統(tǒng)報(bào)警信號輸出，選用數(shù)字輸出模塊SM322，DO8×DC24 V/0.5A（訂貨號6ES7322-8BF00-0AB0）；2塊8路模擬輸入模塊用于采集擋料板實(shí)際開度反饋及鍋爐汽包壓力，選用模擬輸入模塊SM331，AI8×12 位（訂貨號6ES7331-7KF02-0AB0）；1塊8路模擬輸出模塊用于擋料板開度控制，選用模擬輸出模塊SM 332，AO 8×12 位（訂貨號6ES7332-5HF00-0AB0）。

圖2 PLC硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

利用S7-300 PLC的編程軟件SIMATIC STEP 7可以對整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)、編程和監(jiān)控。首先對主站S7-300 PLC進(jìn)行組態(tài)，包括電源模塊、CPU模塊、各I/O模塊；然后對現(xiàn)場總線Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)及變頻器MM440進(jìn)行組態(tài)。硬件組態(tài)和參數(shù)設(shè)置完畢后編譯下載到PLC中，整個(gè)控制系統(tǒng)的組態(tài)圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)的組態(tài)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 S7-300與MM440間DP通信程序

主站S7-300 PLC CPU集成的DP接口通過Profibus電纜與變頻器的CBP通信板上的DP接口連接，采用Profibus-DP通信協(xié)議進(jìn)行通信。CBP接口板是西門子變頻器的DP通信擴(kuò)展板，具有電位隔離的RS-485接口，可以使用Profibus協(xié)議或者USS協(xié)議進(jìn)行通信。

下面以1#送料電機(jī)為例，說明主站S7-300 PLC與MM440變頻器的通信。

1）變頻器的參數(shù)設(shè)置。S7-300 PLC與變頻器通信，必須完成變頻器相關(guān)通信參數(shù)的設(shè)置，如表1所示。

表1 變頻器DP通信參數(shù)設(shè)置

2）S7-300與MM440的通訊主要是對4個(gè)字PKW和2個(gè)字PZD進(jìn)行讀寫，為使程序編寫更為方便，在程序中開辟一數(shù)據(jù)塊DB1，用來存放要讀寫的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)塊格式與PKW和PZD的結(jié)構(gòu)相似，如圖4所示。

圖4 DB1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3）電機(jī)控制程序

STEP7中的I/O存取命令不允許用單字節(jié)、單字或雙字命令去存取具有3個(gè)或大于3字節(jié)的相連續(xù)的DP數(shù)據(jù)區(qū)域（模塊）。因此，為了存取這種封閉結(jié)構(gòu)的相連續(xù)的數(shù)據(jù)區(qū)域，要調(diào)用SFC15給數(shù)據(jù)打包，調(diào)用SFC14給數(shù)據(jù)解包，這樣數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式一次性完成發(fā)送、接收，保證了數(shù)據(jù)一致性，部分程序如圖5～圖8所示。

程序段1：設(shè)置DB1中要發(fā)送的PZD區(qū)控制字和主設(shè)定值，主設(shè)定值來自于對應(yīng)PID回路計(jì)算的調(diào)節(jié)值。

圖5 程序段1

程序段2：調(diào)用SFC15和SFC14進(jìn)行通訊操作。

圖6 程序段2

程序段3：設(shè)置DB1中要發(fā)送的PKW區(qū)控制參數(shù)。

圖7 程序段3

程序段4：讀取當(dāng)前電壓值，并存儲(chǔ)在DB1.DB4開始的4個(gè)字節(jié)中。

圖8 程序段4

3.1.2 PID控制程序

在過程控制中，PID控制器一直是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器，PID控制算法也一直是眾多控制方法中應(yīng)用最為普遍的控制算法。在送料電機(jī)控制系統(tǒng)中，采用PID控制算法。用壓力測量變送器檢測鍋爐汽包壓力，并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電流信號，然后送入S7-300 PLC，CPU將它與鍋爐汽包壓力設(shè)定值做比較，并按PID控制算法對誤差值進(jìn)行運(yùn)算，最后將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為電流信號，驅(qū)動(dòng)變頻器對送料電機(jī)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。本例中采用輸出為連續(xù)模擬量的FB41“CONT_C”來實(shí)現(xiàn)PID功能，下面是主要控制程序。

1#、2#鍋爐共有7臺送料電機(jī)，每臺均采用PID控制，需要為每一臺電機(jī)開辟一個(gè)數(shù)據(jù)塊，用來存儲(chǔ)各自的PID控制參數(shù)，如圖9所示。

圖9 存儲(chǔ)PID參數(shù)數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在循環(huán)中斷組織塊OB35中調(diào)用連續(xù)PID控制功能塊FB41，同時(shí)指定相應(yīng)的背景數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)塊DB3，如圖10所示。

圖10 PID控制功能塊調(diào)用

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

WinCC是西門子公司與微軟公司合作開發(fā)的、開放的過程可視化系統(tǒng)。WinCC采用標(biāo)準(zhǔn)Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的歸檔；WinCC提供OLE、DDE、ActiveX、OPC服務(wù)器和客戶機(jī)等接口或控件，可以方便的與其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)；WinCC具有開放的API編程接口，可以在用戶程序中集成WinCC部分功能。

本設(shè)計(jì)采用WinCC進(jìn)行上位機(jī)軟件開發(fā)，根據(jù)工藝要求設(shè)計(jì)的鍋爐喂料器監(jiān)控畫面如圖11所示。

圖11 鍋爐喂料器監(jiān)控畫面

4 結(jié)束語

隨著制糖企業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，自動(dòng)化程度逐步提高，有效減輕了員工的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，提高了生產(chǎn)效率，增加了效益。采用基于S7-300 PLC、變頻器以及WinCC組態(tài)軟件的糖廠蔗渣鍋爐喂料器控制系統(tǒng)，經(jīng)過在廣西某糖廠2個(gè)榨季的使用情況表明,該控制系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、操作簡單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、維修方便等特點(diǎn)，為節(jié)能降耗的目標(biāo)作出了較大的貢獻(xiàn)，同時(shí)司爐工的勞動(dòng)強(qiáng)度也大大地降低。

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