基于S7-300 PLC 的電鍍恒溫控制系統(tǒng)設計

徐竟天，張?zhí)鹛?，程瑞洲，趙曉姣

（西安石油大學電子工程學院，陜西 西安 710065）

出于成本和操作考慮，早期電鍍生產(chǎn)線的工藝參數(shù)監(jiān)控多以繼電器方式實現(xiàn)，盡管能滿足控制要求，但可靠性和故障率存在諸多問題。通過PLC(可編程邏輯控制器)監(jiān)控電鍍生產(chǎn)線，可減少繼電器控制出現(xiàn)的問題，同時減輕了工作人員的勞動強度，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率大幅度提高，經(jīng)濟效益很好[1-3]。

某舊式手工生產(chǎn)線，工件電鍍時間的“開始/停止”和電鍍工藝的“啟/停”按鈕靠手動操作。電鍍過程中的電流和電壓由智能儀表顯示，控溫過程由PID(比例-積分-微分)儀表完成，但控制冷水和熱蒸汽的電磁閥卻需人工切換，因此，控制精度不高，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。針對此問題，根據(jù)工廠原有的電鍍設備，本文以西門子S7-300 PLC 為核心設計了電鍍生產(chǎn)線智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了恒溫控制。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電鍍工藝有鍍鉻、活化、熱水洗、冷水洗等工序，運行中的電鍍槽如圖1 所示。鍍鉻槽、活化槽、熱水洗槽依據(jù)工藝要求分別配有不同功率的風機，工藝槽編號及排列如圖2 所示。鍍鉻槽需監(jiān)控的參數(shù)有電流、槽電壓、槽液溫度、液位、電鍍時間等，考慮到需監(jiān)控的點數(shù)較多，通過合理分配I/O 點以確保系統(tǒng)發(fā)揮最佳控制功能，AI、AO、DI、DO 信號在各個模塊按相同順序接線，分配相似變量地址。最終生產(chǎn)線的模擬量輸入輸出點數(shù)總共有128 個，數(shù)字量輸入輸出158 個，并留有擴展余地。

圖1 電鍍槽運行中的照片F(xiàn)igure 1 Photo of the running plating tank

圖2 電鍍工藝槽編號及平面布置圖Figure 2 Layout drawing of the plating tanks and their numbering

該電鍍控制系統(tǒng)由工控機、西門子S7-300 PLC 和PROFINET 總線組成。2 臺工控機(上位機)實現(xiàn)軟冗余，安裝有組態(tài)王KingView 6.55 軟件，監(jiān)控現(xiàn)場相關數(shù)據(jù)，并根據(jù)工藝要求作出適當?shù)牟僮骱吞幚?。下位機采用西門子公司S7-300 PLC，采集數(shù)據(jù)并將信息及時上傳至上位機?，F(xiàn)場安裝了西門子SmartLine 7 寸觸摸屏(圖3)，監(jiān)控鍍槽工藝流程，可根據(jù)要求更改參數(shù)。由昌輝智能儀表實時顯示鍍槽內(nèi)電流、電壓、槽液溫度等參數(shù)。

圖3 觸摸屏照片F(xiàn)igure 3 Photo of touch screen

S7-300 PLC 電鍍生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 4 Framework of the control system

本控制系統(tǒng)電源模塊選用PS307 10A，CPU 模塊選用CPU 315-2PN/DP，其帶有1 個PROFIBUS 總線接口。模擬量輸入模塊選用SM331，AI 8 × 13 位；模擬量輸出模塊選用SM332，AO 8 × 12 位；數(shù)字量輸入模塊選用SM321，DI32 × DC24V；數(shù)字量輸出模塊選用SM322，DO32 × DC24V/0.5A；參數(shù)可通過模板上的量程模塊或編程軟件設定。控制系統(tǒng)硬件組成如圖5 所示。

圖5 控制系統(tǒng)的硬件組成Figure 5 Hardware of the control system

因為315-2PN/DP 配置有1 個PROFINET 工業(yè)以太網(wǎng)接口，所以工控機通過以太網(wǎng)與PLC 通信。S7-300 PLC的編程軟件為STEP 7 V5.4，可完成PLC 編程、參數(shù)設置、地址分配等。西門子SmartLine 7 寸觸摸屏的組態(tài)軟件為Simatic WinCC flexible 2008，主要完成觸摸屏編程以實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控、操作、參數(shù)設定等，通過以太網(wǎng)與PLC進行數(shù)據(jù)傳輸。

2 溫度控制策略

2.1 工作原理

鍍液溫度在工藝中發(fā)揮著關鍵作用，其參數(shù)變化會直接影響電鍍質(zhì)量。溫度控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。

原生產(chǎn)線中，主要通過電熱絲和熱蒸汽升溫鍍液，通冷水降溫。熱蒸汽和冷水在槽內(nèi)共用1 個管道，槽外由電磁閥控制切換熱蒸汽和冷水，控溫原理如圖6 所示。電熱絲功率較小，加熱緩慢，熱蒸汽和冷水可快速加熱與降溫。原生產(chǎn)線用PID 表控制電熱絲進行慢加熱，但因為其無法同時控制冷水和熱蒸汽電磁閥自動切換，所以只能手動切換。實際使用時頻繁切換無形中加大了操作工人的工作強度，更重要的是工人往往會忘記適時切換冷水和熱蒸汽電磁閥，致使槽液溫度超調(diào)嚴重，鍍件質(zhì)量不穩(wěn)定。鑒于此，選用PID 控制電熱絲連續(xù)加熱，熱蒸汽和冷水閥自動切換方式來實現(xiàn)鍍液恒溫控制。

圖6 電鍍槽溫度控制示意圖Figure 6 Schematic diagram of temperature control of plating tank

新的電鍍槽液溫控制原理是：熱電偶檢測液溫，經(jīng)溫度變送器將采集的數(shù)值轉(zhuǎn)換成對應的4 ～ 20 mA 電流信號，通過S7-300 SM331 模塊A/D 轉(zhuǎn)換后進入PLC，PLC 的CPU 模塊將它與設定值進行比較，根據(jù)PID 控制算法進行運算，再將結(jié)果送給S7-300 SM332 模擬量輸出模塊，經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換后變?yōu)? ～ 20 mA 的電流信號，控制電熱絲的功率，實現(xiàn)溫度恒值PID 控制。同時PLC 通過邏輯編程，自動控制冷水和熱蒸汽電磁閥切換，實現(xiàn)快速加熱與降溫，整個過程無需人員參與，控溫可達到理想效果。

2.2 控制策略

由于PID 控制具有算法簡單、易實現(xiàn)、靈活性較強、準確性較高等特點，在控溫方面應用十分廣泛[4-5]。PLC模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖7 所示。

圖7 PID 控制系統(tǒng)Figure 7 PID control system

由于溫度梯度效應以及現(xiàn)場環(huán)境的影響，溫度必定存在一定的誤差。但該誤差很小且不會影響電鍍質(zhì)量，因此不予考慮。在實際生產(chǎn)中，根據(jù)鍍槽內(nèi)實際溫度C(θ)與設定溫度Sp(θ)相比較，進行溫度控制。由PID 程序控制電熱絲加熱，過程中一直處于工作狀態(tài)。系統(tǒng)根據(jù)程序判斷，當E(θ) = C(θ) - Sp(θ) ＞2 °C 時，PLC 發(fā)出指令關閉熱蒸汽閥，打開冷水電磁閥；當E(θ) ＜ -2 °C 時，關閉冷水電磁閥，打開熱蒸汽電磁閥；當-2 °C ＜ E(θ) ＜2 °C 時，冷水電磁閥和熱蒸汽電磁閥全部關閉，PID 程序控制電熱絲實現(xiàn)小溫度區(qū)域內(nèi)的恒溫控制。溫度控制流程如圖8 所示。

圖8 溫度控制流程圖Figure 8 Flow chart for temperature control

2.3 連續(xù)PID 控制器FB41

S7-300 PLC 提供了2 種PID 溫度控制方式，第一種是FM 355 閉環(huán)控制模塊，第二種是利用普通的信號模塊與PID 控制編程功能塊(FB)相結(jié)合來實現(xiàn)[6-7]。由于FM 355 的價格太高，因此選用第二種方式。

FB41“CONT_C”(連續(xù)控制器)的輸出為連續(xù)變量，輸出數(shù)值一般用AO 模塊轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬量，F(xiàn)B41采用位置式PID 算法，比例運算、積分運算和微分運算三部分并聯(lián)[8-10]。DB41 為其背景數(shù)據(jù)塊。因為溫度是連續(xù)變量，所以本次項目溫度控制主要選用FB41 功能塊完成，其需要調(diào)試的主要參數(shù)見表1。

表1 FB41 功能塊主要參數(shù)Table 1 Main parameters of FB41 block

溫度變送器將測得的溫度通過SM331 的PIW258 通道送進CPU 后，在模塊FB41 中進行PID 運算，結(jié)果經(jīng)EM332 的PQW256 通道輸出。FB41 程序塊控制原理如圖9 所示。

圖9 FB41 程序塊實現(xiàn)控制的原理Figure 9 Principle of FB41 block controlling

通過使用FB41 功能塊實現(xiàn)了PID 控制，輸出通道PQW256 控制電熱絲的功率。部分STL 語言如下：

3 結(jié)語

基于S7-300 PLC 的恒溫電鍍控制系統(tǒng)具有較強的適應能力。系統(tǒng)運行1 年多來，穩(wěn)定性好，基本無需日常維護；能較好地實現(xiàn)恒溫效果，控溫精度明顯改善，并有效地將溫度波動控制在誤差允許范圍內(nèi)；精確的時間監(jiān)控保證了所需的鍍層厚度；工人工作量顯著下降，僅需按照系統(tǒng)報警信號提示，在電鍍工序結(jié)束后將工件移出鍍槽；操作界面簡單、明確、清晰，極大地方便了工人的操作。

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