Simatic S7 在过程自动化中的应用

随着微处理器、计算机和数字通信技术的发展，计算机控制已经广泛的应用于工业控制领域，可编程控制器（PLC）以其具有高可靠性，强抗干扰，低维护量，易于扩展的优点，更是得到了广大用户的认可。单以西门子SIMANTIC控制器构成的控制系统为例，化纤公司现运行的足有十几套（见表1），大到处理量有上百点的S7-300控制系统，小到几十点的S7-200控制系统，甚至还有几个点的LOGO控制器。为了保证工艺车间正常的生产并有效的维护好这些设备，使控制系统处于一个完好的运行状态，对于从事仪表工作的人员有必要对这些系统进行深入细致的探讨，更好的掌握它们的性能及控制原理。 本论文以聚合2万吨气力脉冲输送系统、USG900H切粒系统、公用工程生产监控系统三个典型的系统为例，从工艺原理，控制系统构架，部分重要连锁、顺控做了细致的阐述。 聚合2万吨气力脉冲输送系统： 本输送装置为化纤行业大力发展的气力脉冲输送系统，该系统属于密相栓流气力输送,其发送原理是发送罐内的切片在一定的压力作用下被压出,并由发送罐出口处脉冲气流(气刀)切割成料栓,形成气料相间状,在管道内流向目的料仓。 整套装置包括5个系统: ①一次系统：它是一个一送三系统,即通过换向阀的切换,把物料分别送到三个不同的料仓。②二次输送：它是一个一送二系统,即通过换向阀的切换,把物料分别送到二个不同的料仓。③补气系统：为了确保每个料仓及整个系统微正压,在每个料仓上及回气管道上安装由微正压变送器调压阀及电磁阀组成的补气系统，当压力变送器测量值低于设定的下下限时，补气电磁阀开启，通 过减压后的氮气补入料仓，测量值高于下限，补气电磁阀关闭。④氮气回收系统：输送后的尾气经过过滤、除尘后,再由压缩机压缩成高压气体进入储气罐循环使用。⑤控制系统（图2）：根据输送系统控制元件分散的特点本系统的控制单元采用的是SIEMENS S7-300可编程控制器结合远程控制模块ET200M的组成方式，将控制柜分成主柜（安装于中央控制室）、一次输送控制柜（安装于一次输送现场），二次输送控制柜（安装于二次输送现场），料仓控制柜（安装于除尘器旁）。各元件的信号采集与控制由就近相应的控制模块完成，主站(CPU314)与各从站(ET200M)之间通过PROFIBUS-DP过程现场总线连接。在PROFIBUS现场总线中，PROFIBUS-DP的应用最广，DP协议主要用于PLC与分布式I/O和现场设备的高速数据通讯。一般来讲，对于一些分布很广的系统，可采用分布式I/O，将他们放置在离传感器和执行机构较近的地方，分布式I/O通过PROFIBUS-DP网络与PLC通信，这样可以最大限度的减少现场接线工作和减少接线成本，并且因为走线距离短,可以减少信号衰减和各种干扰对信号的影响，切片输送控制系统正是满足了这一点。其系统构架如(图2)所示: 中央机架的最左边1号槽位被电源模块(PS307)占用，输入220VAC输出24VDC给处理器CPU314和数字DI/O模块提供必要的电源，2号槽上放置CPU314模块，3号槽是接口模块，在此系统上没有用到，但在硬件组态时是要预留此槽位的，数字量输入模块SM321共有3块,占用4～6号槽位。数字量输出模块SM322共有4块占用7～10号槽位，最后一个槽位被通讯处理器模块（CPU342-5）占用, CP342-5是将PLC连接到PROFIBUS-DP总线系统的低成本的DP主/从站接口模块，在11号槽位增加专用通讯处理模块的作用有两个一是可使不具备PROFIBUS-DP通讯能力的CPU314挂到PROFIBUS-DP网段上， 二是主站与从站的通讯由通讯处理模块来完成由此可减轻CPU的通讯负担。SIEMENS S7-300硬件组态的原则是：一个机架中除电源（PS）、处理器（CPU）、接口模块外（IM），信号模块（SM）、功能模块（FM）、通讯处理器模块（CP）的总和不能超过8块，因此要想在图2的中央机架中扩展额外的模块已经不可能了，除非像公用工程监控系统那样再进行机架的扩展。三个从站（ET200M）通过接口模块IM153-1连接到了PROFIBUS-DP网段上，ET200M是基于PROFIBUS-DP现场总线的分布式I/O，最多可以扩展8个模块,连接256个I/O通道，它可应用于恶劣工作环境当中，基于此特点3个控制分柜分别放在了工作环境相对恶劣的现场。 气力脉冲输送系统的控制方式有手动、自动两种，可在主控制柜上进行选择。系统补气、氮气回收、物料的发送过程等通过内部逻辑运算后再驱动外部的执行元件（电磁阀）来完成，下面将以梯形图（图3）逻辑为例来说明它的自动发送过程。 要使发送自动进行须满足以下条件：①选择好往哪一料仓送料(M89.4应为1)，②在主柜控制盘上选择的是用系统1来发送物料(DB4.DBX1.2应为1)，③系统1正在运行（M10.0应为0）， ④发送罐料位模拟灯亮(Q13.6为1)，⑤排气电磁阀关闭（DB2.DBX1.3应为1），⑥进料阀关闭后1秒钟。以上六个条件同时满足后充气电磁阀打开(M89.4为1)，开始向发送罐内补气，再过1秒钟后气刀发出脉冲性动作（200ms电磁阀带电，800ms电磁阀失电），开始发送物料。 USG900H切粒系统： 工艺原理：高温熔融的聚合体经过铸带头形成带条，带条经过溢流水和喷淋水的传送、冷却进入到切刀室,然后再经过170mm（Upper feed roller）和90mm(Lower feed roller)相向运动的罗拉牵引至切刀处，旋转的切刀把冷却后的带条切割成合适的宽度,再通过输送水把切片从切刀室送出。 控制系统（图5）由带有通讯接口的变频器，LAUER操作面板和中央处理器CPU315-2DP及若干信号模块组成。工艺及设备维护人员可通过操作面板进行参数的设定、故障诊断，旁路开机、停机条件等。变频器接收中央处理器CPU315（通过PROFIBUS－DP总线）发送过来的频率信号，并把工频电源转换为一定频率的交流输出去驱动切刀电机和罗拉电机以确保生产出长度合适的切粒，切片的长度可通过以下公式求得: L=S/(N×M) L:切片长度 S:170mm罗拉的线速度 N:切刀电机的转速r/M M:切刀的牙数 CPU315-2DP是整个控制系统的核心，通过它可以实现变频器、LAUER操作面板、PLC三者之间的通讯，通过内部的数学和逻辑运算以实现PID控制，切粒机的起停和安全保护控制。对中央机架进行硬件组态时1和3号槽位分别为电源模块和接口模块预留,2号槽位放置处理器CPU315-2DP,由于CPU315具有DP接口所以可直接通过此端口连接到PROFIBUS－DP网段上而不像切片输送系统中的CPU314那样需要再配备专用的通讯处理模块,4号槽位为AI4/AO2×8/8模拟量输入输出模块,切粒机的3个带条温度模拟信号（仅此3个模拟量输入）由此输入，设置温度模拟量输入PLC的目的是：实时测量到的带条温度与工艺人员通过操作面板设定的温度进行比较以确定是否超出设定范围，5～7号槽位为DI16×DC24V数字输入模块, 9～11号槽位为DO16×DC24V/0.5A数字量输出模块。 切粒机的逻辑控制包括了铸带刮板的动作过程，承接板的动作，带条监测故障，水系统 故障，汽缸连锁，切刀及罗拉电机起停等几部分的连锁及顺控，下面以罗拉电机的启停来了解它的设计思想。 罗拉电机的起停由继电器线圈-K2决定，线圈带电，电机运转，线圈失电，电机停止。由图6可看出电机的起停条件由两部分组成，一部分是在硬件中实现，一部分是在PLC内通过逻辑运算后驱动输出位A20.1来实现。 其中硬件部分的连锁条件有： （1）紧急停车按钮是否按下 （2）导向部分是否入位 （3）气缸是否锁定 （4）联结装置导向部分是否锁定 （5）联结装置驱动部分是否锁定 （6）90mm罗拉电机过热保护是否动作 （7）170mm罗拉电机过热保护是否动作 软件部分的连锁条件有： （1）24V控制电源是否正常 （2）紧急停车按钮是否恢复 （3）切刀电机变频器是否有故障 （4）170mm罗拉电机变频器是否有故障 （5）90mm罗拉电机变频器是否有故障 （6）切刀盖是否盖好 （7）导向部分是否入位 （8）联结装置驱动部分是否锁定 （9）气缸是否锁定 （10）速度信号是否正确。 （11）切刀电机过热保护是否动作 （12）90mm罗拉电机过热保护是否动作 （13）170mm罗拉电机过热保护是否动作 从以上条件我们看出在硬件中实现的重要连锁条件又在软件中被重复引用了，这样做可使连锁动作更加安全、可靠，起到了双重保险的功能，有效的保护了设备与人身的安全。例如因为导向部分未到位的回讯探头有故障（实际导向部分已经到位，只是探头损坏而已）而致使电机不能启动，查看操作面板确实也出现了此故障信息，此时不要以为通过笔记本强制输入条件而消除了报警信息就能够把电机启动起来，此时应该检查一下-U3的两个输出触点是否都闭合。切刀电机的起停、铸带刮板汽缸、承接板汽缸、连锁汽缸的电磁阀线圈的控制也与此类似。 公用工程生产监控系统： 2004年由最早的盘装仪表该造而成，下位机以SIEMENS S7-300系列的CPU315-2DP作为现场控制单元，处理器CPU315-2DP具有很强的逻辑运算和数学浮点运算能力，CPU315-2DP本身集成了PROFIBUS-DP和MPI通讯接口，因此它也具有很强的连网通讯能力，公用工程生产监控系统的特点是：点数多，数据处理量大，采集的信号既有离散的数字量又有连续的模拟量，既有数字逻辑运算，又有模拟的PID数学运算。因为系统的点数较多，又考虑到系统的可扩展性，因此本系统通过接口模块IM360/IM361进行了机架的扩展 ，为系统预留 出一定的富余通道便于以后在此基础上增加新的控制回路。IM360/