S7_300PLC在水泥粉磨站控制系統中的應用

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中的應用。從水泥粉磨的工藝流程，控制系統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PID控制算法來實現粉磨站配料控制。該系統自運行以來，各項功能正常，設備運行穩定，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

隨著水泥生產規模的擴大和連續性的提高，首先要求控制系統能夠進行集中管理和操作，統一協調各個車間或部門的生產，確保整個生產連續穩定進行，充分發揮大規模生產的優勢，又要求避免由于集中帶來的危險。同時由于生產速度的加快，這就要求控制系統也能快速可靠地做出反應，來適應其速度要求。在這種環境下要充分發揮現代化生產的優勢，獲得較高的經濟效益，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模和要求的控制系統以適應各種工業控制的需要，因此可以把它看作實現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，實現生產過程監控管理一體化，使粉磨站不僅在生產上具有過程控制自動化，更在管理上具有現代化水平。

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，經出磨螺旋輸送機進入斗式提升機，提升到水泥庫頂的螺旋輸送機，之后卸入到水泥庫中。

1.4 水泥入包裝車間

水泥經卸料器卸出后，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 控制系統組成及功能

水泥粉磨站控制系統的組成如圖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場控制過程之間的一個窗口。操作員根據顯示的過程信息實施對工業過程的監視和操作，以保證生產過程的安全經濟性。工程師站是專門為工程師準備的，是進行系統設計、組態、調試、監視的工具。操作員站和工程師站通過工業以太網與PLC實現數據的雙向通訊[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監測和控制的要求。

圖2 系統網絡結構圖

2.1 PLC的硬件配置

可編程控制器（PLC）實際是一種工業控制計算機，它的硬件結構與一般微機控制系統相似，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。近些年來發展成為應用面極廣的工業控制裝置。它按照成熟而有效的繼電器設計思想，利用不斷發展的新技術、新電子器件，逐步成為具有特色的系列產品。本系統將采用SIEMENS公司生產的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配置、程序的編寫和調試；在線診斷PLC硬件狀態；控制PLC和I/O通道的狀態等。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)，數據塊(DB)等，不同類型的程序塊實現的功能不同，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（型號與數量）

圖3 普通電機控制梯形圖

監控軟件采用SIEMENS公司的WinCC V6.0，它通過監控模塊的組態能方便地生成靜態底圖并在底圖基礎上動態顯示過程參數及狀態,進行人機對話，進行參數的設定、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，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控畫面如圖4所示。

圖4 水泥粉磨監控畫面

2.3 控制系統的主要功能

控制系統通過工業控制網絡和高速I/0驅動程序直接與外設進行通信，采集現場所有實時數據和參數，并在上位機監控畫面上顯示，監控畫面全面直觀地反映了水泥粉磨生產過程控制的全流程，可對整個系統的運行狀態進行實時監控。系統監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據、歷史數據及設備運行狀態，便于對故障進行分析或優化工藝參數的設定。當被控對象中的工藝參數或設備發生異常時，系統將通過畫面和聲音進行報警，在報警圖中還記錄了故障發生的時間、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報表及故障記錄報表。其監控組態軟件的結構如圖5所示。

圖5 監控組態軟件結構圖

3 控制系統程序設計

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。生產線上所有設備的運行方式可分為現場控制和中控控制兩種方式。現場控制又被稱為機旁控制，主要是為了現場設備安裝、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?。啟動設備時，當按下啟動鍵后，脈沖S5定時器啟動，鈴聲響起并持續10秒鐘，以保證設備可以安全啟動。之后觸發保持接通延時S5定時器，為了防止物料堵塞，系統從下游設備開始，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，使系統從上游設備開始停止，每臺設備停止前需持續運行一段時間，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，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喂料流量，工控機根據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，采用閉環數字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?？刂品桨溉鐖D8所示。

圖8 自動控制方案圖

3.3 組織塊程序設計

組織塊OB都是事件觸發而執行的中斷程序塊，并按照已分配的優先級來執行[5]。中斷處理用來實現對特殊內部事件或外部事件的快速響應。本系統使用了如下組織塊：當備用電池、CPU的主機架或擴展機架上的24V電源從有效變為失效或從失效變為有效，系統都會調用電源故障組織塊OB81。當發生尋址沒有加載的塊、不存在或錯誤的地址時，系統將調用編程錯誤組織塊OB121。在訪問模塊上的數據出錯時，系統將調用訪問錯誤組織塊OB122。循環中斷組織塊OB32每間隔一秒讀入一次外部信號，同時輸出經過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實現的水泥粉磨站控制系統已在實際中投入使用，經過一段時期的正常運行證明：整個系統設計合理，操作簡便，可靠性高，完全符合工藝生產要求。該系統的使用可降低一次性投資和企業產品綜合成本，提高工廠的自動化程度，減輕工人的勞動強度，對企業的經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：化學工業出版社,2006.

[2] 李新平.基于西門子S7-300/400PLC的控制網絡設計[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及工控組態軟件WinCC的應用[J].PLC、工控機與集散控制系統,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，研究方向為基于現場總線的智能控制。