基于S7—1200PLC和力控組態(tài)軟件的井式爐控制系統(tǒng)設(shè)計

鐘造勝++李秀忠

摘要：本文介紹一種井式爐控制系統(tǒng)設(shè)計的方法。選用SIMATIC S7-1200PLC做控制器，力控組態(tài)軟件做中央監(jiān)控，使用數(shù)字量模塊和模擬量模塊實現(xiàn)對熱處理井式爐控制信號、溫度信號等進(jìn)行采集處理及對現(xiàn)場設(shè)備的驅(qū)動控制。利用PROFINET網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場獨(dú)立的熱處理井式爐設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，實現(xiàn)對多臺設(shè)備溫度自動控制及各類生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)集中歸檔。

關(guān)鍵詞：SIMATIC S7-1200；PROFINET；井式爐；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）03-0008-03

1 引言

佛山市某企業(yè)熱處理車間有5套4加熱層的井式爐用于對長軸類產(chǎn)品的熱處理加工，為了滿足企業(yè)對產(chǎn)品生產(chǎn)過程的參數(shù)指標(biāo)分析及加強(qiáng)生產(chǎn)過程中的質(zhì)量管理和產(chǎn)品溯源的要求，現(xiàn)有井式爐的控制系統(tǒng)已不能完全滿足企業(yè)更高質(zhì)量定位需求，需要對現(xiàn)有的5套井式爐進(jìn)行自動化升級改造和對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行實時集中監(jiān)控。本文將介紹在保留現(xiàn)有相關(guān)硬件的前提下，如何利用SIMATIC S7-1200基于力控組態(tài)軟件完成井式控制系統(tǒng)設(shè)計。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

SIMATIC S7-1200（以下簡稱S7-1200PLC）是西門子公司為充分滿足于中小型自動化的系統(tǒng)需求，面向離散自動化系統(tǒng)和獨(dú)立自動化系統(tǒng)所開發(fā)使用的小型控制器模塊。通過TIA Portal V13軟件進(jìn)行工程組態(tài)，使其具有強(qiáng)大的集成工藝功能和靈活的可擴(kuò)展性，為各種工藝任務(wù)提供了簡單的通訊和有效的解決方案，尤其滿足多種應(yīng)用中完全不同的自動化需求。同時集成PROFINET接口用于編程、HMI通訊和PLC間的通訊。在本系統(tǒng)中現(xiàn)場的S7-1200PLC、觸摸屏及工控機(jī)利用PROFINET線集中連接到工業(yè)交換機(jī)中，力控組態(tài)軟件和現(xiàn)場觸摸屏與S7-1200PLC之間通過S7-1200PLC（TCP/IP）以太網(wǎng)協(xié)議來進(jìn)行通信架構(gòu)的搭建，完成對現(xiàn)場的5套井式爐的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及對應(yīng)控制，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)電氣組成

現(xiàn)場單臺設(shè)備在電氣控制系統(tǒng)中，電氣拓?fù)鋱D如圖2所示。由一臺由西門子S7-1200PLC（CPU 1214C AC/DC/Rly）、一臺模擬量輸入擴(kuò)展模塊（SM 1231 AI4 x RTD）、一臺模擬量輸出擴(kuò)展模塊（SM 1232 AQ4）、4臺可控硅功率調(diào)節(jié)器（T6-SCR）、4套溫度傳感器及一臺威綸通觸摸屏（MT8070）及爐門、供電、報警等輔助系統(tǒng)構(gòu)成。其中S7-1200PLC為控制系統(tǒng)核心，4路擴(kuò)展模擬量輸入模塊用于處理4套溫度傳感器采集到的井式爐4層位置實時溫度值，4路擴(kuò)展模擬量輸出模塊用于同時對4臺可控硅功率進(jìn)行驅(qū)動進(jìn)而調(diào)節(jié)器對井式爐內(nèi)部上4層加熱電阻進(jìn)行電能控制，現(xiàn)場觸摸屏實現(xiàn)操作人員在產(chǎn)品生產(chǎn)現(xiàn)場的登陸及完成對生產(chǎn)產(chǎn)品的工藝選擇。

4 系統(tǒng)工作原理

在進(jìn)行生產(chǎn)時，操作人員在現(xiàn)場使用觸摸屏進(jìn)行本次生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)的選擇，然后通過現(xiàn)場電氣控制柜上的啟動按鈕進(jìn)行系統(tǒng)啟動。S7-1200PLC接收到該啟動信號后程序進(jìn)行動作輸出，控制對應(yīng)的接觸器或中間繼電器接通分別給功率調(diào)節(jié)器、爐門等相關(guān)設(shè)備供電?？刂葡到y(tǒng)工作時，程序根據(jù)操作人員在觸摸屏上選擇設(shè)置的工藝參數(shù)，結(jié)合采集回的井式爐內(nèi)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行PID運(yùn)算，結(jié)果以模擬信號輸出到功率調(diào)節(jié)器。功率調(diào)節(jié)器根據(jù)S7-1200PLC給定的模擬信號對流入井式爐內(nèi)發(fā)熱電阻的電能進(jìn)行控制，實現(xiàn)溫度的自動調(diào)節(jié)。

5 系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)

在該控制系統(tǒng)中S7-1200PLC的程序設(shè)計如圖3所示包括：主程序OB1，實現(xiàn)對本機(jī)的各個功能的協(xié)調(diào)及調(diào)用控制；溫度采集FC1，內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換和濾波算法完成現(xiàn)場的溫度模擬信號轉(zhuǎn)為實時數(shù)字信號供各功能使用。PID調(diào)節(jié)控制FC2，根據(jù)工藝流程和設(shè)置的參數(shù)完成PID控制；輔助動作FC3，實現(xiàn)對爐門升降、功率調(diào)節(jié)器供電、完成信號等進(jìn)行控制；工藝數(shù)據(jù)庫FC4，內(nèi)置50組數(shù)據(jù)通道實現(xiàn)對50種不同產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)的長期保存及調(diào)用。故障診斷FC5，實現(xiàn)對設(shè)備出現(xiàn)的過載故障、PLC主機(jī)和傳感器斷線故障、加熱超溫故障，加熱異常等進(jìn)行采集判斷保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

在系統(tǒng)程序中，使用前期主要的技術(shù)難點是程序中PID參數(shù)的現(xiàn)場調(diào)試。需要多次進(jìn)行現(xiàn)場測試及優(yōu)化，但一臺設(shè)備調(diào)試完畢后將可以拷貝到其余機(jī)組從而節(jié)省后續(xù)多臺的調(diào)試周期。同時在系統(tǒng)程序內(nèi)置有專門的故障診斷程序塊，每當(dāng)設(shè)備的使用過程中現(xiàn)場出現(xiàn)故障后可以及時的通過觸摸屏或中央監(jiān)控系統(tǒng)實時的反饋顯示。方便現(xiàn)場的維護(hù)人員對故障判斷，提高維修速度減少維修周期。

6 中央監(jiān)控實現(xiàn)

目前世面上有很多上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，如國外西門子的Wincc，國內(nèi)的組態(tài)王，力控等。其中力控軟件具有良好的開發(fā)培訓(xùn)教程以及配置完善的各類現(xiàn)場設(shè)備通信接口，具有較高的性價比。在本系統(tǒng)中將使用力控7.0軟件，通過PROFINET線對現(xiàn)場的5臺設(shè)備進(jìn)行訪問來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的整體監(jiān)控。首先在工控機(jī)上安裝力控7.0軟件并完成軟件授權(quán)，隨后開始進(jìn)行系統(tǒng)的組態(tài)。本系統(tǒng)具有以下功能：不同層的溫度的顯示和報警；現(xiàn)場設(shè)備的工藝參數(shù)選擇及設(shè)備啟動；實時和歷史曲線顯示、查詢及保存；數(shù)據(jù)報表的打印。系統(tǒng)相關(guān)界面如圖4和5 所示，其中主界面的功能與現(xiàn)場的觸摸屏一致具有溫度數(shù)據(jù)的顯示也能完成對現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程操作；操作人員能對歷史數(shù)據(jù)趨勢圖查詢和數(shù)據(jù)導(dǎo)出；數(shù)據(jù)報表能完成對產(chǎn)品按秒、按分、按時的時間定長查詢并將查詢的結(jié)果進(jìn)行打印或?qū)С鯯CV格式文件的功能。

7 結(jié)語

企業(yè)在使用S7-1200PLC與力控組態(tài)軟件進(jìn)行熱處理井式爐的溫度自動控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了對井式爐工作過程的自動溫度控制。并可以對工作過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，導(dǎo)出，打印。使生產(chǎn)工藝人員隨時掌握產(chǎn)品生產(chǎn)過程的工藝數(shù)據(jù)并根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量調(diào)整工藝數(shù)據(jù)，為提高產(chǎn)品質(zhì)量打下堅實基礎(chǔ)同時為后續(xù)的產(chǎn)品質(zhì)量溯源提供重要的佐證依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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