西門子S7-400 PLC在冶金配料系統(tǒng)上的應(yīng)用

張浩 賴敏

摘 要：從系統(tǒng)組成、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)程序和上位監(jiān)控等方面，對西門子S7-400 PLC在冶金配料系統(tǒng)上的應(yīng)用進行了分析，實踐應(yīng)用顯示，采用了S7-400 PLC系統(tǒng)的冶金配料系統(tǒng)具有功能強大、可靠性高、易于維護等優(yōu)點，可為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：冶金配料系統(tǒng);S7-400 PLC;系統(tǒng)結(jié)構(gòu);網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

0 引言

在冶金配料過程中，通常需要對多種原材料進行一定比例的配比。在純?nèi)斯げ僮鬟^程中，工藝人員會根據(jù)工藝需求人工計算每種材料的配方比例，然后根據(jù)比例計算每種材料的理論量，并單獨設(shè)置機械設(shè)備以滿足生產(chǎn)要求。當生產(chǎn)狀況發(fā)生變化且需要更改物料數(shù)量時，需要再次計算每種物料的設(shè)定值并再次進行設(shè)定，整個過程消耗大量人力和精力。而采用基于西門子S7-400 PLC控制方式和變頻調(diào)速理念的冶金配料系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)人機對話，輕松完成物料輸送、配料控制、配方設(shè)計、生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理等功能。在自動冶金配料過程中，多種物料按一定比例進行配比，電子皮帶秤用于測量皮帶輸送機輸送的物料。PLC主要負責輸送設(shè)備和稱重過程的實時控制，并完成系統(tǒng)故障檢測、顯示和報警，同時變頻器輸出信號起到調(diào)節(jié)皮帶和下料系統(tǒng)速度的作用。

1 系統(tǒng)組成

冶金配料系統(tǒng)由稱量儀表、上位工控機、S7-400 PLC、變頻器等組成。

（1）進料部分：進料部分是從料倉（或儲罐）到稱重設(shè)備的進料執(zhí)行器。根據(jù)物料的不同特性，可以選擇不同的給料設(shè)備，如電磁振動給料機、螺旋給料機、電磁閥。

（2）稱重部分：稱重部分由傳感器、接線盒和稱重二次顯示器組成，稱重儀器用于稱量物料并檢測誤差。

（3）卸料設(shè)備：卸料可以用稱重設(shè)備或卸料設(shè)備，通常由空閥、電磁振動給料機、螺旋給料機、電動（氣動）閥組成。所有設(shè)備應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的工藝條件和材料性質(zhì)進行設(shè)計和選擇。

（4）配料控制系統(tǒng)：配料控制系統(tǒng)由稱重儀表、可編程序控制器、上位機等控制設(shè)備組成。

（5）校秤系統(tǒng)：應(yīng)定期調(diào)整計量系統(tǒng)傳感器，以確保系統(tǒng)計量的準確性。

冶金配料系統(tǒng)工作原理：下料閉環(huán)控制過程主要是通過電子皮帶秤對振動給料機輸送的物料進行計量，由PLC接收現(xiàn)場的稱重信號和下料變頻器的速度信號，經(jīng)處理后轉(zhuǎn)化為瞬時物料量，并將瞬時物料量信號由以太網(wǎng)絡(luò)傳送給工業(yè)上位機，PLC同時以程序計算出理論下料量，經(jīng)過AO模塊進行轉(zhuǎn)化，以電流信號傳送給下料變頻器，再由變頻器調(diào)節(jié)振動給料機的轉(zhuǎn)速，當流量增大時，降低振動給料機的轉(zhuǎn)速，反之提高振動給料機的轉(zhuǎn)速，從而使得物料的流量和階段累計量均保持在設(shè)定范圍內(nèi)，進而得到可靠的產(chǎn)品質(zhì)量。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

冶金配料系統(tǒng)為S7-400H系列冗余控制系統(tǒng)，控制器冗余系統(tǒng)可以實現(xiàn)雙控制器冗余切換功能，當主控的CPU出現(xiàn)故障時，另一個CPU自動接替主控CPU工作，切換時間為毫秒級。

冶金配料系統(tǒng)完全采用基于PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的分布式I/O系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)方案的缺點。遠程I/O站通過冗余的IM153-2模塊用兩條冗余PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線把經(jīng)濟性更好的S7-300 I/O模塊整合到整個DP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，所有I/O模塊選用有源背板總線，可支持模板在線更換，保障網(wǎng)絡(luò)上其他模塊不受影響。

冶金配料系統(tǒng)的電機管理模塊選用西門子SIMOCODE_pro作為控制模塊，它集成了電機饋電回路所需要的所有功能，并提供了大量操作、維護、診斷數(shù)據(jù)，使電機饋電回路的功能更加透明。利用SIMOCODE_pro電機管理模塊自帶的Profibus-DP通信接口，調(diào)試人員可方便地將整個電機饋電回路通過西門子Y-LINK總線連接器集成到一個冗余自動化系統(tǒng)中。

該冶金配料系統(tǒng)硬件配置的部分硬件型號為：控制器CPU417H、電源模塊PS407、以太網(wǎng)通信卡CP443、I/O通信接口卡IM153-2、普通型I/O卡SM321/SM322/SM331/SM332。

冶金配料系統(tǒng)的下料電機采用ABB系列變頻器（型號ACS550-01-023A-4），該變頻器是由西門子公司生產(chǎn)的一種具有基本功能的多用途工業(yè)變頻器。ABB系列變頻器經(jīng)濟實用，使用簡便，具有魯棒性和適應(yīng)性，適合我國復(fù)雜的電網(wǎng)環(huán)境。

上位機部分設(shè)置了一臺工程師站、一臺操作員站，工程師站與操作員站配置Dell工控機，工程師站和操作員站安裝西門子STEP7工程軟件，工業(yè)以太網(wǎng)以MOXA工業(yè)級交換機進行環(huán)網(wǎng)組態(tài)等。

3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

冶金配料系統(tǒng)通過以太網(wǎng)通信處理模塊CP443將S7-400H站連接到工業(yè)以太網(wǎng)中。整套冶金配料系統(tǒng)工廠總線配備了MOXA工業(yè)級EDS-516A系列的網(wǎng)管型交換機，用于構(gòu)建冶金配料系統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可使個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)通信速率達到100 Mbit/s。

冶金配料系統(tǒng)終端總線配備了西門子工業(yè)級以太網(wǎng)交換機，用以連接工程師站及操作員站，操作員站保存所有的歷史數(shù)據(jù)記錄、事件順序記錄、報表、料比更改記錄等。工程師站配置了西門子專用通信網(wǎng)卡CP1613和通用網(wǎng)卡，用于與現(xiàn)場控制站通信。

4 系統(tǒng)程序和上位監(jiān)控

4.1? ? 系統(tǒng)程序

冶金配料系統(tǒng)通過西門子S7-400系統(tǒng)實現(xiàn)全自動控制，整套系統(tǒng)的主程序采用LAD語言編寫，用于實現(xiàn)主流程的步序控制，LAD語言比較容易理解，方案維護人員后期解讀和升級優(yōu)化控制邏輯。

冶金配料系統(tǒng)運行聯(lián)鎖條件多，工藝控制要求高。系統(tǒng)程序中大量使用了安全程序，標準程序與安全程序之間相互調(diào)用，確保了I/O模塊采集各個工藝過程值的準確性及各個數(shù)據(jù)及通過模塊都在安全狀態(tài)下運行。

4.2? ? 上位監(jiān)控

冶金配料系統(tǒng)采用西門子S7-400系統(tǒng)的WinCC作為HMI上位監(jiān)控軟件，該軟件與PLC控制系統(tǒng)結(jié)合緊密，是簡單、高效的組態(tài)工具。冶金配料系統(tǒng)主畫面可以監(jiān)控現(xiàn)場電機、變頻器、秤等設(shè)備的運行狀態(tài)。通過該操作畫面可以快捷地遠程對現(xiàn)場各個設(shè)備進行單機或全自動狀態(tài)下的控制，該HMI軟件還配有完善的報警程序，可在報警信息欄中實時提示現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)以及顯示故障信息，為維護本套設(shè)備提供了可靠依據(jù)。

應(yīng)用冶金配料系統(tǒng)，操作人員能連續(xù)監(jiān)視生產(chǎn)過程中各個相關(guān)附機設(shè)備的運行狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)，并且進行邏輯運算和判斷，使附機設(shè)備按照既定的合理程序完成必要的操作，保證整個冶金配料系統(tǒng)的安全。

5 主要控制

物料由加料設(shè)備傳送到配料皮帶秤，稱重傳感器和速度傳感器將稱量和速度信號發(fā)送到皮帶秤儀表，輸送物料的皮帶秤儀表顯示瞬時流量和累計量數(shù)據(jù)，同時將模擬的瞬態(tài)流量以標準電流形式發(fā)送到PLC系統(tǒng)，其內(nèi)部單回路程序塊通過設(shè)備定值和實際值比較進行PID調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器根據(jù)測量值和設(shè)定值的偏差，通過變頻器調(diào)整皮帶秤的驅(qū)動電機速度，使進料流量精確，由用戶設(shè)定下料速度，達到恒定物料流量的目的。冶金配料系統(tǒng)大量使用了單回路調(diào)節(jié)，當物料下料量短時間發(fā)生變化時，其影響到多個物料的配比，這時調(diào)節(jié)器及時進行控制，改變下料電機變頻器的頻率，通過改善單個回路控制的參數(shù)整定，可大大提高控制質(zhì)量。

關(guān)于各種物料的配比，編程人員將配比方案設(shè)置在上位畫面，對比不同的物料配比就不同的方案，操作人員只需要在上位畫面中選定一種配比方案，系統(tǒng)就可以按照程序進行物料下料處理。針對生產(chǎn)過程中需要添加特殊的物料，操作人員可以進行人為的配比參數(shù)設(shè)定，滿足不同冶金工況對配比的要求。

6 結(jié)語

冶金配料系統(tǒng)與傳統(tǒng)靜態(tài)配料裝置相比，其系統(tǒng)具有功能強大、可靠性高、易于維護等優(yōu)點，S7-400 PLC系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒ǎ瑯O大地方便了系統(tǒng)的后期維護，大大提高了配料精度，實現(xiàn)了智能網(wǎng)絡(luò)化管理，整套控制系統(tǒng)的程序可在線修改、下載，減少了系統(tǒng)的非故障停機時間，獲得了良好的經(jīng)濟效益。

[參考文獻]

[1] 羅化龍.鋼鐵冶金燒結(jié)用電子配料秤斷料自動監(jiān)控方法的探索與實踐[J].科技展望，2016，26（13）：69.

[2] 李景星.粉末冶金配料的自動化技術(shù)與應(yīng)用[J].科技資訊，2014（6）：77.

[3] 鄭群英，龍小保.粉末冶金配料系統(tǒng)的PLC控制[J].電氣應(yīng)用，2008，27（12）：20-23.

收稿日期：2020-01-02

作者簡介：張浩（1984—），男，云南普洱人，工程師，從事現(xiàn)場電氣自動化設(shè)備的技術(shù)工作。