煙草制絲電氣控制系統模擬平臺的構建與應用

張兆豐

（貴州中煙工業有限責任公司畢節卷煙廠，貴州畢節 551700）

0.引言

隨著我國科學技術不斷發展，以PLC（可編程邏輯控制器）為代表的工控技術在實際應用過程中取得了良好效果，進一步推動了工業生產自動化的發展。制絲車間作為煙草工業企業重要的組成部分，隨著電氣技術的發展，其在線制品的生產模式已經基本實現了自動化。隨著電氣故障的發生，容易造成流水線整體停線或工藝參數超出控制范圍，會對煙草制絲線在線制品質量造成嚴重影響。在電氣故障排查和維修上往往要耗費大量時間，對生產效率及工序銜接造成很大影響。

1.煙草制絲設備常見的電氣故障及處理分析

煙草制絲主要加工設備按結構和功能不同，分為切片機、切絲機、滾筒類設備（烘絲機、加香機、加料機）等；輔助設備按功能不同，主要包括對在線制品的溫度、水分、流量等進行監測和控制，相應設備一般為紅外或鉑電阻測溫儀、水分儀、流量計、電子皮帶秤等。

制絲車間生產過程中，常見的電氣故障如觀察到紅外測溫儀顯示的溫度與在線制品溫度參數誤差較大，可以視為單一功能電氣設備故障，常用的處理方案一般是檢查紅外測溫儀探頭安裝位置是否偏移、探頭表面是否臟污、傳輸線路是否完好、溫度變送器供電是否正常，并對相應檢查診斷結果進行處理。如果葉片加料機出現故障，就可能需要從系統性的角度去分析和判斷故障發生的原因。要檢查判斷是加料機滾筒運轉還是滾筒內在線制品的溫度、水分控制異常，或是加料系統出現故障。如果是機械運動部分不能正常啟動或是轉速異常，則要檢查設備網絡控制信號或操作信號是否正常、檢查內容包括信號啟動按鈕、停止按鈕和隔離開關及對應的輸入和輸出模塊能否正常判斷信號、饋電器以及變頻器是否有報警信息，如檢查后都沒問題則要檢查整個電路中線路是否完好等。如果是加料系統出現故障，比如加料罐料液溫度不能正常升溫，要一步步判斷設備中的各個部分，設備能否完成正常的蒸汽供給，如果供給不正常，則應手動啟閉啟動電磁閥看是否正常，如果供給正常，則可以判定故障原因為蒸汽疏水閥堵塞，還應檢查溫度傳感器及溫度模擬量輸入模塊等，排查過程比較復雜，需要具體問題具體分析，找出能夠引發調控失靈的關鍵點[1]。

2.煙草制絲電氣控制系統模擬平臺構建思路

制絲車間電氣設備控制系統目前采用的技術是依托PLC 控制，每一個工段的控制模式及操作模式較為一致，設計一個功能類似的電氣控制系統，利用車間升級改造過程中空余出來的電控箱、離線PLC 成套設備、部分備品備件，構建起一個獨立的電氣控制模擬平臺，使電氣維修人員能夠在平臺上進行獨立的操作，掌握電氣控制程序設計、常用電氣設備控制及驅動、各種自帶電控系統的獨立設備（如水分儀、變頻器）與PLC 連接的現場總線技術，培養和提升制絲車間電氣維修人員的維修水平，利于提高維修效率和生產效率。

3.煙草制絲電氣控制系統模擬平臺設計

3.1 軟件系統及其硬件支撐

配置一臺聯想THINK PAD 筆記本電腦，安裝SIMATIC ManagerS7 軟件及Intouch Application Manager 軟件，既作為編寫和調試西門子S7-400/400 系列PLC 程序的編程器，同時也對PLC 編程對象進行圖形編輯及實現組態監控操作。

3.2 硬件設備控制系統組成及布置

電氣控制系統模擬平臺設備控制系統硬件設備主要安裝在電控箱內，包含有斷路器（總空開）、開關電源、西門子S7-400 PLC 系統、ET200S 子站系統、I/O 模塊、現場總線網絡部件、變頻器和獨立單機控制系統；隔離開關、按鈕及狀態指示燈安裝在電控箱面板上；其他用于模擬控制信號發生的測控元器件如光電開關、接近開關、溫度變送器、壓力變送器、電磁閥、角執行器和電機等的接線則作為外部接線經過電控箱內的端子與測控系統相連接。

3.3 電氣控制系統模擬平臺中的主要控制設備的組成

（1）西門子S7-400 PLC 主站系統的組成。S7-400 主機架上模板從左到右按照以下順序排列：電源模板、CPU 模板、Ethernet 通訊模板、Profinet-DP 網通信模板、I/O接口模塊(開關量輸入模板DI、開關量輸出模板DO、模擬量輸入模板AI、模擬量輸出模板AO)。（2）ET200S 分布式I/O 子站系統的組成。ET200S 分布式I/O 從左到右按照以下順序排列：網絡耦合器模板、I/O 電源模板、I/O接口模塊(同主站)、電機啟動器電源模板、饋電器（電機啟動器）。（3）現場總線網絡部件。本電氣控制模擬平臺使用的現場總線網絡包含Ethernet 網絡、TCP/IP 網絡和Profinet-DP 通信網絡。（4）變頻器。本電氣控制模擬平臺選用一臺丹弗斯FC300 系列的變頻器，其自帶控制系統，可以通過PLC 程序進行控制，也可進行本機手動控制。

3.4 電氣控制系統模擬平臺中的主要控制設備的功能

（1）西門子S7-400 PLC 系統的功能。PLC 是在傳統的順序控制器的基礎上引入了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通訊技術而形成的新型工業控制裝置，用于自動化控制的數字邏輯控制器，可以將控制指令隨時加載存儲器內存儲與運行。PLC 由電源組件、中央處理器CPU，指令及數據存儲器、輸入輸出單元、數字模擬等模塊化單元組合而成,可接收（輸入）及發送（輸出）多種類型的電氣或電子信號，并使用他們來控制或監督幾乎所有種類的機械與電氣系統，最終取代使用硬件（繼電器）來執行邏輯、記時、計數等順序控制功能的方式，從而建立柔性的遠程控制系統。（2）ET200S 分布式I/O 子站系統的功能。ET200S 子站系統是接到PROFINET 現場總線上的一個從站，相當于PLC 主模塊的擴展，也稱為遠程I/O 模塊。可有數字量、模擬量輸入輸出模塊、智能模塊、負載饋電器等。一般機柜間是放在裝置現場的。但有些控制信號，比如急停、旁路等控制信號在控制室實現，所以需要采用遠程I/O 模塊，把這些信號送到機柜間內控制系統。本電氣控制模擬平臺將S7-400 PLC 主站與ET200S 分布式I/O 子站布置在同一個電控箱中，是為了讓電氣維修人員在做現場總線模擬實驗時，能夠順利地建立起二者的鏈接，幫助電氣維修人員加強對現場總線網絡建立的掌握。（3）現場總線。現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，將分散的有通信能力的測量控制設備作為網絡節點，連接成能相互溝通信息，共同完成自控任務的控制網絡。PLC 自帶的通訊口和擴展通信板、通訊單元所提供的通訊口功能是一致的，是對CPU 通訊功能的擴展。很多時候，CPU 需要跟不止一個終端設備通訊：與HMI 上位計算機通訊，上位機系統需要跟現場的PLC 交換數據；人機界面（操作者接口），需要完成用戶與PLC 之間的交互，顯示工藝流程中的各種數據并生成各類圖表，將操作人員命令寫入PLC 內存，也需要占用通信端口；與編程人員的編程設備通訊（編程器等），在線完成軟件編輯，查看PLC 運行狀態。（4）變頻器的功能。變頻器能夠根據電機在運行過程中的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載時停機報警保護等。

4.應用效果

該煙草制絲電氣控制系統模擬平臺在構建完畢后，投入到了使用中，給電氣維修人員提供了在離線狀態下進行程序設計、運行、調試的平臺，對制絲生產線在線運行電控系統的理解和應用有了更深刻的認識和更好的掌握。同時，對于電氣控制系統中軟、硬件電氣故障的判斷能力也得到提高。

5.結語

通過搭建電氣控制系統模擬平臺，構建相應的軟件系統和硬件系統，使得電氣維修人員通過該平臺的應用，提升其對制絲車間電氣系統的掌握程度，促進電氣維修人員對軟、硬件故障的綜合判斷能力，進而提升故障檢修的效率，推動各個環節能夠順利進行。