基于S71200PLC和力控組態(tài)軟件的井式爐控制系統(tǒng)設計論文

實用文時間：2021-08-31 手機版

　　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)指標分析及加強生產(chǎn)過程中的質量管理和產(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)更高質量定位需求，需要對現(xiàn)有的5套井式爐進行自動化升級改造和對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進行實時集中監(jiān)控。本文將介紹在保留現(xiàn)有相關硬件的前提下，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)設計。

　　2 系統(tǒng)網(wǎng)絡架構

　　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軟件進行工程組態(tài)，使其具有強大的集成工藝功能和靈活的可擴展性，為各種工藝任務提供了簡單的通訊和有效的解決方案，尤其滿足多種應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、觸摸屏及工控機利用PROFINET線集中連接到工業(yè)交換機中，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)議來進行通信架構的搭建，完成對現(xiàn)場的5套井式爐的`各類數(shù)據(jù)進行采集及對應控制，系統(tǒng)網(wǎng)絡架構如圖1所示。

　　3 系統(tǒng)電氣組成

　　現(xiàn)場單臺設備在電氣控制系統(tǒng)中，電氣拓撲圖如圖2所示。由一臺由西門子S7-1200PLC（CPU 1214C AC/DC/Rly）、一臺模擬量輸入擴展模塊（SM 1231 AI4 x RTD）、一臺模擬量輸出擴展模塊（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)構成。其中S7-1200PLC為控制系統(tǒng)核心，4路擴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路擴展模擬量輸出模塊用于同時對4臺可控硅功率進行驅動進而調(diào)節(jié)器對井式爐內(nèi)部上4層加熱電阻進行電能控制，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

　　在進行生產(chǎn)時，操作人員在現(xiàn)場使用觸摸屏進行本次生產(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行系統(tǒng)啟動。S7-1200PLC接收到該啟動信號后程序進行動作輸出，控制對應的接觸器或中間繼電器接通分別給功率調(diào)節(jié)器、爐門等相關設備供電。控制系統(tǒng)工作時，程序根據(jù)操作人員在觸摸屏上選擇設置的工藝參數(shù)，結合采集回的井式爐內(nèi)溫度數(shù)據(jù)進行PID運算，結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)熱電阻的電能進行控制，實現(xiàn)溫度的自動調(diào)節(jié)。

　　5 系統(tǒng)程序實現(xiàn)

　　在該控制系統(tǒng)中S7-1200PLC的程序設計如圖3所示包括：主程序OB1，實現(xiàn)對本機的各個功能的協(xié)調(diào)及調(diào)用控制；溫度采集FC1，內(nèi)置AD轉換和濾波算法完成現(xiàn)場的溫度模擬信號轉為實時數(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)對設備出現(xiàn)的過載故障、PLC主機和傳感器斷線故障、加熱超溫故障，加熱異常等進行采集判斷保證設備的正常運行。

　　在系統(tǒng)程序中，使用前期主要的技術難點是程序中PID參數(shù)的現(xiàn)場調(diào)試。需要多次進行現(xiàn)場測試及優(yōu)化，但一臺設備調(diào)試完畢后將可以拷貝到其余機組從而節(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，每當設備的使用過程中現(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)培訓教程以及配置完善的各類現(xiàn)場設備通信接口，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臺設備進行訪問來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的整體監(jiān)控。首先在工控機上安裝力控7.0軟件并完成軟件授權，隨后開始進行系統(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)場設備的工藝參數(shù)選擇及設備啟動；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)場設備的遠程操作；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果進行打印或導出SCV格式文件的功能。

　　7 結語

　　企業(yè)在使用S7-1200PLC與力控組態(tài)軟件進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)進行記錄，導出，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)品質量調(diào)整工藝數(shù)據(jù)，為提高產(chǎn)品質量打下堅實基礎同時為后續(xù)的產(chǎn)品質量溯源提供重要的佐證依據(jù)。

　　參考文獻

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