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1 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的提高，要求盡量減少工人在危險(xiǎn)環(huán)境的工作時(shí)間，降低工人因在惡劣環(huán)境工作對(duì)身體的傷害。本文以某化工廠反應(yīng)釜自動(dòng)投料項(xiàng)目為例，要求采用西門(mén)子S7300系列PLC作為數(shù)據(jù)采集和控制單元，上位機(jī)用西門(mén)子WinCC進(jìn)行畫(huà)面及參數(shù)顯示，從PLC到中控室工控機(jī)采用MPI協(xié)議進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜的自動(dòng)化投料遠(yuǎn)程控制。

2 工藝原理

該項(xiàng)目利用氣體壓力，將原料從存料倉(cāng)經(jīng)中間倉(cāng)、計(jì)量倉(cāng)，最后投入反應(yīng)釜。存料倉(cāng)主要由人工投入原料，之后的過(guò)程由PLC控制輸送管道上相應(yīng)的鼓風(fēng)機(jī)、電磁閥門(mén)、電動(dòng)閥門(mén)、振動(dòng)電機(jī)等的開(kāi)啟關(guān)閉，并且采集稱重傳感器的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)原料定量投加的自動(dòng)完成，同時(shí)采集管道內(nèi)壓力傳感器的數(shù)據(jù)，以檢測(cè)是否產(chǎn)生輸送管道堵塞問(wèn)題，并及時(shí)給出報(bào)警指示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)主要由壓力采集單元、重量采集單元、I/O模塊、PLC、上位機(jī)人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)通訊等部分組成。

3.1 壓力采集單元及重量采集單元

采用壓力傳感器和稱重傳感器對(duì)輸送管道壓力和計(jì)量倉(cāng)原料重量進(jìn)行采集，并將采集到的模擬量信號(hào)送入PLC的模擬量輸入模塊，由PLC模擬量模塊及程序進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換和數(shù)值變換，以達(dá)到實(shí)際的數(shù)值，再進(jìn)行判斷處理。

3.2  I/O模塊

系統(tǒng)中需要控制電機(jī)的啟停，閥門(mén)的啟閉等，故需用到數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊，另外需要檢測(cè)計(jì)量倉(cāng)內(nèi)原料的重量以及輸送管道內(nèi)的壓力，故需要模擬量輸入模塊對(duì)傳感器的變送信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換處理。由于本系統(tǒng)采用西門(mén)子S7 300系列PLC，所以也需訂購(gòu)相應(yīng)的300系列的DI，DO，AI模塊，型號(hào)分別有DI模塊SM321（訂貨號(hào)為6ES7-321-1BL00-0AA0，DI32ⅹDC24V） ，DO模塊SM322 （訂貨號(hào)為6ES7 322-1BL00-0AA0，DO32ⅹDC24V/0.5A） ，AI模塊SM331 （訂貨號(hào)為6ES7 331-7KF02-0AB0，AI8ⅹ12Bit） 。對(duì)模擬量模塊轉(zhuǎn)化出的數(shù)字量數(shù)據(jù)的讀取可以在STEP7 中調(diào)用FC105功能塊實(shí)現(xiàn)。

3.3 PLC 單元與網(wǎng)絡(luò)通訊單元

PLC與現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的誕生，將計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的各個(gè)控制級(jí)和分散在現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、執(zhí)行器有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，為實(shí)現(xiàn)工程大系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化創(chuàng)造了條件。

利用中小型的西門(mén)子S7-300系列PLC即可完成對(duì)各稱重模塊、壓力檢測(cè)模塊的實(shí)時(shí)掃描和運(yùn)算，并顯示到人機(jī)界面 （HMI） ，另外結(jié)合操作人員在HMI發(fā)出的控制命令，對(duì)輸送管道上的電機(jī)、閥門(mén)等進(jìn)行控制。S7-300系列PLC采用模塊化設(shè)計(jì)，具有模塊擴(kuò)展和功能配置簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可以根據(jù)不同的需要靈活組合和擴(kuò)展。由于從現(xiàn)場(chǎng)PLC到中控室工控機(jī)需要通過(guò)MPI網(wǎng)絡(luò)連接，此處選擇315-2DP型號(hào)的CPU，此CPU集成有MPI和DP通信接口，有很強(qiáng)的通訊功能。另外，采用多通道模塊化的分布式I/O——ET200M，可以擴(kuò)展使用S7-300全系列模塊，最多可擴(kuò)展8 個(gè)模塊，達(dá)到大點(diǎn)數(shù)、高性能的應(yīng)用。 ET200M通過(guò)PROFIBUS電纜與CPU的DP口，使用PROFIBUS-DP總線協(xié)議進(jìn)行通訊。它將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到控制裝置，并且能夠保證各個(gè)部件之間的高速通信，從分布式I/O傳送信號(hào)到PLC的CPU模塊只需要毫秒級(jí)的時(shí)間，因此完全能夠滿足控制要求。

PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)用以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)和分布式I/O站 （SIMATIC ET200M） 之間的數(shù)據(jù)通訊，PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度快，抗干擾度高，有力的保證了現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)信號(hào)與控制數(shù)據(jù)的傳輸。

3.4 人機(jī)界面（HMI）

人機(jī)界面在工控機(jī)上采用西門(mén)子WinCC組態(tài)軟件，用來(lái)顯示整個(gè)輸送管道上各個(gè)電機(jī)、閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，以及計(jì)量倉(cāng)內(nèi)原料的重量，管道內(nèi)的壓力等，必要時(shí)操作人員還可以發(fā)出控制各電機(jī)、閥門(mén)開(kāi)關(guān)啟閉的命令，讓操作人員可以在中控室直接手動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。在上位機(jī)服務(wù)器上，記錄著各種報(bào)警信息及故障發(fā)生時(shí)的詳細(xì)信息和時(shí)間等，可按時(shí)間進(jìn)行查詢，并根據(jù)需要進(jìn)行打印輸出。

WinCC提供在工業(yè)上用于圖形顯示、信息處理、歸檔和報(bào)表的基本功能模塊，還提供用戶文檔、過(guò)程控制軟件包和開(kāi)放開(kāi)發(fā)工具等可選軟件包。其強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)程序接口、快速圖形更新和安全歸檔功能具有很高的可能性，結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式保證無(wú)論是組態(tài)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)和運(yùn)行過(guò)程的數(shù)據(jù)都可準(zhǔn)確無(wú)誤的讀取。

4 程序設(shè)計(jì)

PLC編程軟件使用西門(mén)子專用的編程軟件STEP7，它是基于Windows 2000/XP或者Windows Server 2003的為S7-300/400 PLC配置和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包。通過(guò)Step7用戶可以進(jìn)行系統(tǒng)配置和程序的編寫(xiě)、調(diào)試、在線診斷PLC 硬件配置狀態(tài)、控制PLC的運(yùn)行狀態(tài)和I/O通道的狀態(tài)等。 

PLC對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制分手動(dòng)和自動(dòng)控制，在手動(dòng)控制方式下，操作人員可以在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)操作按鈕啟動(dòng)停止相應(yīng)的閥門(mén)、電機(jī)等，也可以從中控室直接啟停相應(yīng)裝置，在自動(dòng)控制方式下，操作人員只需要在上位機(jī)界面上，輸入要投加的原料的重量，點(diǎn)擊確定，即可由PLC自動(dòng)完成原料的投加。

5 結(jié)束語(yǔ)

此原料投加自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成功，大大減少了工人在危險(xiǎn)環(huán)境的工作時(shí)間，降低了工人因在惡劣環(huán)境工作對(duì)身體的傷害，提高了工廠內(nèi)設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化程度，減少了因人工疲勞、疏忽而產(chǎn)生的投料損失。在調(diào)試的過(guò)程中，有很多問(wèn)題，比如在調(diào)試自動(dòng)投料過(guò)程中，產(chǎn)生了輸送管道堵塞現(xiàn)象。此系統(tǒng)目前的缺點(diǎn)是所有的控制任務(wù)都由PLC完成，沒(méi)有單獨(dú)的繼電器控制回路，一旦PLC發(fā)生故障，整條生產(chǎn)線將導(dǎo)致停產(chǎn)。建議采用繼電氣控制回路和PLC控制并聯(lián)的機(jī)制，這樣即使PLC 發(fā)生故障，可以調(diào)整轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，由人工來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，待PLC故障解決后再重新投入使用。

作者簡(jiǎn)介

馬聰孝 （1987-） 男 研究生，就讀于山東大學(xué)控制學(xué)院，研究方向?yàn)镻LC&DCS應(yīng)用工程。

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