基于S7-300糖廠蔗渣爐喂料器自動控制系統的設計

郭 平，李曉東，郭 勇

（1.廣西水利電力職業技術學院，南寧 530023；2.廣西來賓東糖遷江有限公司，來賓 546131）

0 引言

在我國的制糖行業中自動化水平是相對較低的，在科技快速發展的今天，技術水平落后已經尤為突出。隨著國家節能減排的政策趨于嚴厲，制糖行業標準的不斷提高，人工操作已經難以達到穩定生產、保證產品質量、提高糖分收回、節能降耗、提高效益的要求。為了提高產品的市場競爭力以及與世界接軌，實現糖業生產自動化是制糖行業的必然發展方向。

本文針對廣西某糖廠采用S7-300 PLC實現的蔗渣鍋爐喂料器自動控制系統做了介紹。工人只需在操作過程中設定鍋爐汽包壓力，系統便會自動連續的監視和控制鍋爐喂料器，從而有效控制鍋爐的給渣量，所有的工作狀態均可以在工控機上進行監控。

1 系統構成

基于S7-300 PLC糖廠蔗渣鍋爐喂料器控制系統結構如圖1所示。該系統由1臺裝有WinCC組態軟件的工控機作為上位機，監控整個控制系統的運行情況。主站為西門子S7-300 PLC，負責整個系統控制，CPU型號為CPU315-2PN/DP，集成有2個PROFINET 接口，一個MPI/PROFIBUS接口。PROFINET 接口用于上位機連接，鍋爐的7臺送料電機（共有七個送料槽）分別由7臺MM440變頻器驅動，變頻器MM440通過CBP板連接在Profibus-DP總線上。該糖廠共有2個鍋爐，1#鍋爐有3個送料槽，2#鍋爐有4個送料槽，每個送料槽有4個料位檢測點，采用歐姆瓏的料位傳感器。送料槽如果全空，送料槽擋板的開度100%；如果送料槽料位為1/4，送料槽擋板開度75%，依次類推。S7-300 PLC的CPU根據采集到的料位信號，輸出4mA～20mA電流控制信號（開度信號）給電動執行機構，電動執行機構將控制信號與現場的開度信號（位置變送器的反饋信號）相比較，最終決定使現場的執行器電機是正轉還是反轉，以此來控制送料槽擋板開度。S7-300 PLC屬于模塊式PLC，各種模塊安裝在機架上，可以方便擴展各種I/O模塊，滿足系統料位檢測、擋料板控制要求。

圖1 糖廠蔗渣爐喂料器控制系統結構圖

2 硬件系統設計

本設計采用西門子S7-300 PLC,其構成的PLC硬件系統如圖2所示。32路數字輸入模塊用于鍋爐送料槽料位檢測及系統控制信號輸入，選用數字輸入模塊SM 321，DI32×DC24V（訂貨號6ES7321-1BL00-0AA0）；8路數字輸出模塊用于系統報警信號輸出，選用數字輸出模塊SM322，DO8×DC24 V/0.5A（訂貨號6ES7322-8BF00-0AB0）；2塊8路模擬輸入模塊用于采集擋料板實際開度反饋及鍋爐汽包壓力，選用模擬輸入模塊SM331，AI8×12 位（訂貨號6ES7331-7KF02-0AB0）；1塊8路模擬輸出模塊用于擋料板開度控制，選用模擬輸出模塊SM 332，AO 8×12 位（訂貨號6ES7332-5HF00-0AB0）。

圖2 PLC硬件系統結構圖

利用S7-300 PLC的編程軟件SIMATIC STEP 7可以對整個控制系統進行組態、編程和監控。首先對主站S7-300 PLC進行組態，包括電源模塊、CPU模塊、各I/O模塊；然后對現場總線Profibus-DP網絡及變頻器MM440進行組態。硬件組態和參數設置完畢后編譯下載到PLC中，整個控制系統的組態圖如圖3所示。

圖3 控制系統的組態圖

3 軟件設計

3.1 下位機軟件設計

3.1.1 S7-300與MM440間DP通信程序

主站S7-300 PLC CPU集成的DP接口通過Profibus電纜與變頻器的CBP通信板上的DP接口連接，采用Profibus-DP通信協議進行通信。CBP接口板是西門子變頻器的DP通信擴展板，具有電位隔離的RS-485接口，可以使用Profibus協議或者USS協議進行通信。

下面以1#送料電機為例，說明主站S7-300 PLC與MM440變頻器的通信。

1）變頻器的參數設置。S7-300 PLC與變頻器通信，必須完成變頻器相關通信參數的設置，如表1所示。

表1 變頻器DP通信參數設置

2）S7-300與MM440的通訊主要是對4個字PKW和2個字PZD進行讀寫，為使程序編寫更為方便，在程序中開辟一數據塊DB1，用來存放要讀寫的數據，數據塊格式與PKW和PZD的結構相似，如圖4所示。

圖4 DB1數據結構

3）電機控制程序

STEP7中的I/O存取命令不允許用單字節、單字或雙字命令去存取具有3個或大于3字節的相連續的DP數據區域（模塊）。因此，為了存取這種封閉結構的相連續的數據區域，要調用SFC15給數據打包，調用SFC14給數據解包，這樣數據以數據包的形式一次性完成發送、接收，保證了數據一致性，部分程序如圖5～圖8所示。

程序段1：設置DB1中要發送的PZD區控制字和主設定值，主設定值來自于對應PID回路計算的調節值。

圖5 程序段1

程序段2：調用SFC15和SFC14進行通訊操作。

圖6 程序段2

程序段3：設置DB1中要發送的PKW區控制參數。

圖7 程序段3

程序段4：讀取當前電壓值，并存儲在DB1.DB4開始的4個字節中。

圖8 程序段4

3.1.2 PID控制程序

在過程控制中，PID控制器一直是應用最為廣泛的一種自動控制器，PID控制算法也一直是眾多控制方法中應用最為普遍的控制算法。在送料電機控制系統中，采用PID控制算法。用壓力測量變送器檢測鍋爐汽包壓力，并轉換為標準量程的電流信號，然后送入S7-300 PLC，CPU將它與鍋爐汽包壓力設定值做比較，并按PID控制算法對誤差值進行運算，最后將運算結果轉換為電流信號，驅動變頻器對送料電機電機進行調速。本例中采用輸出為連續模擬量的FB41“CONT_C”來實現PID功能，下面是主要控制程序。

1#、2#鍋爐共有7臺送料電機，每臺均采用PID控制，需要為每一臺電機開辟一個數據塊，用來存儲各自的PID控制參數，如圖9所示。

圖9 存儲PID參數數據塊的數據結構

在循環中斷組織塊OB35中調用連續PID控制功能塊FB41，同時指定相應的背景數據數據塊DB3，如圖10所示。

圖10 PID控制功能塊調用

3.2 上位機軟件設計

WinCC是西門子公司與微軟公司合作開發的、開放的過程可視化系統。WinCC采用標準Microsoft SQL Server數據庫進行生產數據的歸檔；WinCC提供OLE、DDE、ActiveX、OPC服務器和客戶機等接口或控件，可以方便的與其他應用程序交換數據；WinCC具有開放的API編程接口，可以在用戶程序中集成WinCC部分功能。

本設計采用WinCC進行上位機軟件開發，根據工藝要求設計的鍋爐喂料器監控畫面如圖11所示。

圖11 鍋爐喂料器監控畫面

4 結束語

隨著制糖企業自動控制技術的不斷發展和應用，自動化程度逐步提高，有效減輕了員工的勞動負擔，提高了生產效率，增加了效益。采用基于S7-300 PLC、變頻器以及WinCC組態軟件的糖廠蔗渣鍋爐喂料器控制系統，經過在廣西某糖廠2個榨季的使用情況表明,該控制系統具有自動化程度高、操作簡單、運行穩定可靠、維修方便等特點，為節能降耗的目標作出了較大的貢獻，同時司爐工的勞動強度也大大地降低。

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