基于DCS系統和EM235的烘箱自動化升級改造

馬偉+崔玉明+米璽學+殷會剛+劉建成

摘 要：使用DCS系統和EM235對公司現用烘箱進行自動化升級改造，對溫控系統、電氣控制系統進行升級改造，由原來的現場手動控制升級為DCS系統集中控制。改造后便于管理、工藝參數可追溯性強。

關鍵詞：DCS ?EM235 ?烘箱 ?PLC

中圖分類號：TP273 ? ?文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0065-01

集散控制系統（DCS）是以微處理器為基礎，綜合運用了計算機技術、圖形顯示技術、網絡通信技術和自動化控制技術，對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制的一種計算機綜合控制系統。其控制功能完善，人機界面友好，安裝調試簡單、安全可靠、性價比高，能夠較好地滿足控制的實時性、應用的多樣性、人機的交互性的需要，廣泛應用于化工、制藥、石油等企業，并逐漸成為生產過程控制的主要形式之一[1]。熱風循環烘箱利用蒸汽或電加熱為熱能源，通過蒸汽或電加熱元件產生熱量，利用風機進行對流換熱，對物料進行熱量傳遞，并不斷從空氣過濾器補充新鮮空氣和排除潮濕空氣。在干燥過程中箱內能保持適當的相對溫度和濕度，最大特點是大部分熱風在箱內進行循環，從而增強了傳質和傳熱效果，節約了能源。整機噪音小，運轉平衡，安裝維修方便，適用范圍廣，可干燥各種物料，是通用干燥設備。

EM235是西門子S7-200PLC最常用的模擬量擴展模塊，它實現了4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能。

1 升級前烘箱的工作原理與存在的問題

公司現用烘箱采用電加熱元件為熱源，通過PLC控制烘箱循環風機、排濕風機的啟停操作，使用固態繼電器（SSR）和溫控器實現烘箱加熱溫度的恒溫調節。工藝過程為：烘車裝滿料推入烘箱內，首先啟動排濕風機，然后啟動循環風機，最后在溫控器上設定工藝參數，啟動加熱器進行加熱工作;烘干結束后，加熱器自動停止工作，風機在一定的延時后自動停止。

現在的工藝操作方式，需要人工現場手動啟停設備;由于不同批次物料選用的工藝參數不同，需要頻繁修改溫控器的控制參數，而現有溫控器參數設定較為繁瑣，實際操作過程中常出現操作人員誤設參數，導致烘干產品不合格的問題存在。烘箱工作過程中的風機運行狀態、溫度控制情況等都無監控歷史記錄。為了避開電力系統用電波峰段，烘箱加料在白天完成，而烘干作業都在夜間進行，需要在烘干崗位配置專人對烘箱進行操作。

2 烘箱升級改造方案

升級改造的總體方案是利用公司現有的DCS系統，新增EM235模塊，實現對烘箱的遠程控制與監視工作。

2.1 控制系統組成與控制過程

現用烘箱的控制系統主要由三大部分組成，分別是主控單元、溫度檢測、執行機構。溫度檢測部分使用PT100鉑電阻，主控單元為S7-200系列PLC，CPU型號為226，執行機構包括風機、固態繼電器（SSR）和電加熱管組成。升級改造后的烘箱控制系統是在原有基礎上增加了DCS監控系統，并為PLC配置一塊4輸入/1輸出的EM235模塊替代溫控表對固態繼電器（SSR）進行控制。

控制過程：白天現場操作人員將物料裝入烘車后，晚上由中控室操作人員在DCS系統上位機上啟動烘箱風機、電加熱系統。鉑電阻采集溫度信號并通過EM235模塊送入PLC的CPU中，CPU根據DCS上位機設定的溫度值，進行PID運算得出控制量，再由EM235輸出到固態繼電器（SSR）來控制電加熱管的加熱工作。控制系統使用六類雙絞線將現場6臺烘箱PLC與DCS系統控制站通訊卡件連接起來，作為上位機與PLC的通信介質。

2.2 硬件選型

公司現有DCS系統一套，為與烘箱進行通信，需要新增一塊通訊卡件。多串口多協議通訊卡XP248是DCS系統與其它智能設備（如PLC、變頻器等）互聯的網間連接設備，其功能是將用戶智能系統的數據通過通訊方式連入DCS系統中，實現對現場智能設備的監控工作。XP248支持Modbus、協議HostLink協議及自定義通訊協議的智能設備互聯。烘箱當前的控制系統中，有一臺西門子S7-200型PLC，CPU型號為226。為了實現本文中的升級改造目的，需要采集烘箱溫度信號和輸出固態繼電器（SSR）控制信號，筆者選用EM235模塊。EM235是西門子S7-200PLC最常用的模擬量擴展模塊，它實現了4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能。綜上所述，烘箱的自動化升級改造工作需要新增加多串口多協議通訊卡XP248卡件一塊，六類雙絞線若干米，一塊EM235模塊。

2.3 軟件設計

2.3.1 西門子PLC程序設計

PLC編程軟件使用STEP7-Micro/WIN，版本為STEP 7-Micro/WIN32。使用PLC自帶的PID模塊實現對烘箱溫度的自動調節，PID控制系統圖如圖1所示。

圖1中，鉑電阻實測值與DCS系統設定的工藝溫度值構成控制偏差，將偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過優化組合構成控制量，對固態繼電器（SSR）進行控制使得加熱管加熱溫度可控，直到實測溫度與設定溫度無偏差為止。

調用PLC編程軟件中的Modbus從站模塊，將6臺PLC從站地址依次為03～07，波特率為9600，停止位設為1，無校驗，建立PLC與DCS系統的通信連接。

2.3.2 DCS系統組態

利用DCS系統的組態軟件對烘箱的工藝流程進行組態，流程圖畫面設置模擬按鈕實現對烘箱各工作元件的啟停操作，烘箱的狀態及溫度等參數也在流程圖畫面中顯示。調用Modbus主站模塊，設置與烘箱的通信連接，將烘箱的運行狀態和溫度參數上傳至DCS系統;DCS系統遠程啟停烘箱各工作單元，將上位機的溫度設定值，傳送至PLC實現對烘箱溫度的自動控制。

3 結論

原烘箱控制系統自動化程度較低，不便于集中控制，需配置專人對烘箱進行操作和監視，工藝參數調整繁瑣。改造后的烘箱控制系統，自動化程度較高，實現了集中控制功能，由中控室操作人員對現場設備進行統一操控，節省了勞動力;同時，工藝參數調整方便快捷，可追溯性強。提高了工作現場的工藝穩定性，降低勞動成本，獲得了很好的經濟效益。

參考文獻

[1] 李艾華，賀建軍，吳同茂.DCS控制系統在過程實驗室中的應用[J].工業控制計算機，2007（11）：24-25.endprint

摘 要：使用DCS系統和EM235對公司現用烘箱進行自動化升級改造，對溫控系統、電氣控制系統進行升級改造，由原來的現場手動控制升級為DCS系統集中控制。改造后便于管理、工藝參數可追溯性強。

關鍵詞：DCS ?EM235 ?烘箱 ?PLC

中圖分類號：TP273 ? ?文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0065-01

集散控制系統（DCS）是以微處理器為基礎，綜合運用了計算機技術、圖形顯示技術、網絡通信技術和自動化控制技術，對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制的一種計算機綜合控制系統。其控制功能完善，人機界面友好，安裝調試簡單、安全可靠、性價比高，能夠較好地滿足控制的實時性、應用的多樣性、人機的交互性的需要，廣泛應用于化工、制藥、石油等企業，并逐漸成為生產過程控制的主要形式之一[1]。熱風循環烘箱利用蒸汽或電加熱為熱能源，通過蒸汽或電加熱元件產生熱量，利用風機進行對流換熱，對物料進行熱量傳遞，并不斷從空氣過濾器補充新鮮空氣和排除潮濕空氣。在干燥過程中箱內能保持適當的相對溫度和濕度，最大特點是大部分熱風在箱內進行循環，從而增強了傳質和傳熱效果，節約了能源。整機噪音小，運轉平衡，安裝維修方便，適用范圍廣，可干燥各種物料，是通用干燥設備。

EM235是西門子S7-200PLC最常用的模擬量擴展模塊，它實現了4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能。

1 升級前烘箱的工作原理與存在的問題

公司現用烘箱采用電加熱元件為熱源，通過PLC控制烘箱循環風機、排濕風機的啟停操作，使用固態繼電器（SSR）和溫控器實現烘箱加熱溫度的恒溫調節。工藝過程為：烘車裝滿料推入烘箱內，首先啟動排濕風機，然后啟動循環風機，最后在溫控器上設定工藝參數，啟動加熱器進行加熱工作;烘干結束后，加熱器自動停止工作，風機在一定的延時后自動停止。

現在的工藝操作方式，需要人工現場手動啟停設備;由于不同批次物料選用的工藝參數不同，需要頻繁修改溫控器的控制參數，而現有溫控器參數設定較為繁瑣，實際操作過程中常出現操作人員誤設參數，導致烘干產品不合格的問題存在。烘箱工作過程中的風機運行狀態、溫度控制情況等都無監控歷史記錄。為了避開電力系統用電波峰段，烘箱加料在白天完成，而烘干作業都在夜間進行，需要在烘干崗位配置專人對烘箱進行操作。

2 烘箱升級改造方案

升級改造的總體方案是利用公司現有的DCS系統，新增EM235模塊，實現對烘箱的遠程控制與監視工作。

2.1 控制系統組成與控制過程

現用烘箱的控制系統主要由三大部分組成，分別是主控單元、溫度檢測、執行機構。溫度檢測部分使用PT100鉑電阻，主控單元為S7-200系列PLC，CPU型號為226，執行機構包括風機、固態繼電器（SSR）和電加熱管組成。升級改造后的烘箱控制系統是在原有基礎上增加了DCS監控系統，并為PLC配置一塊4輸入/1輸出的EM235模塊替代溫控表對固態繼電器（SSR）進行控制。

控制過程：白天現場操作人員將物料裝入烘車后，晚上由中控室操作人員在DCS系統上位機上啟動烘箱風機、電加熱系統。鉑電阻采集溫度信號并通過EM235模塊送入PLC的CPU中，CPU根據DCS上位機設定的溫度值，進行PID運算得出控制量，再由EM235輸出到固態繼電器（SSR）來控制電加熱管的加熱工作。控制系統使用六類雙絞線將現場6臺烘箱PLC與DCS系統控制站通訊卡件連接起來，作為上位機與PLC的通信介質。

2.2 硬件選型

公司現有DCS系統一套，為與烘箱進行通信，需要新增一塊通訊卡件。多串口多協議通訊卡XP248是DCS系統與其它智能設備（如PLC、變頻器等）互聯的網間連接設備，其功能是將用戶智能系統的數據通過通訊方式連入DCS系統中，實現對現場智能設備的監控工作。XP248支持Modbus、協議HostLink協議及自定義通訊協議的智能設備互聯。烘箱當前的控制系統中，有一臺西門子S7-200型PLC，CPU型號為226。為了實現本文中的升級改造目的，需要采集烘箱溫度信號和輸出固態繼電器（SSR）控制信號，筆者選用EM235模塊。EM235是西門子S7-200PLC最常用的模擬量擴展模塊，它實現了4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能。綜上所述，烘箱的自動化升級改造工作需要新增加多串口多協議通訊卡XP248卡件一塊，六類雙絞線若干米，一塊EM235模塊。

2.3 軟件設計

2.3.1 西門子PLC程序設計

PLC編程軟件使用STEP7-Micro/WIN，版本為STEP 7-Micro/WIN32。使用PLC自帶的PID模塊實現對烘箱溫度的自動調節，PID控制系統圖如圖1所示。

圖1中，鉑電阻實測值與DCS系統設定的工藝溫度值構成控制偏差，將偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過優化組合構成控制量，對固態繼電器（SSR）進行控制使得加熱管加熱溫度可控，直到實測溫度與設定溫度無偏差為止。

調用PLC編程軟件中的Modbus從站模塊，將6臺PLC從站地址依次為03～07，波特率為9600，停止位設為1，無校驗，建立PLC與DCS系統的通信連接。

2.3.2 DCS系統組態

利用DCS系統的組態軟件對烘箱的工藝流程進行組態，流程圖畫面設置模擬按鈕實現對烘箱各工作元件的啟停操作，烘箱的狀態及溫度等參數也在流程圖畫面中顯示。調用Modbus主站模塊，設置與烘箱的通信連接，將烘箱的運行狀態和溫度參數上傳至DCS系統;DCS系統遠程啟停烘箱各工作單元，將上位機的溫度設定值，傳送至PLC實現對烘箱溫度的自動控制。

3 結論

原烘箱控制系統自動化程度較低，不便于集中控制，需配置專人對烘箱進行操作和監視，工藝參數調整繁瑣。改造后的烘箱控制系統，自動化程度較高，實現了集中控制功能，由中控室操作人員對現場設備進行統一操控，節省了勞動力;同時，工藝參數調整方便快捷，可追溯性強。提高了工作現場的工藝穩定性，降低勞動成本，獲得了很好的經濟效益。

參考文獻

[1] 李艾華，賀建軍，吳同茂.DCS控制系統在過程實驗室中的應用[J].工業控制計算機，2007（11）：24-25.endprint

摘 要：使用DCS系統和EM235對公司現用烘箱進行自動化升級改造，對溫控系統、電氣控制系統進行升級改造，由原來的現場手動控制升級為DCS系統集中控制。改造后便于管理、工藝參數可追溯性強。

關鍵詞：DCS ?EM235 ?烘箱 ?PLC

中圖分類號：TP273 ? ?文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0065-01

集散控制系統（DCS）是以微處理器為基礎，綜合運用了計算機技術、圖形顯示技術、網絡通信技術和自動化控制技術，對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制的一種計算機綜合控制系統。其控制功能完善，人機界面友好，安裝調試簡單、安全可靠、性價比高，能夠較好地滿足控制的實時性、應用的多樣性、人機的交互性的需要，廣泛應用于化工、制藥、石油等企業，并逐漸成為生產過程控制的主要形式之一[1]。熱風循環烘箱利用蒸汽或電加熱為熱能源，通過蒸汽或電加熱元件產生熱量，利用風機進行對流換熱，對物料進行熱量傳遞，并不斷從空氣過濾器補充新鮮空氣和排除潮濕空氣。在干燥過程中箱內能保持適當的相對溫度和濕度，最大特點是大部分熱風在箱內進行循環，從而增強了傳質和傳熱效果，節約了能源。整機噪音小，運轉平衡，安裝維修方便，適用范圍廣，可干燥各種物料，是通用干燥設備。

EM235是西門子S7-200PLC最常用的模擬量擴展模塊，它實現了4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能。

1 升級前烘箱的工作原理與存在的問題

公司現用烘箱采用電加熱元件為熱源，通過PLC控制烘箱循環風機、排濕風機的啟停操作，使用固態繼電器（SSR）和溫控器實現烘箱加熱溫度的恒溫調節。工藝過程為：烘車裝滿料推入烘箱內，首先啟動排濕風機，然后啟動循環風機，最后在溫控器上設定工藝參數，啟動加熱器進行加熱工作;烘干結束后，加熱器自動停止工作，風機在一定的延時后自動停止。

現在的工藝操作方式，需要人工現場手動啟停設備;由于不同批次物料選用的工藝參數不同，需要頻繁修改溫控器的控制參數，而現有溫控器參數設定較為繁瑣，實際操作過程中常出現操作人員誤設參數，導致烘干產品不合格的問題存在。烘箱工作過程中的風機運行狀態、溫度控制情況等都無監控歷史記錄。為了避開電力系統用電波峰段，烘箱加料在白天完成，而烘干作業都在夜間進行，需要在烘干崗位配置專人對烘箱進行操作。

2 烘箱升級改造方案

升級改造的總體方案是利用公司現有的DCS系統，新增EM235模塊，實現對烘箱的遠程控制與監視工作。

2.1 控制系統組成與控制過程

現用烘箱的控制系統主要由三大部分組成，分別是主控單元、溫度檢測、執行機構。溫度檢測部分使用PT100鉑電阻，主控單元為S7-200系列PLC，CPU型號為226，執行機構包括風機、固態繼電器（SSR）和電加熱管組成。升級改造后的烘箱控制系統是在原有基礎上增加了DCS監控系統，并為PLC配置一塊4輸入/1輸出的EM235模塊替代溫控表對固態繼電器（SSR）進行控制。

控制過程：白天現場操作人員將物料裝入烘車后，晚上由中控室操作人員在DCS系統上位機上啟動烘箱風機、電加熱系統。鉑電阻采集溫度信號并通過EM235模塊送入PLC的CPU中，CPU根據DCS上位機設定的溫度值，進行PID運算得出控制量，再由EM235輸出到固態繼電器（SSR）來控制電加熱管的加熱工作。控制系統使用六類雙絞線將現場6臺烘箱PLC與DCS系統控制站通訊卡件連接起來，作為上位機與PLC的通信介質。

2.2 硬件選型

公司現有DCS系統一套，為與烘箱進行通信，需要新增一塊通訊卡件。多串口多協議通訊卡XP248是DCS系統與其它智能設備（如PLC、變頻器等）互聯的網間連接設備，其功能是將用戶智能系統的數據通過通訊方式連入DCS系統中，實現對現場智能設備的監控工作。XP248支持Modbus、協議HostLink協議及自定義通訊協議的智能設備互聯。烘箱當前的控制系統中，有一臺西門子S7-200型PLC，CPU型號為226。為了實現本文中的升級改造目的，需要采集烘箱溫度信號和輸出固態繼電器（SSR）控制信號，筆者選用EM235模塊。EM235是西門子S7-200PLC最常用的模擬量擴展模塊，它實現了4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能。綜上所述，烘箱的自動化升級改造工作需要新增加多串口多協議通訊卡XP248卡件一塊，六類雙絞線若干米，一塊EM235模塊。

2.3 軟件設計

2.3.1 西門子PLC程序設計

PLC編程軟件使用STEP7-Micro/WIN，版本為STEP 7-Micro/WIN32。使用PLC自帶的PID模塊實現對烘箱溫度的自動調節，PID控制系統圖如圖1所示。

圖1中，鉑電阻實測值與DCS系統設定的工藝溫度值構成控制偏差，將偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過優化組合構成控制量，對固態繼電器（SSR）進行控制使得加熱管加熱溫度可控，直到實測溫度與設定溫度無偏差為止。

調用PLC編程軟件中的Modbus從站模塊，將6臺PLC從站地址依次為03～07，波特率為9600，停止位設為1，無校驗，建立PLC與DCS系統的通信連接。

2.3.2 DCS系統組態

利用DCS系統的組態軟件對烘箱的工藝流程進行組態，流程圖畫面設置模擬按鈕實現對烘箱各工作元件的啟停操作，烘箱的狀態及溫度等參數也在流程圖畫面中顯示。調用Modbus主站模塊，設置與烘箱的通信連接，將烘箱的運行狀態和溫度參數上傳至DCS系統;DCS系統遠程啟停烘箱各工作單元，將上位機的溫度設定值，傳送至PLC實現對烘箱溫度的自動控制。

3 結論

原烘箱控制系統自動化程度較低，不便于集中控制，需配置專人對烘箱進行操作和監視，工藝參數調整繁瑣。改造后的烘箱控制系統，自動化程度較高，實現了集中控制功能，由中控室操作人員對現場設備進行統一操控，節省了勞動力;同時，工藝參數調整方便快捷，可追溯性強。提高了工作現場的工藝穩定性，降低勞動成本，獲得了很好的經濟效益。

參考文獻

[1] 李艾華，賀建軍，吳同茂.DCS控制系統在過程實驗室中的應用[J].工業控制計算機，2007（11）：24-25.endprint