S7-400 PLC在聯(lián)堿粉體輸送控制系統(tǒng)中的應用

周 峰

(西安航天自動化股份有限公司)

S7-400PLC在聯(lián)堿粉體輸送控制系統(tǒng)中的應用

周 峰

(西安航天自動化股份有限公司)

介紹在延長集團興平化肥廠技改工程中，S7-400 PLC在聯(lián)堿粉體輸送控制系統(tǒng)中的應用，著重對S7-400 PLC的硬件配置、軟件配置做了說明。整套系統(tǒng)投入使用以后，運行良好。

聯(lián)堿粉體輸送 S7-400 PLC 控制系統(tǒng)

聯(lián)堿粉體輸送控制系統(tǒng)是通過控制不同種類輸送機將原鹽作為生產(chǎn)原料從原鹽存儲區(qū)輸送到工藝反應爐，再將生產(chǎn)的產(chǎn)品由生產(chǎn)車間輸送到存儲設備中保存。筆者所介紹的工程為延長集團興平化肥廠聯(lián)堿粉體輸送控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)技術，分為控制層和操作管理層，控制層由中心控制室可編程控制器PLC和布置在3個遠程站的可編程控制器PLC組成，管理層由設置在中心控制室的一臺操作員站和一臺工程師站組成，兩個層之間通過帶光纖口的工業(yè)交換機和以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)連為一體，實現(xiàn)生產(chǎn)工藝過程的計算機管理控制。

1 聯(lián)堿粉體輸送工藝

本系統(tǒng)按工藝分，有3個區(qū)域的完整流程：

a. 原鹽儲運。將原鹽從存儲區(qū)輸送至原鹽筒倉，由振動給料機、斗式提升機、埋刮板輸送機和帶式輸送機組成。

b. 純堿輸送。將煅燒工藝生產(chǎn)的輕灰、重灰輸送至輕灰倉和重灰倉，由埋刮板輸送機、斗式提升機和電動三通組成。

c. 氯化銨輸送。將干銨、濕銨輸送至包裝機系統(tǒng)，由帶式輸送機和螺旋輸送機組成。

3個工序輸送控制設備的DI點為494個，DO點為280個，AI點為23個，AO點為2個。輸送設備之間采用聯(lián)鎖控制，控制室集中操作，但現(xiàn)場設置單機試車開、停開關，連續(xù)輸送設備均接入PLC系統(tǒng)。所有聯(lián)鎖設備均能在設備近旁就地操作，并能解除聯(lián)鎖。

考慮到設備帶負載停機等因素，工藝流程啟動時，只按逆料流輸送方向逐臺啟動，工藝流程停機時，工藝流程按順料流輸送方向逐臺停機。當某一設備發(fā)生故障時，它前面(逆物料輸送方向為前)所有輸送設備應立刻停止運行，同時發(fā)出故障報警聲光信號，之后的設備延遲停機，直到物料卸空。故障解除后，按正常順序運作。

筒倉、灰倉設置高、低料位計。料倉料位計發(fā)出高料位報警時，中心控制室通知操作人員進行包裝純堿；低料位報警時，中心控制室通知操作人員輸送純堿。

2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由PLC和監(jiān)控系統(tǒng)組成。PLC(可編程邏輯控制器)是現(xiàn)代工業(yè)控制的核心部分[1]。PLC采用循環(huán)掃描的工作方式進行，其工作過程包括4個階段：輸入信號采集、通信處理、內(nèi)部執(zhí)行用戶程序和指令輸出。監(jiān)控系統(tǒng)(上位機)通過以太網(wǎng)與PLC完成數(shù)據(jù)信息交換，實現(xiàn)對設備狀態(tài)的監(jiān)視和控制。

本系統(tǒng)PLC采用S7-400系列CPU414-4H型控制主機，CPU處理每條二進制指令時間最快為45ns，具有2.8MB RAM，最大支持64K數(shù)字量，4K模擬量I/O，完全可以滿足聯(lián)堿粉體輸送整個設備的控制。PLC系統(tǒng)采用雙機熱備方式，互為熱備的兩個CPU通過同步光纖，實現(xiàn)兩個CPU程序的同步和熱備之間的互相切換。CPU與ET 200M分布式I/O之間采用冗余的Profibus-DP總線電纜通信，提高了系統(tǒng)通信的可靠性。CPU414-4H型控制主機可以連接多個ET 200M分布式I/O。PLC配置如圖1所示。

圖1 S7-400配置示意圖

PLC系統(tǒng)設一個主控室、3個遠程站，共9面柜體。主控制室內(nèi)設置控制臺1套、控制柜2個、電源柜1個，1#～3#遠程站各設置控制柜1個、電源柜1個。

電源柜中上部配有一臺220V交流雙路電源自動切換器，可保證系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，下部裝有一臺UPS不間斷電源，可給控制系統(tǒng)備用供電，還安裝有兩臺24V(DC)電源，直流穩(wěn)壓電源均有指示燈，并配有熔斷器保護。直流電源主要供現(xiàn)場設備、模塊、隔離繼電器的工作。

控制柜中配有一套S7-400H熱備系統(tǒng)，包括一個安裝底板、兩個電源模塊(PS407)、兩個PLC主機(CPU414-4H)、兩個以太網(wǎng)通信模塊(CP443-1)和ET 200M分布式I/O模塊。

IM 153-2用作ET 200M的接口模塊，最多可將12個I/O系列的模塊連接到接口模塊。接口模塊和所需的I/O模塊都安裝在導軌上。I/O模塊彼此連接并經(jīng)過總線連接器連接到IM 153-2接口摸塊，開關量輸入模塊采用32點數(shù)字量輸入模塊，主要用來連接系統(tǒng)輸送設備電機的狀態(tài)監(jiān)視繼電器；開關量輸出模塊采用32點數(shù)字量輸出模塊，主要用來連接系統(tǒng)輸送設備電機的控制繼電器；模擬量輸入模塊采用8通道輸入模塊，主要用來連接系統(tǒng)輸送設備電機的電流信號；模擬量輸出模塊采用8通道輸出模塊，主要用來控制振動給料機的速度。

3 組態(tài)

編程軟件采用STEP7 5.5SP2。STEP 7應用在SIMATIC S7-300/S7-400、SIMATIC M7-300/M7-400和SIMATIC C7上。可以通過Windows用戶接口啟動STEP 7。啟動后創(chuàng)建項目結構，項目類似一個文件夾，所有的數(shù)據(jù)均可按照一種體系化的結構存儲在其中，并可供隨時使用。在項目創(chuàng)建完畢后，所有其他的任務均將在該項目中執(zhí)行。組態(tài)站在對站進行組態(tài)時，可指定希望使用的可編程控制器，例如SIMATIC 300、SIMATIC 400、SIMATIC S5。

在對硬件進行配置時，可在組態(tài)表中指定自動化解決方案要使用的模塊以及用戶程序中對模塊進行訪問的地址，也可使用參數(shù)對模塊的屬性進行設置。

通信的基礎是預先組態(tài)的網(wǎng)絡，為此，需要創(chuàng)建自動化網(wǎng)絡所需要的子網(wǎng)、設置子網(wǎng)屬性、設置已聯(lián)網(wǎng)工作站的網(wǎng)絡連接屬性和某些通信連接。

定義符號變量。可在符號表中定義局部符號或具有更多描述性名稱的共享符號，以便代替用戶程序中的絕對地址進行使用。

創(chuàng)建程序。STEP 7是一種基于Microsoft Windows環(huán)境的編程工具，提供包括FBD、LAD及STL等多種編程語言的單一開發(fā)環(huán)境，用于生成控制系統(tǒng)程序[2]。本項目中主要采用的是LAD梯形圖進行編程。梯形圖邏輯和參數(shù)號注解的編程可以更清楚地理解程序，以符號編程可使編程人員能比記數(shù)碼更為直觀地記住特殊含義的符號。在編程過程中，對同一類設備進行子程序編程，每一個設備調(diào)用同一個子程序功能塊就能很簡單地完成對同一類設備的控制。電機類的子程序控制和功能塊控制如圖2所示。

4 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)采用IFix組態(tài)軟件，即通過IFix組態(tài)畫面和鍵盤對整個工藝系統(tǒng)進行監(jiān)視和控制，控制室不再設常規(guī)控制儀表盤和模擬屏。LCD屏幕能顯示工藝流程和所有測量參數(shù)，控制對象狀態(tài)，也能顯示成組參數(shù)。當參數(shù)越限報警或控制對象故障或狀態(tài)變化時以不同顏色進行顯示，并有聲音提示。

圖2 電機類設備控制子程序

按照工藝系統(tǒng)PID設計了多幅LCD畫面，供隨時調(diào)出監(jiān)控，并且對所有被監(jiān)控的信號均能打印記錄。通過PLC對整個工藝系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制、步操或遠方手操，在PLC內(nèi)設有必要的保護和聯(lián)鎖功能。

5 程序控制

聯(lián)堿粉體輸送系統(tǒng)有自動控制、聯(lián)鎖手動和試機3種運行方式，在現(xiàn)場設備狀態(tài)正常的情況下，自動控制為系統(tǒng)的最佳運行方式，在此方式下，設備的空載運行時間最短，操作員的操作步序最少。聯(lián)鎖手動方式是對要啟動的流程中設備按逆料流輸送方向一對一的啟動，按順料流輸送方向一對一停車，要求設備啟動前須先將電動三通擋板啟動到位，設備的保護動作處理均同自動控制方式。試機是在設備間解除了聯(lián)鎖關系的情況下，一對一啟動設備，此方式絕不可帶負載運行，原因是設備間已經(jīng)不存在聯(lián)鎖停機功能。

6 結束語

應用PLC實現(xiàn)了聯(lián)堿工藝系統(tǒng)粉體輸送的全自動化控制，系統(tǒng)操作簡單、運行穩(wěn)定、安全可靠。改造后，設備簡化，易于維修，并降低了運行成本，減少了粉體對人體的危害。PLC具有自診斷功能，能夠使系統(tǒng)更加智能化，為安全生產(chǎn)保駕護航。

[1] 丁煒，魏孔平.可編程控制器在工業(yè)控制中的應用[M].北京.化學工業(yè)出版社，2004.

[2] 李若谷，韓敏.西門子PLC編程指令與梯形圖快速入門[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

周峰(1982-)，工程師，從事PLC系統(tǒng)的集成工作，zfpangdo@163.com。

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2017-07-04，

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