基于S7-300與變頻器控制的自動化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

朱光波

（湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力電子工程系，湖北 武漢430223）

0　引言

隨著居民生活水平的提高，我國的啤酒需求量增長速度很快。為了適應(yīng)這一需求，啤酒生產(chǎn)廠家不斷擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。在擴(kuò)大規(guī)模的同時(shí)，如何保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，就顯得尤為重要。啤酒灌裝生產(chǎn)線是啤酒行業(yè)不可缺少的主要生產(chǎn)設(shè)備，對其裝酒過程的酒位控制、灌裝壓力控制、同步速度控制等是灌裝質(zhì)量的重要保證。本文提出通過可編程控制器輸出來控制變頻器的多段速調(diào)速，讓電動機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨檢測的反饋信號而變化，實(shí)現(xiàn)對灌裝啤酒傳送帶速度的自動控制，使其與灌裝機(jī)的速度相匹配，提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率。本設(shè)計(jì)將可編程控制器和變頻器控制進(jìn)行了充分的結(jié)合運(yùn)用，將可編程控制器的開關(guān)量輸出端直接與變頻器的開關(guān)輸入端相連，具有操作簡便、運(yùn)行穩(wěn)定與可靠等諸多特點(diǎn)。并運(yùn)用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了生產(chǎn)線實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，生產(chǎn)過程中的各測控點(diǎn)參數(shù)，各流程的動態(tài)圖像都會實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控屏幕上。便于生產(chǎn)管理者，能夠及時(shí)了解生產(chǎn)進(jìn)度和設(shè)備運(yùn)行情況，做出及時(shí)有效的決策，保證生產(chǎn)的安全性和高效性。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是以PLC和變頻器為核心，通過各種傳感器以及I/O數(shù)據(jù)采集卡，對灌裝生產(chǎn)線執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)的自動化控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)需要控制的對象包括各生產(chǎn)工位的傳送電機(jī)、保護(hù)氣體閥、灌裝閥、下蓋機(jī)構(gòu)、壓蓋機(jī)構(gòu)，需要采集的數(shù)據(jù)包括儲酒缸、在線酒瓶酒位，保護(hù)氣體壓力，灌裝時(shí)酒的流速，空/滿酒瓶輸送皮帶的速度，空／滿瓶的到位、堆堵、下蓋、打開／關(guān)閉裝酒閥的狀態(tài)。生產(chǎn)線由傳送帶和灌裝液罐組成，傳送帶由電機(jī)拖動。電機(jī)可以正反轉(zhuǎn)。電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，傳送的易拉罐依次通過空罐位、灌裝位、滿罐和終端4個(gè)工位。

控制面板包括自動化生產(chǎn)線控制臺上裝備普通的下位機(jī)控制面板和上位機(jī)HMI（人機(jī)界面）兩種設(shè)備，分別都可對生產(chǎn)線實(shí)行控制。

下位機(jī)控制面板要求：下位機(jī)使用普通的控制面板，在控制面板上要求設(shè)計(jì)啟動和停止按鈕、急停按鈕、下位（PLC）/上位（HMI）選擇開關(guān)、手動/自動選擇開關(guān)、正反轉(zhuǎn)點(diǎn)動開關(guān)、故障復(fù)位按鈕、計(jì)數(shù)器、計(jì)數(shù)清零按鈕和各種指示燈。

上位機(jī)人機(jī)交互界面：上位機(jī)人機(jī)界面要求HMI設(shè)備使用TP177B color PN/DP觸摸屏作為控制裝置，具體布置如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

控制裝置：整個(gè)系統(tǒng)要求下位機(jī)使用西門子可編程控制器S7-300進(jìn)行控制管理，上位機(jī)要求使用組態(tài)軟件WinccFlexible，將現(xiàn)場狀態(tài)以圖形、表格、曲線等動態(tài)的再現(xiàn)在TP177B color PN/DP觸摸屏上，對現(xiàn)場實(shí)行監(jiān)控[1]。

驅(qū)動裝置：要求使用西門子MM440系列變頻器驅(qū)動傳送帶電機(jī)，并要求可編程控制器S7-300通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)與MM440系列變頻器能夠通訊控制，變頻器驅(qū)動電機(jī)。

控制模式：自動化生產(chǎn)線需設(shè)計(jì)手動和自動兩種工作模式。手動模式用于設(shè)備的調(diào)試和滿罐計(jì)數(shù)值的復(fù)位。自動模式下允許啟動生產(chǎn)線運(yùn)行。

系統(tǒng)故障與報(bào)警：控制系統(tǒng)應(yīng)具備緊急情況的處理以及故障診斷與顯示報(bào)警功能。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，控制系統(tǒng)能夠立即響應(yīng)，在控制面板上或HMI上相應(yīng)的指示燈閃爍，故障排除后，只有按下故障復(fù)位按鈕，生產(chǎn)線才能自動運(yùn)行。

控制系統(tǒng)其它要求：急停保護(hù)與計(jì)數(shù)與顯示功能、灌裝液罐中液位監(jiān)視功能等。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的工作原理：現(xiàn)場的速度傳感器、壓力變送器、堆堵光電傳感器、液位傳感器以及現(xiàn)場各種開關(guān)器件將采集到的信號傳給PLC，PLC根據(jù)采集到的信號狀態(tài)，調(diào)用相應(yīng)的控制程序或算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后對控制對象進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)。在控制的同時(shí)，PLC會通過工業(yè)以太網(wǎng)將控制對象及各采集器件的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)傳給上位PC服務(wù)器中，并在監(jiān)控畫面中動態(tài)顯示。

2　硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)啤酒灌裝自動生產(chǎn)線控制和工藝要求，經(jīng)過對現(xiàn)場控制設(shè)備的控制關(guān)系的分析，本系統(tǒng)選用惠普 PC、西門子 PLC（S7-300）和變頻器（MM440）組成上下兩級自動控制系統(tǒng)[2]。上位PC機(jī)位于主控室，主要作用是與S7-300進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，獲取灌裝生產(chǎn)線上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并顯示灌裝工藝流程，提示報(bào)警，報(bào)表曲線的生成及打印，對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)保存以便查詢。PLC為下位設(shè)備控制層，主要對系統(tǒng)邏輯、變頻器速度段、各控制閥的啟停、液位數(shù)據(jù)采集等進(jìn)行控制。并通過工業(yè)以太網(wǎng)與主機(jī)PC進(jìn)行通訊，傳送生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)。系統(tǒng)硬件配置圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件配置圖

2.1　PLC的選型

系統(tǒng)選用SMIATIC S7-300系列PLC，它配有豐富的指令系統(tǒng)，易于用戶編程，具有豐富的特殊模塊和通訊能力，非常適合在自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)中應(yīng)用。S7-300系列PLC有六種基本的CPU型號，根據(jù)系統(tǒng)需要檢測和控制的參數(shù)，系統(tǒng)選用CPU 315-2DP，可連接32個(gè)擴(kuò)展模塊，帶有RS-485接口及Profibus DP接口。根據(jù)控制及冗余配置要求，選用32點(diǎn)輸入模塊一塊，32點(diǎn)輸出模塊一塊。由于還要對液位、壓力等模擬信號進(jìn)行測量和控制，故選取8點(diǎn)模擬量輸入輸出混合模塊一塊。由于各測控點(diǎn)位于生產(chǎn)線的各個(gè)不同的位置，距離較遠(yuǎn)，直接用S7-300進(jìn)行控制會受到電磁信號的干擾降低系統(tǒng)可靠性，因此系統(tǒng)采用分布式I/O控制設(shè)備ET200M.它是作為S7-300的從站，通過Profibus DP與主站進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。

2.2　變頻器的選型

變頻器選用西門子MM440型變頻器，該類型變頻器既支持與主站的周期性數(shù)據(jù)通信，也支持與主站的非周期性通信，為了能夠?qū)崿F(xiàn)S7-300通過Profibus DP協(xié)議與變頻器通訊，本系統(tǒng)選用CB通訊模塊加裝在MM440上。變頻器的硬件控制電路如圖3所示。

圖3　變頻器控制示意圖

3　軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)啤酒灌裝的工藝流程及控制要求，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為PLC控制和監(jiān)控畫面軟件設(shè)計(jì)。PLC控制系統(tǒng)的所有功能都在主循環(huán)OB1里面實(shí)現(xiàn)，OB1根據(jù)控制需要，調(diào)用各個(gè)功能函數(shù)模塊實(shí)現(xiàn)各控制功能[3]。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。限于篇幅，這里主要介紹一下PLC與變頻器的通訊程序和監(jiān)控畫面軟件設(shè)計(jì)。

圖4　主程序流程圖

3.1　PLC與變頻器通信設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中PLC與變頻器的通信采用Profibus DP總線方式。通信介質(zhì)采用屏蔽雙絞線或光纜。S7-300使用功能塊SFC14/SFC15讀取和修改MM440的參數(shù)值，從而使變頻器能夠按照系統(tǒng)要求對電機(jī)進(jìn)行控制，并能夠?qū)崟r(shí)讀取電機(jī)當(dāng)前的電壓、電流、頻率值。程序流程圖如圖5所示。

圖5　PLC與變頻器的通訊程序總體流程圖

3.2　監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

作為啤酒灌裝生產(chǎn)線上位機(jī)控制信息管理系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，監(jiān)控畫面起著非常重要的作用。它實(shí)現(xiàn)了整個(gè)灌裝過程的遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)選用wincc6.2工業(yè)組態(tài)軟件作為上位機(jī)的控制軟件開發(fā)平臺。啤酒灌裝生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)有若干監(jiān)控子畫面組成，其系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6　監(jiān)控畫面框圖

啤酒灌裝生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)的主監(jiān)控畫面（如圖7所示）對傳送電機(jī)、保護(hù)氣體閥、灌裝閥、下蓋機(jī)構(gòu)、壓蓋機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，儲酒缸、在線酒瓶酒位，保護(hù)氣體壓力，灌裝時(shí)酒的流速，空/滿酒瓶輸送皮帶的速度，空／滿瓶的到位、堆堵、下蓋、打開／關(guān)閉裝酒閥的狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)時(shí)采集，管理人員能夠通過主監(jiān)控畫面監(jiān)控到整條灌裝生產(chǎn)線設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)酒位、氣體壓力、皮帶速度超限報(bào)警時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)能夠通過報(bào)警界面顯示報(bào)警信息。系統(tǒng)報(bào)表會記錄各個(gè)信號采集點(diǎn)的歷史信息，并能夠以曲線的形式反映出信息的變化趨勢。參數(shù)設(shè)置可以修改酒位、氣體壓力、皮帶速度、變頻器頻率等參數(shù)，操作人員可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行操作。

圖7　主監(jiān)控畫面

4　結(jié)束語

本文運(yùn)用PLC、變頻器和組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的啤酒灌裝，給出了系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)以及通信設(shè)計(jì)的流程方法。實(shí)際應(yīng)用效果表明，本系統(tǒng)安全可靠，操作方便。作為現(xiàn)代工業(yè)中自動化生產(chǎn)線的主要控制設(shè)備，PLC、變頻器以其優(yōu)良的特性在實(shí)際控制工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]SIMATIC S7-300可編程控制器系統(tǒng)手冊[Z].

[2]凌岳山.PLC在自動化生產(chǎn)線中的應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)，2008，37（07）：78.

[3]盧國華.PLC控制系統(tǒng)在生產(chǎn)線中的應(yīng)用[J].電氣時(shí)代，2008（3）：112.