西門子S7-400 PLC在冶金配料系統(tǒng)上的應用

張浩 賴敏

摘 要：從系統(tǒng)組成、系統(tǒng)結構、網絡結構、系統(tǒng)程序和上位監(jiān)控等方面，對西門子S7-400 PLC在冶金配料系統(tǒng)上的應用進行了分析，實踐應用顯示，采用了S7-400 PLC系統(tǒng)的冶金配料系統(tǒng)具有功能強大、可靠性高、易于維護等優(yōu)點，可為企業(yè)創(chuàng)造更高的經濟效益。

關鍵詞：冶金配料系統(tǒng);S7-400 PLC;系統(tǒng)結構;網絡結構

0 引言

在冶金配料過程中，通常需要對多種原材料進行一定比例的配比。在純人工操作過程中，工藝人員會根據工藝需求人工計算每種材料的配方比例，然后根據比例計算每種材料的理論量，并單獨設置機械設備以滿足生產要求。當生產狀況發(fā)生變化且需要更改物料數量時，需要再次計算每種物料的設定值并再次進行設定，整個過程消耗大量人力和精力。而采用基于西門子S7-400 PLC控制方式和變頻調速理念的冶金配料系統(tǒng)能夠很好地實現人機對話，輕松完成物料輸送、配料控制、配方設計、生產數據管理等功能。在自動冶金配料過程中，多種物料按一定比例進行配比，電子皮帶秤用于測量皮帶輸送機輸送的物料。PLC主要負責輸送設備和稱重過程的實時控制，并完成系統(tǒng)故障檢測、顯示和報警，同時變頻器輸出信號起到調節(jié)皮帶和下料系統(tǒng)速度的作用。

1 系統(tǒng)組成

冶金配料系統(tǒng)由稱量儀表、上位工控機、S7-400 PLC、變頻器等組成。

（1）進料部分：進料部分是從料倉（或儲罐）到稱重設備的進料執(zhí)行器。根據物料的不同特性，可以選擇不同的給料設備，如電磁振動給料機、螺旋給料機、電磁閥。

（2）稱重部分：稱重部分由傳感器、接線盒和稱重二次顯示器組成，稱重儀器用于稱量物料并檢測誤差。

（3）卸料設備：卸料可以用稱重設備或卸料設備，通常由空閥、電磁振動給料機、螺旋給料機、電動（氣動）閥組成。所有設備應根據現場的工藝條件和材料性質進行設計和選擇。

（4）配料控制系統(tǒng)：配料控制系統(tǒng)由稱重儀表、可編程序控制器、上位機等控制設備組成。

（5）校秤系統(tǒng)：應定期調整計量系統(tǒng)傳感器，以確保系統(tǒng)計量的準確性。

冶金配料系統(tǒng)工作原理：下料閉環(huán)控制過程主要是通過電子皮帶秤對振動給料機輸送的物料進行計量，由PLC接收現場的稱重信號和下料變頻器的速度信號，經處理后轉化為瞬時物料量，并將瞬時物料量信號由以太網絡傳送給工業(yè)上位機，PLC同時以程序計算出理論下料量，經過AO模塊進行轉化，以電流信號傳送給下料變頻器，再由變頻器調節(jié)振動給料機的轉速，當流量增大時，降低振動給料機的轉速，反之提高振動給料機的轉速，從而使得物料的流量和階段累計量均保持在設定范圍內，進而得到可靠的產品質量。

2 系統(tǒng)結構

冶金配料系統(tǒng)為S7-400H系列冗余控制系統(tǒng)，控制器冗余系統(tǒng)可以實現雙控制器冗余切換功能，當主控的CPU出現故障時，另一個CPU自動接替主控CPU工作，切換時間為毫秒級。

冶金配料系統(tǒng)完全采用基于PROFIBUS-DP網絡的分布式I/O系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)方案的缺點。遠程I/O站通過冗余的IM153-2模塊用兩條冗余PROFIBUS-DP現場總線把經濟性更好的S7-300 I/O模塊整合到整個DP網絡系統(tǒng)，所有I/O模塊選用有源背板總線，可支持模板在線更換，保障網絡上其他模塊不受影響。

冶金配料系統(tǒng)的電機管理模塊選用西門子SIMOCODE_pro作為控制模塊，它集成了電機饋電回路所需要的所有功能，并提供了大量操作、維護、診斷數據，使電機饋電回路的功能更加透明。利用SIMOCODE_pro電機管理模塊自帶的Profibus-DP通信接口，調試人員可方便地將整個電機饋電回路通過西門子Y-LINK總線連接器集成到一個冗余自動化系統(tǒng)中。

該冶金配料系統(tǒng)硬件配置的部分硬件型號為：控制器CPU417H、電源模塊PS407、以太網通信卡CP443、I/O通信接口卡IM153-2、普通型I/O卡SM321/SM322/SM331/SM332。

冶金配料系統(tǒng)的下料電機采用ABB系列變頻器（型號ACS550-01-023A-4），該變頻器是由西門子公司生產的一種具有基本功能的多用途工業(yè)變頻器。ABB系列變頻器經濟實用，使用簡便，具有魯棒性和適應性，適合我國復雜的電網環(huán)境。

上位機部分設置了一臺工程師站、一臺操作員站，工程師站與操作員站配置Dell工控機，工程師站和操作員站安裝西門子STEP7工程軟件，工業(yè)以太網以MOXA工業(yè)級交換機進行環(huán)網組態(tài)等。

3 網絡結構

冶金配料系統(tǒng)通過以太網通信處理模塊CP443將S7-400H站連接到工業(yè)以太網中。整套冶金配料系統(tǒng)工廠總線配備了MOXA工業(yè)級EDS-516A系列的網管型交換機，用于構建冶金配料系統(tǒng)以太網絡環(huán)狀網絡架構，可使個環(huán)形網絡通信速率達到100 Mbit/s。

冶金配料系統(tǒng)終端總線配備了西門子工業(yè)級以太網交換機，用以連接工程師站及操作員站，操作員站保存所有的歷史數據記錄、事件順序記錄、報表、料比更改記錄等。工程師站配置了西門子專用通信網卡CP1613和通用網卡，用于與現場控制站通信。

4 系統(tǒng)程序和上位監(jiān)控

4.1? ? 系統(tǒng)程序

冶金配料系統(tǒng)通過西門子S7-400系統(tǒng)實現全自動控制，整套系統(tǒng)的主程序采用LAD語言編寫，用于實現主流程的步序控制，LAD語言比較容易理解，方案維護人員后期解讀和升級優(yōu)化控制邏輯。

冶金配料系統(tǒng)運行聯鎖條件多，工藝控制要求高。系統(tǒng)程序中大量使用了安全程序，標準程序與安全程序之間相互調用，確保了I/O模塊采集各個工藝過程值的準確性及各個數據及通過模塊都在安全狀態(tài)下運行。

4.2? ? 上位監(jiān)控

冶金配料系統(tǒng)采用西門子S7-400系統(tǒng)的WinCC作為HMI上位監(jiān)控軟件，該軟件與PLC控制系統(tǒng)結合緊密，是簡單、高效的組態(tài)工具。冶金配料系統(tǒng)主畫面可以監(jiān)控現場電機、變頻器、秤等設備的運行狀態(tài)。通過該操作畫面可以快捷地遠程對現場各個設備進行單機或全自動狀態(tài)下的控制，該HMI軟件還配有完善的報警程序，可在報警信息欄中實時提示現場設備狀態(tài)以及顯示故障信息，為維護本套設備提供了可靠依據。

應用冶金配料系統(tǒng)，操作人員能連續(xù)監(jiān)視生產過程中各個相關附機設備的運行狀態(tài)及相關參數，并且進行邏輯運算和判斷，使附機設備按照既定的合理程序完成必要的操作，保證整個冶金配料系統(tǒng)的安全。

5 主要控制

物料由加料設備傳送到配料皮帶秤，稱重傳感器和速度傳感器將稱量和速度信號發(fā)送到皮帶秤儀表，輸送物料的皮帶秤儀表顯示瞬時流量和累計量數據，同時將模擬的瞬態(tài)流量以標準電流形式發(fā)送到PLC系統(tǒng)，其內部單回路程序塊通過設備定值和實際值比較進行PID調節(jié)，調節(jié)器根據測量值和設定值的偏差，通過變頻器調整皮帶秤的驅動電機速度，使進料流量精確，由用戶設定下料速度，達到恒定物料流量的目的。冶金配料系統(tǒng)大量使用了單回路調節(jié)，當物料下料量短時間發(fā)生變化時，其影響到多個物料的配比，這時調節(jié)器及時進行控制，改變下料電機變頻器的頻率，通過改善單個回路控制的參數整定，可大大提高控制質量。

關于各種物料的配比，編程人員將配比方案設置在上位畫面，對比不同的物料配比就不同的方案，操作人員只需要在上位畫面中選定一種配比方案，系統(tǒng)就可以按照程序進行物料下料處理。針對生產過程中需要添加特殊的物料，操作人員可以進行人為的配比參數設定，滿足不同冶金工況對配比的要求。

6 結語

冶金配料系統(tǒng)與傳統(tǒng)靜態(tài)配料裝置相比，其系統(tǒng)具有功能強大、可靠性高、易于維護等優(yōu)點，S7-400 PLC系統(tǒng)采用面向對象的編程方法，極大地方便了系統(tǒng)的后期維護，大大提高了配料精度，實現了智能網絡化管理，整套控制系統(tǒng)的程序可在線修改、下載，減少了系統(tǒng)的非故障停機時間，獲得了良好的經濟效益。

[參考文獻]

[1] 羅化龍.鋼鐵冶金燒結用電子配料秤斷料自動監(jiān)控方法的探索與實踐[J].科技展望，2016，26（13）：69.

[2] 李景星.粉末冶金配料的自動化技術與應用[J].科技資訊，2014（6）：77.

[3] 鄭群英，龍小保.粉末冶金配料系統(tǒng)的PLC控制[J].電氣應用，2008，27（12）：20-23.

收稿日期：2020-01-02

作者簡介：張浩（1984—），男，云南普洱人，工程師，從事現場電氣自動化設備的技術工作。