PCS7對輸送系統連續控制的設計及應用

姜健寧 于 樂 趙文祥

1北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007 2北京英貝思科技有限公司 北京 100081

0 引言

近年來，輸送機在冶金、礦山、煤炭、電力、建材及化工等行業均得以普遍應用，隨著工業自動化過程控制理論和計算機技術的迅速發展，生產工藝對控制系統的可靠性、擴展能力、開放性、操作及監控水平等方面提出了越來越高的要求。大型輸送系統的控制集保護、監控、除塵等多功能設備于一身，各個轉運設備構成了復雜的工藝網絡，不僅要滿足基本的順序控制，還要滿足復雜的工藝線路及多設備的通訊監控。與傳統的自動化控制相比，過程控制對象復雜、要求多樣、方案豐富。 SIMATIC PCS7是西門子公司在TEMEPERM系列集散系統和S5、S7可編程控制器的基礎上，結合先進電子制造技術、網絡通信技術、圖形及圖像處理技術、現場總線技術、計算機技術和先進的自動化控制理論，面對所有過程控制應用場合的先進過程控制系統。

1 總體設計方案

文中以某糖廠的精糖筒倉為工藝對象，在SIMATIC PCS7控制系統的基礎上，借助PCS7系統配置靈活，易于擴展、面向工藝對象編程等技術特點，采用該系統特有的CFC、SFC等高級控制語言及自定義功能塊的編程技術，結合皮帶設備要求快速穩定的工藝需求，提出了一套適合于皮帶輸送流程的實現方法并應用于實際工程現場。

某糖廠的精糖筒倉系統包括了10條工業輸送皮帶，2臺斗式提升機，2臺電磁式三通閥，70臺旋轉式下料閥，及多個溫度、壓力、料流等檢測傳感設備和空冷、除塵等配套系統。精糖由煉糖車間輸送到筒倉系統，在筒倉內儲存，倉內需為恒溫恒壓的密閉空間，以此來保證精糖質量。故使用傳感設備檢測倉內數據，實時調整倉內壓力和溫度，當接到下游信號時，精糖從筒倉內通過旋轉下料閥進入輸送皮帶，送入包裝車間。出料時，由料流檢測器控制輸出量，同時為保證精糖不結塊，使用斗式提升機可將倉內精糖上下倒運。系統工藝如圖1所示。

圖1 系統工藝圖

在電氣控制上，除了傳統的進出倉流程，還有精糖倒倉等多個復雜工藝流程，且還需設備組成的各流程間實現順啟、順停、遠程就地切換、急停、流程互鎖、主備切換、報警監控等功能。利用集散控制的方法，首先將筒倉系統分為現場控制級、過程控制級和過程管理級三個層級。整個系統結構如圖2所示，過程控制站采用AS單站，流程控制功能及其他高級功能都在AS站中實現，而在所有的OS（操作員站）中，可根據權限，對系統的各種設備進行操作，整個系統采用工業以太網TCP/IP進行高速、穩定的實時通信。

圖2 網絡結構圖

1)現場控制級 主要包括輸送機、斗提機、電磁式三通閥、旋轉下料閥及多個傳感設備。

2)過程控制級 主要包括冗余控制器PLC S7-410SMART，分布式I/O設備IM-650。該層級完成生產過程的數據采集，對操作員下達的參數命令進行處理，通過現場總線的通訊傳遞，控制現場控制級的設備運行。

3)過程管理級 主要包括主機系統、顯示設備、鍵盤輸入設備、信息存儲設備、打印輸出設備組成。通過此層級可實現強大的顯示功能、報警功能、操作功能、報表打印等功能。

2 硬件設計

根據工藝及系統容量要求，硬件采用可互換的工程師站、操作員站、可靠冗余的控制站、Profibus過程現場總線技術的分散型IO子系統組成，采用410 SMART冗余控制器，控制站與操作員及工程師站采用工業以太網通訊，并實現環網結構，控制站與現場IO之間采用冗余現場總線Profibus。軟件方面使用PCS7自帶的CFC編程語言，利用內部的APL標準功能塊和自定義功能塊實現面向對象的編程組態，再使用PCS7的SFC編程語言，將各設備的CFC功能塊按工藝流程串聯起來，并做連續控制，畫面則利用PCS7的自動生成的WinCC控制面板和WinCC的腳本功能來實現。

3 設備層控制

輸送系統的設計中，由于系統中的設備種類繁多且控制邏輯相異，分散又關聯緊密，所以在設備層用面向對象的思路，對輸送系統不同設備類型的控制邏輯進行分類，首先使用PCS7的CFC功能對設備層每種設備編寫不同的控制方式和診斷邏輯，利用APL標準功能塊，使用Motor模塊和Valve模塊對標準電機和閥門進行編程控制，連接遠程就地、手動自動、急停等管腳到對應I/O點，如圖3和圖4所示。

圖3 CFC輸送機控制程序

圖4 CFC電磁閥控制程序

對于變頻設備的控制，使用系統自帶的通道驅動塊FB drive集成G120等緊湊型驅動設備到PCS7系統中，實現對驅動設備的基本操作控制，分別在CFC中和Starter中設置標準報文，并將變頻器和電機進行速度匹配，如圖5所示。

圖5 CFC變頻器控制程序

針對輸送機特有的運行保護方式和傳感器的報警設置，需使用自定義功能塊。利用PLC的SCL語言對不同的分類進行編程，將單體設備中所有的數字量信號作為一個整體對象進行全局處理，把PLC的邏輯控制思維引入到過程控制系統中。再根據SCL程序所編寫內容，在WinCC中制作需要的控制面板，如圖6所示。

圖6 保護裝置控制面板

以下是SCL編程傳感器檢測跑偏示例。

SCL

IF”LS1”=1 AND NOT”LS2”=0 //LS1檢測到信號；LS2未檢測到信號

THEN”LEFT”=1 //輸送機向左跑偏

IF”LS2”=1 AND NOT”LS1”=0 //LS2檢測到信號；LS1未檢測到信號

4 工藝流程

在輸送系統的工藝流程設計中，由多個輸送線路及三通轉換流向，導致轉運設備構成復雜的工藝網絡。精糖筒倉系統主要由4條工藝線路組成，每條線路都遵循順序啟動，逆向停車的原則，各線路既要獨立啟動，又要相互聯鎖，以保證每條工藝流程在運行中不發生沖突。

1)入倉流程

BC01→PST01→E01→BC02→09-RF01

2)直接包裝流程

BC01→PST01→BC07

3)出倉包裝流程

09-MIC(001～069) → BC03(1～2)，BC04(1～2)→ BC05(1～2) → BC06→ E02→ PST02→BC07

4)倒倉流程

09-MIC(001～069) → BC03(1～2)，BC04(1～2)→BC05(1～2) →BC06→E02→PST02→E01→BC02→09-RF01

如圖7所示，利用PCS7中的高級語言SFC，可直接對CFC塊中的管腳進行控制，依照不同的轉換條件，從一種狀態轉換到另一種狀態，并直接在上位機顯示，使每條工藝流程能快速穩定地運行。SFC通常應用于非連續控制的工藝上，要使用SFC的連續功能，需通過設置Self-Comp引腳，控制SFC保持在運行狀態，用畫面按鈕作為工藝線路的啟動停止條件，時間繼電器作為順序控制狀態的轉換條件，再使用SFC chart和WinCC腳本功能，完成各流程間的互鎖、故障跳轉，使整個流程簡潔、易懂、具有良好的操作性。

圖7 SFC工藝流程控制程序

5 操作畫面

在操作畫面中，PCS7可直接將CFC、SFC功能塊上傳至集成的WinCC系統中，只需制作簡單的靜態畫面，用IO域、畫面窗口等功能做一些輔助操作即可，畫面功能完善，操作方法統一，使畫面清晰化、模式化，如圖8和圖9所示。

圖8 上位機操作畫面

圖9 上位機設備操作面板

6 總結

在現代大型輸送系統中，使用PCS7系統作為過程控制，相對于傳統的PLC系統編程更加簡化，將工作重心轉移到控制的優化上，不論在程序編制、優化、調試以及監控方面都更加的直觀、實用。該系統運行穩定，操作簡單易懂，維護檢修方便，減小了勞動強度，提高了生產率，PCS7 在輸送系統中具有廣闊的應用前景。