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产品描述
金华西门子授权一级代理商触摸屏供应商
1 引言
我公司90m2烧结机于1991年建成，plc自动控制系统采用的是美国modicon公司的584系统，其间经过升级改造，原系统已经被quantum系统取代，但系统已经运行了十多年，通讯方面时常出现一些问题。控制程序一直沿用dos6.22操作系统下的modsoft v2.62开发环境，界面复杂、操作繁琐、功能简单；程序本身虽然逻辑严密，但长期以来随着工艺新，程序也不断修改，致使结构繁琐混乱，加上中间点过多，没有注释，给维护工作造成很大困难，直接影响了烧结生产的顺利运行。
系统原先采用电气操作台控制。调度台与电气操作台分置于内外间，启停时需进入里间才能操作，耗时耗力耗人；另外，由于时间长，电气操作台线路老化、虚接，常常引起误动作，电工查找故障需对图比照，顺线路检查，这些不利因素增加了人、财、物等各项成本，也大地影响了生产作业率。次造也只是用简单的ifix2.5画面替代电气操作台上的按钮和开关，整个生产工艺仍然通过模拟屏显示，并没有实现真正意义上的上位机画面监控。
2 解决方案
针对此种情况，2006年5月份正式实施改造,并于6月13日投入运行。本着大限度降的原则，决定仍然采用quantum自动控制系统，控制程序重新编制，采用bbbbbbs2000操作系统下的concept2.6软件编程；监控画面采用ifix2.5软件，重新制作，将各个工艺流程显示在画面上，同时实现故障报警、历史趋势显示；上位机与plc之间的通讯由以前的mb+改为以太网通讯，速率快，网络也加稳定。
2.1 硬件配置
硬件配置如下：cpu模板：140 cpu 434 12a；电源模板：140 cps 114 20；底板：140 xbp 006 00；工控机：研华ipc-610h；显示器：philips 190s5；以太网模板：140 noe 771 00；交换机：赫斯曼rs2-tx；ifix并口支持硬件密钥；ups电源：5kva；双绞线、同轴电缆若干。
(1) cpu：cpu模板140 cpu 434 12，采用80486处理器，时钟速率66mhz，逻辑解算时间大大缩短，提高了整个自动化系统的性能。
(2) 以太网(ethernet)高速通讯网：上位机与plc之间通过以太网通讯。以太网是现在普遍采用的局域通讯网络，采用tcp/ip协议，具有高速、工作方式灵活、高度可扩展、高可用性、调试快速等特点。
(3) 远程io(rio)：远程分站通过rio 网与控制器通讯。rio网是一个高速局域网络，网速达到1.544mb/s，传输介质采用同轴电缆。quantum cpu 可以支持多达31个分站，只要线路上信号衰减小于35db，远可达4572m(15000feet)。系统中每个rio分支模板要求一个分支器，网络末端加终端电阻，便于以后系统扩展。
(4) 并口支持硬件密钥：运行ifix，需要使用硬件密钥来控制和启用安装中可用的软件选项，并启用终端服务器颁发，还可以保护inbbtion以防非法复制ifix软件。现有两种硬件密钥，一种支持并口配置，一种支持usb端口配置，我们采用支持并行口配置的硬件密钥。
2.1 扫描架部分
扫描架选用impact公司的b/m传感器变送器及相应的o形扫描架系统扫描架和定量水分信号通过tcp/ip协议和os站交换数据。impact公司的扫描架系统可以方便的对定量水分控制进行扩充，如检测和控制纸张的厚度、灰分、白度、平滑度、横向分布等。
此控制系统引进传感器型号如下：o型扫描架1880mm(1880mm advantage plus o-frame scanner)；单边扫描架1880mm(1880mm single sided frame)；定量传感器－钷147(basic weight sensor-pm147)；水分传感器-钨136(basic moisture sensor-w136)；轻触式厚度传感器(light touch air-bearing caliper senor)。
2.2 fcs(现场控制站)功能设计
(1) 与变送器、执行器一起构成具有自动调节能力的控制站。
(2) 对现场送来的信号进行处理转换，变成计算机能处理的信号。
(3) 把输出信号转化成现场执行器的控制信号。
(4) 具有相应的扩展输入/输出(i/o)模块，可完成输入/输出处理。
(5) 具有与监控操作站(os/oe)进行数据通讯的接口。
(6) 具备一个主控制板，能执行设定好的控制算法。
(7) 通过profibus-dp现场总线实现与从站和os进行数据通信。
考虑到系统性能和性价比，可编程控制器采用西门子s7-300plc。其特点是：模块化、易于扩展、通信稳定、运行。s7具有开放性的网络结构适应于bbbbbbs nt/2000和bbbbbbs xp标准操作系统支持dde/opc，可通过以太网与企业上位信息管理系统连为一体。
通过profibus-dp现场总线实现i/o与控制器功能处理分散，可进行远程扩展，进一步提高了系统的性和可操作性。可以通过计算机或触摸屏设定各个控制及连锁逻辑控制回路的控制周期及扫描周期。plc与os站的通讯接口模块采用cp340。
2.3 硬件配置
根据控制系统的要求，采用s7-300系列的plc来进行组态。对于控制系统的plc，，由于控制系统的i/o点数(本系统为110个点)不多，程序量不大，通过经验公式计算所需存储器容量(存储器容量(kb)=(1.1～1.25)×(di×10+do×5+ai/a0×100)/1024)，根据存储器容量大小选择主控模块为cpu314即可。
供电模块: 10a的ps307；处理器(cpu): 选用cpu314；模拟信号输入：所有的现场参数，由各自的变送器进行检测，通过相应的变送器转换为4～20ma的标准信号与plc系统的模拟量输入通道连接。选用模块为sm331/ai8(2块)；开关量输入：主要是一些控制按钮、急停按钮、限位开关、行程开关等，选用sm321 di16(2块)；模拟信号输出4～20ma的调节信号通过d/a模块输出，完成各回路中的调节器的控制。阀门采用气动调节阀，通过电气阀门定位器接受4～20ma电流调节信号。选用模块为sm332/ao8(2块)；开关信号输出：包括一些运行状态显示、报警等。选用模块为sm322/do32(1块)；通讯模块：选用r485接口的cp340(1块)。
为了保证控制系统运行稳定，在信号的采集和控制通道中充分采用系统隔离技术。所有现场传感器信号通过隔离器或配电器进入plc的模拟信号采集通道，所有现场的开关信号及阀门的控制信号采用中间继电器隔离。
2.4 系统控制回路
(1) 上浆浓度控制回路 影响定量的只要因素是进入冲浆泵的纸浆浓度和流量，浓度通过浓度的自动控制系统来调节。
(2) 上浆流量控制回路 将流量计和相应的控制阀安装在冲浆泵的入口的管道上，实现对上浆流量的控制。根据一定的定量控制算法，改变流量设计值的大小。定量阀采用btg公司的，流量计采用横河ae215mg-as2-pnj-ain/br/sct。
(3) 蒸汽压力控制回路 本系统为三段供汽方式的8缸纸机，采用分段控制方式。分别对施胶前烘缸组(2缸)和施胶后烘缸组(6缸)压力进行顺序控制和定值控制，实现纸张水分的控制。
(4) 定量水分测控系统 定量和水分仪的探头安装在o型扫描架上，随扫描架的来回移动对纸张连续扫描检测，检测信号通过网络传输给计算机进行处理。并在计算机屏幕上实时显示定量水分横向分布图和和纵向趋势图。与此同时计算机通过检测值和设定值之间的偏差根据一定的控制算法发出控制信号，分别调节定量阀和烘缸蒸汽阀，使定量水分保持相对稳定。
(5) 纸机车速显示和调节 从纸机传动部变频器和增量式编码器组成车速的调节系统，并把车速信号传输给计算机显示，通过检测信号和设定信号之间的偏差发出调节控制信号，保持车速稳定。
2.5 os站(操作员站)的功能设计
(1) 组态设计、调试、监控和控制操作。
(2) 与现场控制站连接通讯，实现系统的分散控制。
(3) 完善的系统应用软件，进行工控软件的二次开发，提供人机监控操作界面。
为保证控制系统运行稳定，在信号的采集和控制通道采用系统隔离技术，传感器信号通过隔离器进入plc的模拟信号采集模块，所有逻辑信号和阀门控制信号采用中间继电器隔离，保证控制系统与现场仪表的隔离。
该控制系统所有的压力、流量、液位、浓度、温度等信号以动态的形式在计算机上显示。系统的各个控制参数、工艺参数及生成的数据库自动的存贮在计算机中，便于实时查询。
3 系统控制策略
纸张生产过程中，定量和灰分的调节是一个大时滞、大惯性、强耦合、非线性的复杂控制过程。传统的pid很难对其进行有效的控制。本系统利用智能控制策略结合pid控制很好的解决了纸张定量和水分的控制。
3.1 系统功能
系统具有定量和水分的测量及控制，横向定量曲线的输出，绝干浆流量控制。plc根据定量水分的设定值和检测值之间的偏差，按一定的控制规律发出控制信号，分别调节定量阀的开度和和烘缸蒸汽压力的大小，保持定量水分的稳定。
(1) 调浆箱上浆浓度的自动检测和控制，克服了中浓浆浓度的变化对纸张定量的影响。
(2) 烘干部烘缸汽压的自动检测和调整，克服了外来汽压的波动对纸张水分的影响。
(3) crt显示纸张定量水分的工况数据历史记录。根据纸张定量水分的设定值和测量值之间的差值，控制浆流阀的大小和及蒸汽压力阀的动作，保正产出高质量的纸张。
(4) 根据工艺，通过电脑键盘设定控制参数和设定值。
(5) 系统操作规范有手动和自动两种方式，可根据需要自动切换。
3.2 控制算法
纸张定量的控制特性表现为滞后时间长、时间常数较短、测量值离散度较大。纸张水分的特性表现为时间常数大、易受干扰。在纸张生产过程中定量水分的控制存在着强耦合特性，因此要想达到理想的控制效果，就对定量水分的控制回路进行解耦，把纸张定量水分的控制回路分离开它们之间的相互影响。控制方案如图2所示。控制软件包括：纵向定量水分控制软件，绝干浆控制软件，烘缸控制软件。
3.3 软件设计
(1) 设计平台：控制系统在bbbbbbs xp环境下运行，编程软件为stpe7 v5.4，组态软件用wincc。为方便操作人员操作，所有微机操作都是用鼠标，画面切换、各参数设定都采用鼠标点击画面上的按钮来实现，所有的操作界面都使用汉语。画面直观、易懂、操作方便。
系统用profibus总线与下位s7-300plc进行数据通讯，下位s7-300通过cp340通讯模块与上位机进行数据交换，使系统的软件和硬件组成一个完整的系统，保证系统稳定运行。
(2) 人机界面：操作站上的人机界面有以下画面组成。
● 各参数(纸张定量、水分、厚度、灰分等)信号横向显示，设5s画面新一次；
● 各参数(定量、水分、厚度、车速、流量、浓度、压力阀门开度等)历史趋势记录，设2秒钟新周期。
● 实时、动态、直观的显示各控制点的工艺流程。
● 报警画面：操作员用鼠标点击报警按钮，就会切换到报警画面，操作员可直观的看到报警信号的工位号、报警类型、注释、报警时间和当前值(实时新)，点击报警项就会切换到报警工号对应的操作界面，操作员可进行相应的修改。所有的报警可通过复位按钮进行复位。
● 历史报告画面：可以查询操作人员的操作记录和操作的详细时间，包括程控系统的启停、各参修改前和修改后的值等控制参数和工况参数设定界面。可存贮1年的历史数据库。
4 结束语
目前国内纸张质量控制系统通过进口国外关键设备结合国内的技术和装置可以达到国外成套设备的控制精度与控制效率。从而开创了一种性能/价格比高的qcs模式。
2.2 小车自动送料系统设计
(1) 沥青入喷射腔，各热骨料仓装料，料粉仓装料；
(2) 热骨料，料粉，沥青入搅拌锅搅料；
(3) 搅拌结束，小车到位，接近开关发信号；
(4) 搅拌锅打开电磁阀放料，同时读取称重传感器的值，当称重传感器的值到达设定值时搅拌锅关闭电磁阀，料运到目的地；
(5) 车卸料同时读取称重传感器的值,当称重传感器的值达到设定值时运料车关门,然后返回搅拌锅下重新装料；
(6) 运行直到运料完停车。
2.3 自动送料运动设计
用电动机拖动小车，电动机正转，小车前进，电动机反转小车后退。选择成品料仓１号或２号。选择好后，小车停在搅拌锅下装料，当称重传感器达到预定值时，电磁阀关闭，停止装料，小车前进，向选好的料仓驶去，抵达后将料卸完(称重传感器达到预定值即小车的净重)小车后退返回到搅拌锅下接着装料，然后继续向料仓运料。如此反复直到将料运完。
(1) 小车向1号成品料仓运料：小车位于搅拌锅下；当运料小车位于搅拌锅下时，压下限位开关sq0，接通x1，其常闭断开，常开闭合，指示灯y0亮。
(2) 小车向1号成品料仓运料：按下起动按钮sb1，接通x0，其常开闭合，运行指示灯y1亮。y1常开触点接通，实现自锁。与此同时，y1常开触点接通移位寄存器的输入端，m0置“1”，其常开触点闭合，常闭触点断开。m0和x2接通t0的线圈。30秒后(此30秒时间内给小车装料)t0常开触点闭合，y4线圈得电，km1得电吸合，电机正传，小车前进，向1号成品料仓运料。
(3) 小车从1号成品料仓返回搅拌锅下：当运料车到达1号成品料仓时，压下限位开关sq1，x2常闭断开，常开闭合。t0线圈失电，其常开断开，km1失电释放，电动机停转，小车停止前进。与此同时m0与x2常开接通移位寄存器输入端cp，将m0中的“1”移位到m1中，m1常闭接点断开，m0补“0”，而m1常开接点闭合，t1线圈通电，延时30秒(在这30秒内小车卸料)后，t1常开触点接通，y5线圈通电，接触器km2接通，电机反转，小车后退，返回搅拌锅下。
(4) 运料车二次向1号成品料仓运料：当运料车返回搅拌锅下时，压下限位开关sq0，x1常闭断开，t1圈失电，t1常开断开，y5失电，km2线圈失电释放，电动机停转，小车停在搅拌锅下。与此同时，m1与x1接通移位寄存器输入端cp，将m1中的“1”移位到m2中，m0的“0”移位到m1中，m0仍补“0”，m2接通t0线圈。30秒(这段时间小车装料)后，t0常开触点闭合，接通y4，km1得电吸合，电动机正转。运料小车向1号成品料仓运料。
(5) 运料小车2次返回搅拌锅下：当运料车到达1号成品料仓时压下sq1，x2常闭断开，常开闭合，t0线圈失电后，t0常开断开，y4线圈失电，km1失电释放，电机停转，运料小车停止前进，这时m2与x2接通移位寄存器的输入端cp，将m2中的“1”移位到m3中，m3常闭触点断开，m2补“0”，m3常开触点闭合，接通t1，延时30秒(此时小车卸料)，t1常开闭合，y5被接通，km2接通，电动机反转，小车后退，返回搅拌锅下。
(6) 运料车停止运料：当小车返回搅拌锅下时x1常开闭合，常闭断开，y5失电，运料车停止运行。此时m3与x1接通移位寄存器输入端，m3移位到m4，m4为“1”，m0～m3位“0”，如果连续运行开关s没有合上，x5仍断开，那么移位寄存器不会复位，m0仍为“0”，则运料车停止运行。
(7) 运料车连续运行或向其它料仓运料：
● 如果需要继续向1号成品料仓运料，只要合上开关s，x5，x1与m4接通复位输入端rst，移位寄存器复位。m0重新置“1”，m0与x2又接通y4，运料小车又开始二周期运行。一直到不需要运料时，按下停止按钮sb4，x8触点断开，y4、y5线圈回路断开，运料车立即停止运行。同样，如果发生意外情况，不论运料车在任何位置，只要按下停车按钮sb4，电动机能够立即停车，系统恢复原来状态。当故障排除时重新启动；
● 运料车向2号成品料仓运料。运料过程的控制与向1号成品料仓运料控制相同，只是移位寄存器的输入从m5～m9。
● 运料车向废料仓运料。控制过程与向1号成品料仓运料控制过程相同，只是移位寄存器的输入从m10～m14。
● 此程序运行时，可以任意先选择其中的一个料仓给其运料。运料过程中如果需要给其它料仓运料只要将运料车停止，再启动其它料仓的启动按钮就行。
2.4 设计中要注意的几个问题
(1) 盛沥青、骨料、料粉的料斗分别装有上限、下限报警器将沥青、骨料和料粉分别用运料车将料放入盛料料斗中，将料斗阀门打开开始放料，它有一个盛料的上限，当料斗内的料过上，报置动作，停止放料。同理，还有一个盛料的下限报置。将沥青、骨料、料粉下放到搅拌锅内，盛料斗内的料下，下限报置响应，开始加料。
(2) 沥青、骨料、料粉入搅拌锅量的控制。成品料是由沥青、骨料、料粉搅拌而成，而各料在成品料中所占比例不同，因此需要控制各个料的量。放料时需按预先设计好的程序控制各料斗下料的量。
(3) 重量控制。将搅拌锅内的料搅拌好后，通过电磁阀给运料车装料。运料车装料的量通过称重传感器来控制。当称重传感器的值达到设定值时，搅拌锅关闭电磁阀，通过传感装置给电动机发出信号，小车将料运走。
(4) 电机过载报置。运料车在过载低速运行过程中，引起电动机发热过烫的现象，会缩短电动机的寿命。在发生这种现象时通过报置及时检修相关装置，排除故障。
(5) 障碍物监测。在运料车工作过程当中，为防止传送带或轨道上有障碍物阻碍运料车而发生事故，如工作人员在不知道的情况下挡在运料车的必经之路时或有其它设备或物体时，自动监测系统能够及时发现发出警告，使运料车暂停，待障碍后再运行。
(6) 运动路线。运料车运料必定有一个运料路线，这个路线是预先设定的，通过给运料小车编制一定的程序实现自动沿路径运行。
2.5 系统程序设计1 引言
象山水电站位于黑龙江省黑河市，电站装机容量为3×6mw，1996年设计时以计算机监控为主，常规控制为辅，主要实现对机组部分的监控，开关站以及公用辅助设备未考虑在内，由于系统的结构和功能不十分完善同时由于设备都已进入老化期，设备陈旧技术落后为电站的管理和维护，以及系统的正常运行都带来隐患。为保证电站的正常运行，提高电站的管理水平和经济效益，因此对电厂现行的监控设备进行的技术改造。
2 概念设计
电站新的计算机监控系统按“无人值班”(少人值守)运行方式设计。采用北京中水科水电科技开发公司的h9000水电站计算机监控系统，整个系统应采用全分布开放式系统结构。电站计算机监控系统由电站控制系统和现地控制单元等组成。系统采用新的计算机硬件、软件及网络技术，全站按全计算机监控进行总体设计和系统配置，达到国内同类型水电站计算机监控系统水平，系统投入运行后，使全站运行管理达到无人值班(少人职守)。系统高度，各项技术性能指标均达到部颁dl/t578-95《水电站计算机监控系统基本技术条件》及dl/t5065-1999《水力发电厂计算机监控系统设计技术规定》的要求，选择较高的mtbf指标，从部件、单机和系统多层次保证高性要求。系统配置和设备选型应符合计算机发展的特点，硬件、软件采用模块化、结构化的设计，以便于硬件设备的扩充，又可适应功能的增加和系统规模的扩展。实时性好，抗干扰能力强，适应电站的现场环境。人机接口功能强，操作控制简洁、方便、灵活。在保证系统的实时性和性等技术指标的同时，系统应具有可维护性好，保证较小的mttr指标。
3 计算机监控系统结构配置
电站以计算机监控系统为基础。电站设备的运行监视和控制在中控室的操作员工作站上进行，同时也可在各lcu上通过触摸屏和开关按钮实现对其所控设备运行的监视和控制。机组单元及开关站/公用单元通过光纤网络与全厂计算机监控系统连接并接受其监控，同时在这些系统的现地控制柜上设有控制开关以及操作按钮，可以实现设备的现地监控。系统包括系统主机兼操作员工作站、办公楼监视终端、通讯服务器、网络设备、gps 时钟、打印机等。
现地控制单元(lcu)包括三套机组lcu(lcu1-lcu3)、一套开关站及公用设备lcu(lcu4)、一套小机lcu (lcu5)。lcu完成对监控对象的数据采集及数据预处理及与其它电站设备的通讯，负责向网络传送数据信息，并自动服从调度层上位机的命令和管理。同时各lcu也具有控制、调节操作和监视功能，配备有本地操作按钮和指示元件，当与上位机系统脱机时，仍具有必要的监视和控制功能。lcu采用plc直接上以太网的方案。现地控制单元包括：可编程序控制器、现地人机接口、同期装置、交流采样设备、转速装置及多功能电度表、嵌入式通信控制器、温度采集设备、电源、机柜、继电器及按钮开关、光字等。
lcu可编程序控制器完成系统的数据采集及设备的调节与控制(包括顺控)。控制器不仅实时性指标高，还应具有性高等特点。lcu采用bitc mx9300系列plc。该系列plc针对水电需求，由bitc与惠朋公司(vipa gmbh)联合设计，在德国加工生产。各lcu 的plc配置的i/o点设计如附表所示。
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