西门子6ES7231-7PC22-0XA0货期较快

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水泥生产中的烧成系统由于设备台数多,设备功率较大,设备分散,且电力拖动复杂等,要求有可靠的联锁控制才能保证正常生产。虽然目前水泥烧成过程在很大程度上仍然依赖于操作人员的经验,但可编程序控制器(以下简称PC)在该系统的应用,仍然具有其价值和意义。

1 控制系统的硬件设计

1.1 烧成系统的主要设备及控制要求

本文所介绍的烧成系统主要由Φ3.5m×145m回转窑、2.13m×13.5m篦式冷却机、锤式破碎机及熟料输送系统(皮带输送机)等设备组成。该系统设备的联锁要求如图1所示。该系统在起动或停机时,必须按一定的时间、顺序要求控制,才能正常工作。尤其是当系统中某一台设备由于故障而停机时,相关设备必须及时停机,以免事故扩大。采用制以前,该系统多采用分散或集中手动控制。由于控制线路故障或操作失误等原因,容易造成堵料、烧坏设备等事故。特别是故障停机程序,用继电器线路难以实现。而PC由于可靠性高,可用软件代替硬件实现联锁、时序、顺序等控制,同时易于被广大工程技术人员所掌握而得到广泛的应用。实践证明,在水泥烧成系统采用可编程序控制器进行控制,达到了简化外部控制线路,强化系统控制功能,满足工艺要求之目的。

图1 水泥烧成系统部分设备连锁图

1.2 控制系统元器件选择、控制线路设计

鉴于水泥生产过程的特点,控制系统的设计必须具有较高的可靠性。所以,在设计过程中,除了选用可靠性高、使用寿命长的元器件外,还从系统操作方式的设置、PC与配电设备的接口、抗干扰、系统故障诊断等方面采取措施,保证了该系统一次点火试车成功。

1.2.1 元器件的选择及其特点

本系统选用了日本富士电机公司生产的NB1系列PC作为主控器。其特点是:①可以以一点为单位对输入/输出点进行任意配置;②采用可充电锂电池保存程序,免除了定期更换电池的麻烦;③指令功能丰富,有顺序指令43条,数据指令47条;④数据寄存器、I/O继电器、内部继电器既可以以字节(16位)为单位读写,也可以以位为单位读写,为简化程序编写提供了条件;⑤具备参数设置功能和故障函数继电器,便于通过编程来控制PC本身的运行和实现对外部设备的故障诊断;⑥可以在线编辑程序;⑦较大I/O点数可达334点;⑧可以与上位机联接,易于组成生产线集散控制系统。

为了提高PC输出继电器的使用寿命,在PC输出点增加了密封性好、寿命长,且带有吸合指示灯的HH52P中间继电器。此外,还采用了日本欧姆龙公司生产的AL6-M系列按钮开关及国产AD11节能指示灯,带熔断指示的RT18-32X熔断器等新型元件。

1.2.2 操作方式的设置及系统电源设计

根据用户的要求和操作方便、合理的原则,本系统设置了自动—单机—停机—开车预告—现场五个状态。线路如图2所示。并能实现如下功能:①在中央控制室对设备进行手动单机操作;②按工艺流程对设备进行自动控制;③手动单机、自动、现场三种运行方式互锁且前两种操作方式可以无扰动切换。

图2 控制线路原理图

在水泥正常生产过程中,并不经常使用单机操作来启、停设备。但在试车、设备检修后开车,或单机起动全部设备后无扰动切换到自动以及自动启动过程中故障处理时又需要单机操作这一功能。为此设计了两位8421(BCD)码按码开关和一组起动、停止按钮结合PC的数据操作指令构成的单机启、停控制方案。线路如图3所示。当需要起动(或停止)系统中某一台设备时,只要用按码开关输入该设备代码(数字1～99),再按起动(或停止)按钮即可启动(或停止)该设备。本方案与以往每台设备都设置一组启、停按钮的方法比较,大大减少了占用操作面板的面积。至于系统自动启、停和无扰动切换功能主要是由编程来实现。

图3 单机操作及故障报警原理图

1.2.3 PC与配电设备的接口

在制屏与配电屏的接口设计中考虑了以下几个问题:①用尽可能少的I/O点来解决对信号的检测和对设备的控制问题;②外部线路故障不影响PC本体的正常工作;③线路设计便于调试;④外部线路之间故障不能相互影响。在PC的输入信号中,主要是断路器、接触器等元件的辅助接点及变频器、窑主机控制柜等设备引出的故障信号。系统在启动或运行过程中,PC对这些信号进行检测,并及时准确地作出该设备是否运行正常的判断。在PC的输出信号中,对不同的回路采取不同的线路方案。主要注意以下几点:①集中控制(单机、自动)与现场控制的互锁问题;②集中控制时现场能停机;③对自耦减压启动、Y-△起动、高压电机等控制,在启动过程中时间转换的配合问题。

集中控制与现场控制的互锁主要是操作方式转换开关(SA)与中间继电器(KB)来实现的(见图2)。中间继电器用于控制配电屏的控制电源,防止串电。由于水泥烧成系统设备分散,必须设置现场停机功能。当操作人员在现场发现设备故障时,按下停机按钮,则接触器的辅助接点断开,PC检测到该信号后就自动停止该设备的控制信号并发报警信号。

篦冷机、鼓风机采用自耦减压起动方式,仍利用起动柜上的时间继电器(电流继电器)进行控制,PC只发起动信号和保持信号。通过延时(相当于电机起动时间)使主接触器的触点合上,完成起动过程。采用本线路占用I/O点数少,便于调整起动时间而不必修改程序。

线路设计中配置了必要的熔断器,对功率小且对系统影响小的电机,采用几个回路共一个熔断器的方式。对主要关键设备则一个输出回路配一个熔断器。只要断开这些熔断器,即可方便地在控制屏内进行模拟调试。

1.3 系统故障诊断及其实现

控制系统任何小的故障都要降低运转率。所以,除了设计角度考虑采用可靠性高的元件,对设备进行及时的检修、保养以及备件补充等外,建立系统本身的故障诊断、处理系统,以便及时准确地排除故障是十分必要的。本系统中设计了用四位数码显示器显示故障代码,用电铃进行报警的声光报置。与传统光字牌显示比较,显示的信息量大为增加,运行可靠,节约投资。故障代码各位的定义如下:

将显示器的数字对照故障代码表即可很快知道故障的部位。如显示器显示1012,查表即知是电机12M断路器跳闸。当多次使用后,操作人员不用查表即知故障部位,为故障快速处理提供了有利条件。

本系统在自动工作方式时,能自动实施故障搜寻,进行故障性质判断(致命或非致命),实现故障报警

 1 引 言

随着计算机技术引入工业控制系统，PLC已经成为工业自动化控制系统的重要组成部分。包钢原料场是一个大型综合原料处理系统，整个综合料场占地约6平方公里。要保证一个大型现代化钢铁企业正常运转，首先必须保原料正常、稳定、供应。包钢原料场工艺复杂、设备多、距离长，原料场主要生产设备有：胶带运输机、堆料机、取料机、带斗门机、圆盘给料机、卸车机、移动小车等。由这些设备组成输入、混匀、配料、输出等主要系统。这些运输系统由皮带运输机构成复杂的运输网络，工艺流程复杂。为提高设备效率，稳定地向高炉、烧结供料，必须实现原料处理作业的自动化控制。

2 控制系统的组成及原理

电气控制设备主要由浙江中控技术有限公司的GC控制系统和各种电机和变频器组成。

2.1 网络结构

2.1.1 系统网络拓扑图

由于整个料场设备很多，所以控制系统依据现场电气的分配原则分为11个控制站(电磁站)，分别控制混匀系统、卸料系统、矿石及焦炭筛分系统、原料输入系统、原料输出系统、除尘系统的各个设备。每个控制站均采用冗余的PLC控制系统，通过双层双光纤环网与中心调度室进行通讯，来实现设备的监控。系统整体架构如图1。

图1 系统整体网络结构拓扑图

2.1.2 双层光纤环网

由于系统分站较多，地域广，而且系统要求的可靠性很高，所以在网络结构中采用冗余方式。双层光纤环网由两个平行的单层光纤环网构成，主要网络部件采用MOXA的光纤转RJ45口的光纤环网交换机。它除了具备光纤网络的传输距离远，传输信号不易受到干扰的特点外，还具有环网的优点，处在环网中的任何节点断开或环网中的任一点断开，并不会影响网络的正常运行，只是由原来的环网变为单总线的网络结构，从而提高了网络的可靠性。双层的环网结构本身就具有冗余的功能，使网络更加可靠。

2.1.3 控制站内部网络结构

在各控制站中均配置为冗余的CPU，使各站具有冗余功能，各有两个光纤环网交换机，用于连接两层光纤环网。由于整个综合料场是一个整体，工艺系统结构紧密，设备间连锁信号较多，而我们各个控制站的分站原则是按照电气站进行分离的，主要依据是现场各个设备所在的地理位置，人为将整个系统进行分割，所以在各个控制站的站间数据交换将非常频繁，而且相对比较重要，因此我们将CPU以太网接口直接与光纤交换机相连。

2.2 控制原理

综合料场作业流程控制是一种生产过程控制。原料运输与加工的生产过程，是在统一控制下的一群设备的集约化行动。原料区造后共有作业流程335条，其中允许同时运行的流程32条;运行过程中可切换路线的流程有49组98条;运行过程中可换料种的流程有11条，此外，还有9组流程具有叠加功能。

流程控制要求：

1)拥有相关设备的流程，称为互相“干扰”的流程，通常情况下只允许其中一条运行。考虑到系统能力充裕，输送物料相同，起点不同，终点相同的若干流程可不互相干扰，允许同时交叉运转。另外，还有一些流程可以相互切换。

2)综合料场较多可以有25条无相关设备的互相不干扰的流程，这些流程可以同时运行。

3)不论是原料运输作业还是加工作业，流程的启动、给料、顺停全过程，必须完全符合工艺要求，必须把整个生产线上的余料全部排放干净才能停止。

4)任*程的顺序启动、顺序停止或设备故障，不影响正在运行的其它流程。

5)具有完善的流程状态演变过程的显示和报警功能，可保障运行安全，操作灵活方便。

2.2.1 皮带控制程序

皮带控制包括：普通皮带控制和正反转皮带控制，原理类似，下面以普通皮带控制为例简要说明。

设备自动启动条件具备，自动状态下按下启动按钮(或顺启条件具备)，首先输出电铃信号，发出启动警报，同时开始计时，3秒后发出皮带启动指令输出至现场接触器，使其动作，启动电机，同时返回设备运行信号，会同启动输出指令一起为DO输出做自保持。当按下停止按钮后，自动启动回路断开，DO无输出，接触器断开，设备停止。

设备手动启动条件具备，手动状态下按下手动启动压扣，手动启动回路接通，发出皮带启动输出指令至现场接触器，接触器动作，启动电机，同时返回设备运行信号，会同启动输出指令一起为DO输出做自保持。当按下手动停止按钮后，手动启动回路断开，DO无输出，接触器断开，设备停止。

2.2.2 设备连锁停止

当所选料线设备正常运行，若料线其中一个设备停止(故障或非故障停车)，则所选料线此设备上游设备将联锁停止，下游设备仍保持运行。例如，若所选料线为A1→A2→A3→A4→A5→A6都处于运行装态，当A5出现故障停车时，其上游设备A1→A2→A3→A4都将停止，而下游设备A6则仍处于运行状态。由于料场控制是顺控的过程，这样可以避免因中间设备故障停机而发生堆料情况，有效地减少经济损失。

2.2.3 设备顺起

设备顺起首先要确定所选料线中各设备具备自动启动条件。选择合适料线，按下顺起按钮后，设备将从所选料线从下往上逐个启动。直至所选择的料线全部启动完毕后或顺起指令发出100秒后顺起复位。若顺起失败或其他原因需要停止设备启动，则可按下顺起复位按钮将其手动复位。

2.2.4 倒系统

当所选料线设备正常运行，若需要小范围更改料线而不是整个系统停车，则可执行“倒系统”操作。此时倒系统不会使整个系统停车，但是在倒系统结束后，应及时点击“倒系统”按钮使倒系统操作结束。

2.2.5 系统急停

在现场时常会发生人们难以预料的情况，此时如果每个设备都要现场操作人员手动停止的话，往往可能快速性不够，很难达到一有情况就全线立即停车的目的。在软件中设置“停”，保对现场事故迅速作出反应，较大**达到避免现场操作人员伤亡和减少经济损失的效果。当监控画面按下“急停”按钮时，整个料场系统所有设备都会无条件停车。

3 系统功能

(1)按照生产需要选择上料、堆料、取料、应急取料等不同的流程， 并控制流程上设备的顺序启动、同时启动、顺序停止、同时停止、紧急停止、故障停止等。

(2)可以根据生产需要选择不同的含铁原料， 改变或设定各种含铁原料的配比，通过自动配料控制系统实现所选原料按配比下料。

(3)报表打印功能。可以在每次改变配比后将原配比和新配比打印出来;可以统计各班的配料总量、各种原料的消耗量， 在当班结束时打印出来;统计每月的配料总量、各种原料的月消耗量，每月末以报表的形式打印出来。

(4)报警功能。本控制系统可以在生产过程中实时监控各种关键设备的运行状况，若设备的运行参数**出预先设定的上下限，则在主控室的上位机上发出报警信息，提醒操作人员采取相应的措施。

(5)故障记录功能。本系统可以记录在运行过程中出现故障的设备， 故障时间及有关故障的简单信息， 方便维护人员维护系统设备。

4 结束语

系统自调试、投入运行以来，运行状态良好。实践证明，采用GC控制系统及光纤环网的网络结构，很好的适应了控制设备多、采集分站较多、地域分布较广、实时性要求较高，系统可靠性要求高的场合，解决了综合料场各控制站与中心控制站数据交换的问题，使现场设备在中心调度室进行集中控制节省了大量的操作人员和项目投资。在整个系统中，PLC、变频器和网络的结合使用，减少了现场电缆的敷设，提高了设备的可靠运行和自动化程度，降低了设备维护量，且在生产过程中节省人力、减少中间环节，有效提高了生产效率

FY113回收机是在引进ITM公司DEPLPHI400技术基础上，转化设计的国产化设备，该设备能实现卷包设备产生的不合格烟支或跑条进行回收利用，其加工处理能力为40kg/h。考虑到该设备与上下游机连接与配置较为灵活，与FY113配套的喂料机、压纸机、除尘器、拆包机等可能是第三方提供的设备，这对系统在用户处调试提出了较高的要求。为解决此问题，系统程序设计需在原有系统方案上进行改进，采取模块化、结构化处理方式，以增强设备控制程序功能上的独立性及程序接口的通用性，减少现场代码修改工作量，方便程序调试。

1 回收系统工作原理及工艺流程分析

废烟支中的加工回收按工艺流程可分为5部分：烟支喂料、排序、剖切、开松、分离输送、除尘部分。喂料部分将废品烟支送入喂料机料斗中，通过陡角提升带将废烟支提升落入排序装置，排序装置将输送过来的杂乱无序的烟支进行纵向排列，以确保烟支顺利进入剖切装置。剖切装置上方的旋转切将排序过的烟支纵向打孔剖开。松开装置是将剖切过的烟支进一步疏松，分离输送装置将剖切装置剖开掉落的直接从剖切轮送到分离输送装置的一级分离振筛上，又将经过开松装置处理的混合物由二级分离振筛输送到送丝皮带上。此时烟纸和滤嘴则经过二级分离振筛输送，落到纸收集箱，末及烟灰进入烟末集中箱，则可以通过下游机送丝带进入供丝料仓中完成循环再利用。为减轻设备操作劳动强度，用户可以自行配置专用的物流小车进行烟支的喂料，经回收机处理过的烟纸和滤嘴可以配置压纸机统一回收处理，对包装机引起的废烟也可以配置拆包机进行处理，减少废烟包人工拆散工作量，对回收机除尘部分用户也可以选择集中除尘或独立除尘。

2 西门子STEP7 S7-300/400系统程序组织块特点

西门子STEP7支持及提供的块有OB(组织块)、FC(功能)、FB(功能块)、DB(数据块)、系统功能及功能块(SFC/SFB)等，用户做的主要工作是根据设备工艺特点把系统控制任务合理地划分不同功能和功能块.用户不需要设计操作系统调用程序、系统循环扫描监控出错等额外程序，但这些系统都能提供接口做到对用户透明，尽量减轻用户编程负担这为系统PLC程序的设计实现模块化、结构化处理提供很大的支持及系统优势。

3 收回控制系统任务功能及模块划分

实现以上工艺流程需求，把程序处理任务划分如下：

3.1 系统中起执行作用的控制对象

控制系统中控制对象主要是设备执行元件，通过以析不难发现系统控制对象就是指各个工序电机，而每一道工序都有属于自己动作和当前工况状态，即工序对象的行为和属性。在程序处理上把系统中所有工序电机的语句抽象提取出来，归纳控制属性、工位属性、状态属性、故障显示属性等，列出执行元件属性表，把这些属性封装成通用的功能块FB来满足设备上所有所用工序电机的控制要求。详细分析如下：要做成设备通用的功能模块，首先须提取设备上每一道工序相同的控制对象。在回收系统中根据物料的流动顺序即从一个工序输送到下一个工序，每工序都只有一个控制对象电机。工序电机的控制，是通过程序输出接触器信号来启动电机运转。通常电机较基本控制模式有两种：自动模式和手动模式。在手动调试模式下，工序电机的启动首先必须通过触摸屏进行选取，再由触摸屏上的软件按钮触发，分为手动启动，手动停止、全部停止;而在自动控制模式下，这任务由启动程序来完成。在实际生产现场给出电机状态信号和电机故障信息指示，能较大地减少设备维护的工作量，因此把电机运行状态、电机故障指示也作为建立该功能模块的输出，包括模式选择、模式工位指示、对象功能测试按钮、电机故障显示、电机状态显示。形成输出执行元件属性表。再针对具体每个工序电机，分配相应的背景数据DB，记录当前特定控制工序电机的相应特征属性，以实现相应功能在STEP7程序中的调用。

3.2 系统中起工艺工序流程传递的功能划分与组织

3.2.1 启停控制程序

该设备启动时应按序依次启动，先启动除尘电机→输送带电机→开松装置电机→分离振筛电机→切电机→剖切轮电机→排序振筛电机→最后启动喂料部分供料电机;停车时应该先停止喂料部分，最后才能停止分离振筛。程序上这样设计是为了尽量减少对来料的浪费。同样原因，除开有立即停机外，停机程序延时也按工艺固有顺序将废烟支按一定的次序撤出，尽量将分离的输送出来，工序之间的投入通过程序延时进行传递。

3.2.2 堵塞保护处理程序

对回收机切装置、开松装置高速旋动部件进行保护，利用运动部件产生的高频信号进行计数，低于程序设定值来判定该装置是否堵塞，防止损坏高速旋转的运动部件。

3.2.3 工艺配方处理程序

对FY113喂料部分、切装置、开松装置工艺配方的管理，程序上采取牌号处理方式。在HMI触摸屏上建立20个牌号管理空间，支持牌号编辑、牌号选择、当前牌号读写等功能。根据模块化编程的特点，同样是采取功能块编程方式来处理，首先程序上开辟20个牌号的数据管理区DB(1～20)，定义功能块相关输入参数：牌号读数据区编号、牌号写数据区编号、数据区长度、牌号源信息、牌号目标信息。采取地址指针方式读写所要管理的牌号，这样大大简化程序繁杂度，提高程序的可读性。

3.2.4 设备操作管理权限处理程序

对设备供应商、设备管理员、设备操作员分别分配不同操作使用权限，主要对特殊工艺配方进行管理及系统异常情况下系统参数的保护与恢复。