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产品描述
西门子模块6ES7231-7PF22-0XA0技术支持
一 序言
工业生产中，气动系统占工厂总耗电量的10-20%，有的工厂甚达35%。气动系统由于其元器件价格低廉、系统维护容易的特点，从70年代开始在工业自动化领域的应用逐渐扩大，至今已形成年销售110亿美元的市场规模，在汽车生产、半导体制造、橡胶制造等行业发挥着重要作用。而我国在气动系统上每年的耗电量已高达1800亿度，如实施有效的气动系统综合节能改造，可平均节能20%，每年可节约电费252亿元。随着节能改造在我国将不可避免的成为节能讨论的对象，它不但将给中国气动用户节约大量资金，还将产生的社会效益。作为气动系统的部分空压站系统由于设备落后、操作人员意识不到位等，使得我国的空压机的利用率比世界平均水平低13%，大量浪费了能源。在日益高涨、能源问题的今天，气动系统效率偏低、浪费严重的问题引起了人们的普遍关注，因此空压站系统的规范管理和节能技改在我国正成为一个新的重要课题，本文所讲述内容即是利用西门子的S7-300PLC模块控制空压站系统的运行，改变原有的空压站运行和管理方式，以自动控制代替人工操作，使得空压站系统的运行加规范和合理，大大降低了空压站系统的运行成本和管理成本。
二 简介
2.1 当前系统概述
现在，很多企业都意识到了空压站系统浪费严重的问题，并也着手进行了一定的改造，但都停留在加装变频器，改造单台空压机的水平上，控制功能单一，限制了空压机群的节能运行。在我国，企业空压机群不同意、制造年代不同、控制接口、通信协议千差万别的现状也给空压机智能控制的实施带来了大困难。我国空压站系统的能耗一直远远世界平均水。当前的控制方式主要存在的问题是：
1）供气压力不稳定，波动大，给产品质量和设备维护带来了直接负面影响；
2）空压机整体能耗大，空压站系统维护量大，增加了企业的运行成本；
3）操作人员工作量大，且一旦出现问题，会影响正常的生产，没有预防措施。
2.2 新型智能控制
本文所提到的新型智能控制装置以S7-300作为控制主体，根据企业生产现状进行逻辑控制，有效的解决了上述问题，除具备了智能控制空压机运行之外，还对每台压缩机自动设置参数以匹配空压机的运行要求，同时配备下位机功能确保压力，能够预测压力变化趋势，对压缩机提前控制，能够起到节省能源，降低压缩机能耗的功能。利用S7-300z作为母体开发的空压机智能控制系统结构示意图如图1所示。
图1 系统结构原理示意图
2.3 系统功能分析
本智能控制系统在实际运行中能够实现以下功能，简单分析如下：
·系统自检功能
能够检测各台空压机是否联网和通讯正常，对异常空压机能够及时返现和处理。
·参数设置功能
系统初始化参数根据当前生产状况决定，随着生产情况的变化，本系统带有参数设置功能，根据生产需求自由设置供气压力等参数。空压机各个参数使用本控制器进行修改时要由专人进行。
·远程控制功能
通过通讯协议能够远程操作空压机，对起进行加/卸载、起停等控制，达到自动控制的目的。
·实时监控功能
1）根据空压机运行时间，对照用户设定的保养计划，提前10天开始保养提醒，使空压机的维护加及时和有效，增加空压机的使用寿命；
2）当系统中任一空压机出现故障，马上弹出异常运行对话框，提醒操作人员注意当前状态、进而进行报警且自动使故障空压机停机。
·运行显示功能
空压站系统运行中关机的压力、流量数据机各压缩机运行状态在显示器上实时显示，从而使系统参数、各台空压机的运行状况一目了然，方便了操作人员在进行操作时的有效性和及时性。
·报警及数据管理
1）保存系统3年以上的报警、故障及保养提示信息。以利于空压机在使用过程中对运行情况的查询和维护。
2）可按条件查询、打印历史数据库中的系统实时参数信息，查询、打印信息均具有时间标示功能。
2.4 运行情况分析
2.4.1 系统运行画面
系统在运行过程中能够监控空压机运行的参数、空压机状态、流量等重要信息上传至本控制器的上位机显示器上，以便于操作人员的观察和监控空压站运行状态。运行画面如图2所示。
图2 系统运行画面
三 总结
通过使用西门子S7-300PLC模块对空压机进行智能控制和管理之后，不论从运行成本，还是从管理成本都收到了良好效益，主要体现在以下几个方面：
1）在使用本智能控制器前后比较，在满足厂区用气需求的前提下，用新型智能控制器控制空压机群运行之后，每天可节省电力7500度。
2）空压站操作人员也大大减小了工作量，除厂区大规模停产调整之外，操作人员只要在控制室就能够完成空压机群的运行监控和操作就行了。
3）由于本控制器能够自动调节和提前判断压力变化趋势，使得厂区内压缩空气压力加平稳，由原来的0.58MPa-0.67MPa降低到0.55-0.60波动，受到用气车间的。
1、I/O点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据不同牌子PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。
2、存储容量的估算
存储容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。
3、控制功能的选择
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
(一)运算功能
简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他运算功能。随着开放系统的出现，目前在PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。
(二)控制功能
控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。
(三)通信功能
大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。
PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配置，通信总线应符合标准，通信距离应满足装置实际要求。
PLC系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式：1）PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络；2）1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络；3）PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；4）PLC网络（各厂商的PLC通信网络）。
为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。
(四)编程功能
离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。
五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。
(五)诊断功能
PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。
PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。
(六)处理速度
PLC采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。
处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.2～0.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。
4、机型的选择
(一)PLC类型
PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。
整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。
(二)输入输出模块选择
输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。
可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。
考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。
(三)电源选择
PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。
如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二管或熔丝管隔离。
(四)存储器选择
由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量大，档次高的存储器。
(五)冗余功能选择
1．控制单元的冗余
一.重要的过程单元：CPU（包括存储器）及电源均应1B1冗余。
二.在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2重化或3重化冗余容错系统等。
2．I/O接口单元的冗余
一.控制回路的多点I/O卡应冗余配置。
二.重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。3）根据需要对重要的I/O信号，可选用2重化或3重化的I/O接口单元。
(六)经济性的考虑
选择PLC时，应考虑性价比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性等因素，进行比较和兼顾，终选出较满意的产品。
输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。
控制要求-按工艺分为不同模块
模块1：锌浆站灌浆操作控制（PLC 7）
PLC7作为锌浆站的主控PLC包含有以下几个动能模块：
1. 电池空位信号检测：电池体进入锌浆旋转体前，需要提前检测流水线上是否存在空位。如果检测到空位，则对应的灌浆站（Station）不进行灌浆动作。
2. 灌浆时序控制：PLC 7接受E-Cam的7组脉冲输出信号，根据生产工艺流程运算出时序控制信号，并以Profibus通讯方式将控制信号发给PLC5、6以完成具体的灌浆操作。
3. 锌浆站初始化控制：用于上电时初始化锌浆站，包括分步上电、配方管理（一个配方，可改）、通信配置等。
4. 系统报警及错误处理：PLC7将采集从站（PLC 5、6、ET200S）的报警，作出逻辑判断并将报警通过以太网发送给PLC 1。由PLC5、6检测到的单个Station故障只影响该Station的动作，锌浆站其他Station将继续工作。由于故障导致停线时，已经触发的动作将继续执行完成。
5. E-Stop处理：PLC1可向PLC7发送E-Stop信号，PLC7在接收到该信号后将切断锌浆站的电源。伺服放大器上的E-Stop信号将连至外部的急停控制器上，用于急停联动。急停恢复时PLC5、6、7均须做一次初始化操作，以保证。
模块2：锌浆站灌浆工艺过程控制（PLC 5、6）
PLC5、6作为锌浆站的运动控制PLC，配置有*324运动控制模块，其功能包括：
1. Station运动控制：通过运动子程序调用控制伺服放大器和伺服电机完成灌浆动作。从站以ProfiBus通讯方式接受来自主站PLC 7的灌浆控制信号, 分别对站1-12和站13-24进行灌浆工艺过程控制。
2. 系统报警及错误处理：用于捕获系统运行时产生的设备报警，并根据报警进行错误处理，如产生系统报警标志位。伺服部分的报警尽量详细，并能显示在Panel上。
3. 配方管理：PLC5、6将保存后一次正常的配方，在每次上电时自动调用该配方。Quick Panel对配方的修改将保存在PLC5、6中。
模块3：操作面板现场操作
新安装的Quick Panel将通过以太网与PLC5、6、7通信，可完成以下功能：
1. 设备的控制和监视：用户可以通过现场触摸屏监视系统设备的状态点和控制设备的动作；
2. 配方参数设置：用户可以通过现场触摸屏设置相关的配方参数；
3. 报警信息及系统报警复位：现场触摸屏可以显示当前产生的报警描述信息，报警信息为用户提供故障解决的参考。用户解决设备故障之后，可通过触摸屏复位掉之前产生的报警并让系统重新正常运行。
4. 故障信息统计功能：可分类统计每个Station的错误。
5. 报警可考虑形象直观的提醒图标。
原有控制系统功能改造（PLC1、PCM、PLC3）
1. 移除原先PLC 1中Emerson 运动控制系统的控制程序，并将原先PLC 1中锌浆站时序控制程序移植到PLC 7中；
2. PLC1需通过以太网发送Set、Reset信号给PLC7，用于所有的错误。
3. PLC1和PLC7之间需作通信检测。
4. 在原先PLC 1中PCM模块上相关报警信息；
5. 原有空位检测信号由PLC3移至PLC7后，需对PLC3程序进行部分修改。原有的锌浆站出错信号将继续保留。
6. PLC1上原有的锌浆低液位报警信号继续保留。
I/O信号硬件接口
1. E-CAM脉冲输出信号：此次锌浆站该改造使用成熟的E-CAM脉冲信号触发的方式来控制灌浆站的工艺流程，E-CAM脉冲输出通道改成PNP输出类型。该部分时序控制使用以前控制方式,可直接使用现有的配置参数来配置E-CAM。E-CAM信号一共使用了8个输出通道，信号直接接到PAC 3i主站（PLC 7）输入模块。
2. Lift及Pump到位检测信号：该信号已连接到现有的PLC3中，用于检测各个Station的Lift及Pump动作是否到位，如未到位将通过PLC1触发系统停线。
3. 检修门锁闭信号（Output）：该信号由PLC7产生，当生产线运行时，将检修门锁闭；
4. 检修门关闭到位信号（bbbbb）：该信号接入PLC7并通信给PLC1，当锌浆站检修门未关到位时将触发系统停线。
5. Power On/Off 信号：该信号已接入PLC1 Block6，用于软起/停锌浆站。该信号在改造时将接至PLC7，PLC7控制接触器切断锌浆站电源。该开关考虑放置在不易接触到的地方。
6. 电池体空位检测信号：在锌浆站前安装空位接近开关，信号直接接到PLC 7输入模块，用于PLC7判断是否存在空位。
7. E-Stop：该信号以硬线方式接入伺服放大器和PLC1。
8. PLC1上原有的锌浆低液位报警信号继续保留。
9. 现有Panel上的各种开关、按钮、控制面板需作调整，安装新的Quick Panel后需考虑Panel 24VDC的供电。原有接入PLC1 Block 7控制锌浆站的按钮将取消。其他控制按钮，含后来新增的按钮将保留。
PLC间信息交互通讯接口
1. Profibus通讯：系统主站PLC 7和从站PLC5、6以及ET200S之间使用Profibus通讯交互报警数据和控制信号。
2. 以太网通讯：PLC 7需要通过以太网发送报警给PLC 1，同时PLC 7也要接受来至PLC 1的停线或急停信号。现场触摸屏通过以太网和PLC 7进行通讯，采集状态，报警信息以及发送Reset信号。
项目实施效果
项目竣工以来，GE PLC和Fanuc伺服系统凭借其稳定和控制保证了设备24小时/天 无间断定工作，保证工厂日均产量，客户对实施效果深表满意，后续其他改造项目正在进一步洽谈中。
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