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浔之漫智控技术(上海)有限公司
主营：西门子DP电缆代理商
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西门子6ES7322-1BH01-0AA0参数方式
一、加工机械原理与系统功能
在脆性材料（如石材）加工中，异型加工应用日渐 广泛，确定其控制方案时，采用PLC进行设计是一种性价比较高的选择。图1为截面形柱体加工机械的示意图。其工作过程分析如下：
图1 加工机械的示意图
运动过程：矿车带动工料作Z向往返运动（此时固定）;可作X、Y两方向运动：X方向分片进给将工料上部去除（当分片距离足够小时，由于是脆性材料，这些片实际上不存在）;-Y运动为的进量;Y向运动时带动用于形的光电对管运动。
形原理：按所需的形状用硬质材料剪裁制成模板，形状曲线朝上，当随-Y向运动的光电对管往下碰到模板上边缘时发出信号，-Y向往下不再进给，一分片加工结束可进入下一分片的Y向往下进给加工，如此循环，直至X向分片运动结束。由于位置固定时，矿车带动工料作Z向往返运动，故可加工出截面形的柱状体。
针对上述加工要求，PLC控制系统设计如下功能：
（1）设置粗、精加工两道工序，以实现较好的形效果。粗、精加工的转换有手动和自动两种方式。
（2）X向的分片距离可设置和显示。
（3）Y向往下进给量可设定和显示。
（4）整个系统有手动与自动两种操作方式选择，有电机过载和X、Y、Z向限位保护。
（5）旋转速度和Z向矿车速度利用电磁调速。
（6）加工一工料后，系统自动停止;另外设有急停和暂停（即从停止工位可起动继续加工）。
二、PLC的I/O安排
为实现上述控制功能，PLC选用三菱FX2N系列，I/O点数为64点。具体安排如下：
输入点：X0：加工系统起动;X1：手动/自动选择开关;X2：急停;X3：暂停;X4/X5：+/- Z向点动;X6/X7：+/-X向点;X10/X11：+/-Y向点动;X12/X13：+/-Z向到位开关;X14/X15：+/-X向到位开关;X16：+Y到位开关;X17：+/-X、Y、Z六个限位保护开关（由于限位保护时，故障现象直观，为节省输入点数将六个常开并联）;X20：粗/精加工选择;X21：粗、精加工自动连续（即粗工结束后自动进入精加）;X22～X25：X、Y、Z向电机过载保护;（如锯片）旋转电机过载保护;X26：-Y向下降进给量设定确认;X27：X向分片距离设定确认;X30：形用光电开关;X31～X34：进给量和分片距离设定值拨码开关。X35：故障排除或暂停再起动。
输出点：Y0：控制旋转电机对应的接触器;Y1～Y2：矿车Z/-Z向运动;Y3～Y4：X/-X运动;Y5～Y6：Y/-Y向运动;Y7：手动指示;Y10：自动指示;Y11：粗加工指示;Y12：精加工指示;Y13：粗、精自动连续指示;Y14：暂停指示;Y15：系统运行指示;Y16：故障报警;Y17：限位故障指示;Y20：旋转电机过载故障指示;Y21：矿车电机过载指示;Y22：分片电机过载指示;Y23：Y向电机过载指示;Y24～Y27：4位设定值BCD数字选通控制;Y30～Y37：4位数码管显示控制。
三、程序设计
控制程序主要包括点动调整、粗加工、精加工和设定值处理与显示程序，采用步进功能指令设计。在这些程序中也包括停止、保护和故障处理的环节。
加工开始前，应根据工料的自然尺寸确定Y、±X、±Z的到位开关;点动调整和矿车到初始（原
图2 形原理示意图
图3 粗加工程序流程图
位置;根据工料材质设定好-Y下降和X分片进量;选择加工方式即粗加工或粗—精连续加工或精加工方式。
下面分析主要程序的控制原理。
1、粗加工控制程序流程
粗加工原理是将工料形截面的上部分割成一片片，由于工料是脆性材料，当分片距离足够小，已分割完的片实际是不存在的。如图2所示。
粗加工的PLC控制流程如图3所示。
2、精加工程序
精加工程序X分片距离程序设定为粗加工的1/2，加工过程没有-Y下降进给，采用一直下降至光电开动作后，再Y上升至光电开关不动作（这也是补偿控制原理），然后进行Z或-Z运动，流程略。
3、关于再起动问题与初始化
为减少加工过程中出现的可避免废品，除了急停外，对电网停电、故障保护、暂停等引起的加工过程中断，对每一步进状态，将自动控制流程所用的状态器Sn～Sm送入悼电保护的数据寄存器中;此外，对于进量，采用积算原理和减计数的方法设计。这样，用户可在停机处理后按再起动（X35）继续加工。
在初始化程序化程序中，根据不同的开机情况对相关的状态器和数字寄存器赋初值。
四、结语
本文所分析的形加工PLC控制方案，已在石材加工得到较好的应用。在实际系统运行一段时间后发现由于丝杆隙动量的问题，-Y向下降到光电开关处往往会出现过冲现象，因而在精加工程序中加入补偿方法，能较好地解决这一问题。
当然利用计算机集成制造技术或PLC的运动控制中的示教功能也能实现形加工［2］，但对简易形和脆性材料加工，本系统具有较高的性价比，值得推广应用。
德国西门子(SIEMENS)公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子(SIEMENS)公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。
西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能强，性高。S7系列PLC产品可分为微型PLC(如S7-200)，小规模性能要求的PLC(如S7-300)和中、要求的PLC(如S7-400)等。
1.SIMATIC S7-200 PLC
S7-200 PLC是小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。
S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。
2.SIMATIC S7-300 PLC
S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速(0.6~0.1μs)的指令运算速度;用浮点数运算比较有效地实现了为复杂的算术运算;一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值;方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面(HMI)从S7-300中数据，S7-300按用户的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送;CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件(例如：时，模块换，等等);多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改;S7-300 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统;串行通信处理器用来连接点到点的通信系统;多点接口(MPI)集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。
3. SIMATIC S7-400 PLC
S7-400 PLC是用于中、性能范围的可编程序控制器。
S7-400 PLC采用模块化无风扇的设计，，同时可以选用多种级别(功能逐步升级)的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的系统。当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。
4. 工业通讯网络
通讯网络是自动化系统的支柱，西门子的全集成自动化网络平台提供了从控制级一直到现场级的一致性通讯，“SIMATIC NET”是全部网络系列产品的总称，他们能在工厂的不同部门，在不同的自动化站以及通过不同的级交换数据，有标准的接口并且相互之间兼容。
5. 人机界面(HMI)硬件
HMI硬件配合PLC使用，为用户提供数据、图形和事件显示，主要有文本操作面板TD200(可显示中文)，OP3，OP7，OP17等;图形/文本操作面板OP27，OP37等，触摸屏操作面板TP7，TP27/37，TP170A/B等;SIMATIC面板型PC670等。个人计算机(PC)也可以作为HMI硬件使用。HMI硬件需要经过软件(如ProTool)组态才能配合PLC使用。
6. SIMATIC S7工业软件
西门子的工业软件分为三个不同的种类：
(1)编程和工程工具 编程和工程工具包括所有基于PLC或PC用于编程、组态、模拟和维护等控制所需的工具。STEP 7标准软件包SIMATIC S7是用于S7-300/400，C7 PLC和SIMATIC Wi基于制产品的组态编程和维护的项目管理工具，STEP 7-Micro/WIN是在bbbbbbs平台上运行的S7-200系列PLC的编程、在线软件。
(2)基于PC的控制软件 基于PC的控制系统Wi允许使用个人计算机作为可编程序控制器(PLC)运行用户的程序，运行在安装了bbbbbbs NT4.0操作系统的SIMATIC工控机或其它任何商用机。Wi提供两种PLC，一种是软件PLC，在用户计算机上作为视窗任务运行。另一种是插槽PLC(在用户计算机上安装一个PC卡)，它具有硬件PLC的全部功能。Wi与SIMATIC S7系列处理器兼容，其编程采用统一的SIMATIC编程工具(如STEP 7)，编制的程序既可运行在Wi上，也可运行在S7系列处理器上。
(3)人机界面软件 人机界面软件为用户自动化项目提供人机界面(HMI)或SA系统，支持大范围的平台。人机界面软件有两种，一种是应用于机器级的ProTool，另一种是应用于监控级的WinCC。
ProTool适用于大部分HMI硬件的组态，从操作员面板到标准PC都可以用集成在STEP 7中的ProTool有效地完成组态。ProTool/lite用于文本显示的组态，如：OP3，OP7，OP17，TD17等。ProTool/Pro用于组态标准PC和所有西门子HMI产品，ProTool/Pro不只是组态软件，其运行版也用于bbbbbbs平台的监控系统。
WinCC是一个真正开放的，面向监控与数据采集的SA(Supervisory Control and Data Acquisition)软件，可在任何标准PC上运行。WinCC操作简单，系统性高，与STEP 7功能集成，可直接进入PLC的硬件故障系统，节省项目开发时间。它的设计适合于广泛的应用，可以连接到已存在的自动化环境中，有大量的通信接口和的过程信息和数据处理能力，其新的WinCC5.0支持在办公室通过IE浏览器动态监控生产过程。
一、概述
1.1设计目标
基于“集中管理，分散控制”的模式，数字化、信息化工程的思想，着眼于企业“管控一体化”信息系统的建设，建立一个、、、且便于进一步扩充的集过程控制、监视、管理于一体并且具备良好开放性的监控系统，完成对整个工艺过程及全部生产设备的监测与自动控制。
1.2项目概述
本项目是天铁石矿回转窑工程，本工程分二期建设，一期工程建设1座600t/d回转窑（于2006年11月投产），二期再建设1座600t/d回转窑（于2008年5月投产），但相应的辅助设施按2座窑规模一次建成。其工艺是将运来的石灰石原料送入贮仓，贮仓中的石灰石经仓下的振动给料机给出，经带式输送机后送至筛分楼筛分，》18mm的筛上料经带式输送机送入回转窑中煅烧；而《18mm的筛下料进入贮槽暂存后再经汽车运出。
筛上料由带式输送机送入预热器部料仓，然后由溜料管将石灰石（白云石）分布到竖式预热器内预热，经过预热的物料由液压推杆推出，经溜槽进入回转窑中，物料在回转窑内经过焙烧分解，热烟气进入预热器。烟气在预热石灰石后经过带式除尘器除尘后由除尘风机排入大气。焙烧好的石灰石进入竖式冷却器，冷却器的底部送入冷空气冷却，通过振动给料机排出至集料斗。冷空气在冷却器内冷却物料的同时被加热，经窑头罩进入窑内，作为燃料燃烧的二次空气，回转窑采用煤气为燃料。
出窑后的石灰经带式输送机送入成品仓上的振动筛筛分，《3mm的筛下料进入碎石灰料仓装入汽车后外运，而》3mm的筛上料经带式输送机分别送入石灰贮仓。
窑体装置和辅助设备的运行与监视将在控制室中实现自动化控制，通过人机界面实现电气设备的起动和停止、仪表参数监测，被控参数的闭环调节、控制系统报警和生产过程报警以及数据归档等功能，使整个回转窑能够实现生产的自动化和管理的自动化，大大减少工人的劳动强度，提高企业的自动化水平，提高了生产率，并合理的节省了能源。
二。系统组成
2.1 PLC控制系统
为了保证整个系统和生产的连续性，提高自动化水平，适应回转窑工艺要求，并且从该系统I/O测点较多等方面考虑到系统对设备的硬件条件要求较高以及以往的使用情况，我们采用以西门子S7-400 PLC为的集中和分散相结合的计算机控制系统，由控制室、现场PLC控制站、远程I/O站组成。
☆控制室：设监控计算机、打印机等，负责对整个回转窑工艺参数、电气参数和设备运行状态进行监控、管理、历史数据存储以及报表打印；另外还设一台网关服务器，负责工控网络和企业内部管理网络之间的访问控制；
☆现场PLC控制站：由带DP接口CPU模块（CPU414和CPU416）、以太网模块（CP443-1）和I/O模块组成，通过高速、实时的工业以太网与控制室进行通讯；
☆远程I/O站：由DP从站接口模块（IM153-1）、I/O模块、电子皮带秤和变频器组成，通过Profibus-DP现场总线与现场PLC控制站进行数据通讯。
该回转窑控制系统由三套（一期两套、二期一套）西门子PLC的S7-400系统组成。一套S7-414和ET200M远程站用于原料工段、循环水和空压机站的控制，一套S7-416用于1#窑体和成品工段控制，一套S7-414用于2#窑体控制。主站CPU都放置在主场房内，三套PLC系统通过工业以太网与上位监控系统通讯实现集中管理分散控制。
S7-400特点：
功能强大的PLC，适用于中控制领域
n 解决方案满足复杂的任务要求
n 功能分级的CPU以及种类齐全的模板，总能为其自动化任务找到的解决方案
n 实现分布式系统和扩展通讯能力都很简便，组成系统灵活自如
n 用户友好性强，操作简单，免风扇设计
n 随着应用的扩大，系统扩展无任何问题
ET200M站：
接口模块IM153用于与PROFIBUS-DP现场总线的连接而组成分布式I/O系统，各种I/O模块插入有源总线模块内，可在线换模块，实现带电插拔功能。各分站放置在相应的配电室内，便于以后进行扩展，并且大大减少电缆和工程施工量。
PROFIBUS现场总线：
用于现场控制主站与现场远程ET200M分站之间的数据通讯，传输介质为屏蔽双绞线，通讯速率为9.6K -12Mbps。
n 用一根串行的数字总线替代传统的并行24V 信号和 4.。.20 mA 模拟信号；
n 通过一根双芯屏蔽电缆连接控制器和现场设备；
n 对于所有的设备，只需要一个通用的组态和工程工具 ；
n 连接不同厂商的设备 ；
n 开放的、不依赖于厂商的现场总线，并符合IEC 61158标准。
2. 2 上位监控系统
上位机监控系统设一台工程师站和四台操作员站，选用研华工业控制计算机，每台机器上装有网络通讯卡CP1613，它们各通过工业以太网与三套S7-400系统的通讯处理器CP443-1通讯口连接，实现了数据交换。
监控组态软件不仅有监控和数据采集（SA）功能，而且有组态、开发和开放功能，是自动化系统集成中不可缺少的关键组成部分。我们在此监控系统中采用西门子公司的WINCC6.0组态软件，WINCC是bbbbbbs Control Conter（视窗控制）的简称，它运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监控画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。
上位监控计算机提供了友好的人机界面。
三、控制系统功能
3.1 控制方式
整个系统控制方式设计为计算机控制系统远程手动操作（即远程手动）、计算机控制系统全自动控制（即远程自动）两种控制方式。两种方式的级别由高到低依次为远程手动、远程自动。
☆远程手动：通过中控室内监控计算机实现远程手动控制；
☆远程自动：根据工艺要求设定控制程序，实现对工艺过程的自动控制。
3.2 回转窑调节控制
工艺流程是物料经加料机连续向窑尾加料，它随窑体转动而缓慢的向窑头移动，并且从窑尾向窑头移动的过程中，经过预热带预热，然后在900～1100℃的高温带煅烧，煅烧好的物料从窑头下料管落入下部的冷却机内。
☆ 混合煤气和空气调节
混合煤气量和空气量的合理配合是保回转窑煅烧温度的关键调节，使煤气量和空气量能根据产量和热值等参数进行动态调整。
流量限幅报警，越限报警、无拢动切换、非线性PID调节、数据储存。该系统故障率低，运行，可使燃烧趋合理，焙烧温度稳定，并能大幅度降低煤气单耗，改善劳动条件，提高性。
☆窑尾温度和负压自动控制
回转窑在正常的生产中，窑内始终保持负压，窑头的负压要求保持在2mmH2O柱以上。回转窑内负压的大小对窑内温度控制有较大的影响。负压过大，窑内抽力增大，窑内的细粉将被抽光，导致燃烧效率下降;负压过小，会造成回转窑内外压差小，使窑头窑尾冒烟，恶化操作环境，也会使窑内废气流动缓慢，造成窑内混浊不清，窑内温度难以控制。通过调节窑尾的温度，使窑尾温度基本稳定。
☆ 物料给料定量控制
为了保证焙烧质量，要求回转窑的给料量稳定、均匀和连续。只有给料量连续、均匀、稳定，才能保证热工制度稳定，也才能保证焙烧质量稳定。
回转窑属于大惯性负载生产设备，料在窑内移动速度对回转窑的焙烧质量和生产能力都有很大的影响。焙烧物料在窑内移动速度太快，物料在窑内停留时间短，得不到充分加热，焙烧质量差; 若移动速度太慢，将会使焙烧损失增大，降低回转窑的生产能力。物料的移动速度与窑体的倾斜度、窑体内径尺寸、窑体转动速度、窑内料层断面和窑的圆心角等因素有关。
窑内的工艺参数的调节是整个窑生产水平的关键，工艺参数调节包括窑的转速、煤气流量、一二次风流量、引风机液偶开度和掺冷风阀等，所有工艺参数调节的性能指标都能很好的达到要求。
四、 系统特点
本系统以PLC和监控计算机为，以工业以太网作为系统骨干网络，将现场PLC控制站和监控计算机连接起来，构成一个分布式控制系统。
本系统具有如下特点：
☆性
本系统不仅采用了的软、硬件，而且着眼于企业“管控一体化”的需求，贯彻了数字化、信息化的思想，使企业生产数据的进一步智能应用成为现实。该方案使控制系统地成为企业整个IT架构的一部分。
☆高性
控制系统在严格的工业环境下长期、稳定地运行。系统组件的的设计符合真正的工业等级，满足国内、的标准。并且易配置、易接线、易维护、隔离性好，结构坚固，抗腐蚀，适应较宽的温度变化范围。
现场控制站的PLC能够在恶劣的环境中长期运行，平均无故障间隔时间（MTBF）5年。
☆强大的功能
PLC的编程语言符合IEC61131-3标准，易学、易懂、易用。
CPU内置软PID，并提供了丰富的指令集及函数库，用户直接调用。
高速工业以太网作为系统的骨干网络，实现高速、高度数据共享。
组态软件图库丰富，网络功能强大，报警、报表、历史数据以及二次开发功能完善而易用。
☆优良的开放性
n TCP/IP协议是目前开放性的协议，可以轻松进行系统扩展。
n 组态软件支持DDE、OPC、ODBC、SQL，且提供丰富的API编程接口，同时也为世界各大厂商，如Modicon、Siemens、AB、GE、Omron等的设备提供了完善的驱动程序库，从而可以将其它系统轻松接入本系统。
五、 结束语
n 本控制系统自投产以来一直运行稳定，为企业带来了可观的经济效益和良好的社会效益。在该系统中PLC控制充分发挥了其配置灵活、控制、编程方便和功能强大的优点，给整个系统的稳定性带来较大的益处。