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1 引言

隨著工業(yè)自動化水平的提高，要求盡量減少工人在危險環(huán)境的工作時間，降低工人因在惡劣環(huán)境工作對身體的傷害。本文以某化工廠反應(yīng)釜自動投料項目為例，要求采用西門子S7300系列PLC作為數(shù)據(jù)采集和控制單元，上位機用西門子WinCC進行畫面及參數(shù)顯示，從PLC到中控室工控機采用MPI協(xié)議進行通訊，實現(xiàn)反應(yīng)釜的自動化投料遠程控制。

2 工藝原理

該項目利用氣體壓力，將原料從存料倉經(jīng)中間倉、計量倉，最后投入反應(yīng)釜。存料倉主要由人工投入原料，之后的過程由PLC控制輸送管道上相應(yīng)的鼓風(fēng)機、電磁閥門、電動閥門、振動電機等的開啟關(guān)閉，并且采集稱重傳感器的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)原料定量投加的自動完成，同時采集管道內(nèi)壓力傳感器的數(shù)據(jù)，以檢測是否產(chǎn)生輸送管道堵塞問題，并及時給出報警指示。

3 系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

該系統(tǒng)主要由壓力采集單元、重量采集單元、I/O模塊、PLC、上位機人機界面、網(wǎng)絡(luò)通訊等部分組成。

3.1 壓力采集單元及重量采集單元

采用壓力傳感器和稱重傳感器對輸送管道壓力和計量倉原料重量進行采集，并將采集到的模擬量信號送入PLC的模擬量輸入模塊，由PLC模擬量模塊及程序進行AD轉(zhuǎn)換和數(shù)值變換，以達到實際的數(shù)值，再進行判斷處理。

3.2  I/O模塊

系統(tǒng)中需要控制電機的啟停，閥門的啟閉等，故需用到數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊，另外需要檢測計量倉內(nèi)原料的重量以及輸送管道內(nèi)的壓力，故需要模擬量輸入模塊對傳感器的變送信號進行AD轉(zhuǎn)換處理。由于本系統(tǒng)采用西門子S7 300系列PLC，所以也需訂購相應(yīng)的300系列的DI，DO，AI模塊，型號分別有DI模塊SM321（訂貨號為6ES7-321-1BL00-0AA0，DI32ⅹDC24V） ，DO模塊SM322 （訂貨號為6ES7 322-1BL00-0AA0，DO32ⅹDC24V/0.5A） ，AI模塊SM331 （訂貨號為6ES7 331-7KF02-0AB0，AI8ⅹ12Bit） 。對模擬量模塊轉(zhuǎn)化出的數(shù)字量數(shù)據(jù)的讀取可以在STEP7 中調(diào)用FC105功能塊實現(xiàn)。

3.3 PLC 單元與網(wǎng)絡(luò)通訊單元

PLC與現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的誕生，將計算機控制系統(tǒng)的各個控制級和分散在現(xiàn)場的傳感器、執(zhí)行器有機聯(lián)系起來，為實現(xiàn)工程大系統(tǒng)的綜合自動化創(chuàng)造了條件。

利用中小型的西門子S7-300系列PLC即可完成對各稱重模塊、壓力檢測模塊的實時掃描和運算，并顯示到人機界面 （HMI） ，另外結(jié)合操作人員在HMI發(fā)出的控制命令，對輸送管道上的電機、閥門等進行控制。S7-300系列PLC采用模塊化設(shè)計，具有模塊擴展和功能配置簡單等特點，可以根據(jù)不同的需要靈活組合和擴展。由于從現(xiàn)場PLC到中控室工控機需要通過MPI網(wǎng)絡(luò)連接，此處選擇315-2DP型號的CPU，此CPU集成有MPI和DP通信接口，有很強的通訊功能。另外，采用多通道模塊化的分布式I/O——ET200M，可以擴展使用S7-300全系列模塊，最多可擴展8 個模塊，達到大點數(shù)、高性能的應(yīng)用。 ET200M通過PROFIBUS電纜與CPU的DP口，使用PROFIBUS-DP總線協(xié)議進行通訊。它將現(xiàn)場設(shè)備連接到控制裝置，并且能夠保證各個部件之間的高速通信，從分布式I/O傳送信號到PLC的CPU模塊只需要毫秒級的時間，因此完全能夠滿足控制要求。

PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)用以實現(xiàn)自動化系統(tǒng)和分布式I/O站 （SIMATIC ET200M） 之間的數(shù)據(jù)通訊，PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度快，抗干擾度高，有力的保證了現(xiàn)場狀態(tài)信號與控制數(shù)據(jù)的傳輸。

3.4 人機界面（HMI）

人機界面在工控機上采用西門子WinCC組態(tài)軟件，用來顯示整個輸送管道上各個電機、閥門的開關(guān)狀態(tài)，以及計量倉內(nèi)原料的重量，管道內(nèi)的壓力等，必要時操作人員還可以發(fā)出控制各電機、閥門開關(guān)啟閉的命令，讓操作人員可以在中控室直接手動控制現(xiàn)場設(shè)備。在上位機服務(wù)器上，記錄著各種報警信息及故障發(fā)生時的詳細信息和時間等，可按時間進行查詢，并根據(jù)需要進行打印輸出。

WinCC提供在工業(yè)上用于圖形顯示、信息處理、歸檔和報表的基本功能模塊，還提供用戶文檔、過程控制軟件包和開放開發(fā)工具等可選軟件包。其強大的驅(qū)動程序接口、快速圖形更新和安全歸檔功能具有很高的可能性，結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存儲方式保證無論是組態(tài)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)和運行過程的數(shù)據(jù)都可準確無誤的讀取。

4 程序設(shè)計

PLC編程軟件使用西門子專用的編程軟件STEP7，它是基于Windows 2000/XP或者Windows Server 2003的為S7-300/400 PLC配置和編程的標準軟件包。通過Step7用戶可以進行系統(tǒng)配置和程序的編寫、調(diào)試、在線診斷PLC 硬件配置狀態(tài)、控制PLC的運行狀態(tài)和I/O通道的狀態(tài)等。 

PLC對執(zhí)行機構(gòu)的控制分手動和自動控制，在手動控制方式下，操作人員可以在現(xiàn)場通過操作按鈕啟動停止相應(yīng)的閥門、電機等，也可以從中控室直接啟停相應(yīng)裝置，在自動控制方式下，操作人員只需要在上位機界面上，輸入要投加的原料的重量，點擊確定，即可由PLC自動完成原料的投加。

5 結(jié)束語

此原料投加自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計成功，大大減少了工人在危險環(huán)境的工作時間，降低了工人因在惡劣環(huán)境工作對身體的傷害，提高了工廠內(nèi)設(shè)備運行的自動化程度，減少了因人工疲勞、疏忽而產(chǎn)生的投料損失。在調(diào)試的過程中，有很多問題，比如在調(diào)試自動投料過程中，產(chǎn)生了輸送管道堵塞現(xiàn)象。此系統(tǒng)目前的缺點是所有的控制任務(wù)都由PLC完成，沒有單獨的繼電器控制回路，一旦PLC發(fā)生故障，整條生產(chǎn)線將導(dǎo)致停產(chǎn)。建議采用繼電氣控制回路和PLC控制并聯(lián)的機制，這樣即使PLC 發(fā)生故障，可以調(diào)整轉(zhuǎn)換開關(guān)，由人工來控制現(xiàn)場設(shè)備，待PLC故障解決后再重新投入使用。

作者簡介

馬聰孝 （1987-） 男 研究生，就讀于山東大學(xué)控制學(xué)院，研究方向為PLC&DCS應(yīng)用工程。

參考文獻

[1]廖常初.S7-300/400 PLC 應(yīng)用技術(shù)（第二版） [M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2]西門子（中國）A&D 集團.深入淺出西門子 S7-300 PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[3]西門子（中國）A&D 集團.深入淺出西門子 WinCC V6[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

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