基于S7-300 PLC的加气块生产线监控系统的设计与应用.pdf

2 0 1 1年第 3 期 工业仪表与 自动化装置 5 7 基 于 S 73 0 0 P LC 的 加 气块 生产 线监控 系统 的设 计 与应 用 吴明永 ， 王国伟 兰州城 市学院 培黎石油工程学院， 兰州 7 3 0 0 7 0 摘要 根据加气块生产工艺设计要求 ， 系统采用典型的两级监控方式。上位机 以工控机作为人 机界面 HMI ， 为生产管理级 ， 完成对下位机的监控、 生产操作 管理等 ， 主要 面向操作员； 下位机 由 P L C构成 ， 为测控级 ， 完成生产现场的数据采集及过程控制等， 面向生产过程。实践证明， 该 系统操 作简单、 运行安全可靠 ， 可实现优质、 高产、 低 消耗和提 高劳动生产率的 目的。 关键 词 加 气块 ； 可编程控 制 器 ； 监 控 系统 ； 现 场 总线 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 1 0 3 0 0 5 7 0 4 De s i g n a nd a pp l i c a t i o n o f a e r a t e d bl o c k pr o d uc t i o n l i ne mo ni t o r i ng s y s t e m ba s e d o n S 7． ． 3 0 0 PLC W U Mi n g y o n g， WANG Gu o we i P e i l i C o l le g e o f P e t r o le u m E n g i n e e r i n g， L a n z h o u U n i v e r s i t y o f C i t y ，L a n z h o u 7 3 0 0 7 0， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e a e r a t e d bl o c k p r o d uc t i o n p r o c e s s d e s i g n r e q ui r e me n t s，t he s y s t e m a d o p t s t h e t y pi c a l t wo l e v e l mo n i t o r i n g mo d e ． up p e r l e v e l c o mpu t e r t a k e I PC a s ma n ma c h i n e i n t e r f a c e HMI ， f o r p r o d u c t i o n m a n a g e m e n t l e v e l a n d t h e c o m p l e t e t o l o w e r l e v e l c o m p u t e r m o n i t o r i n g ， p r o d u c t i o n o pe r a t i n g ma n a g e me n t ，ma i n l y f a c i n g o p e r a t o r ． L o we r l e v e l c o mp u t e r f o r m b y PLC f o r me a s u r e me n t a n d c o n t r o l l e v e l ，c o mp l e t e p r o d u c t i o n fie l d d a t a c o l l e c t i o n a n d p r o c e s s c o n t r o l ，e t c，f a c i n g t h e p r o d uc t i o n p r o c e s s ．Th e p r a c t i c e i n d i c a t e s t h a t t h e s y s t e m o p e r a t i o n i s s i mp l e，s a f e a n d r e l i a b l e o pe r a t i o n，h i g h q u a l i t y，h i g h y i e l d，l o w c o n s ump t i o n a n d i mp r o v e l a b o r pr o d u c t i v i t y pu r p o s e ． K e y wo r ds a e r a t e d b l o c k；PL C；mo ni t o r i n g s y s t e m ；p r o f i b us 0 引言 目前 ， 我国加气块生产有两种模式 。一种是传 统的生产模式 ， 由人工进行单机操作 ， 各个工序难以 稳定 ， 产品质量波动很大 ， 合格率低 ； 另一种是 全套 引进 国外技术 ， 采用 自动化 生产模式 ， 产品质量稳 定 ， 合格率高 ， 但投资太大 ， 一般厂家难 以承受。鉴 于以上原 因， 提出了加气块生产线集散控制 D C S 的监控系统 ， 该系统具有 自动化程度高、 操作简单方 便、 造价低廉等特点 ， 以适应现有加气块生产线 自动 化监控的需求 。 1 加气块生产线工艺流程介绍 加气块是一种轻质多孔、 保温隔热、 防火性能 良 收稿 日期 2 0 1 01 22 7 基金项 目 甘肃省高等学校研究生导师基金资助项 目 0 9 1 1 0 2 作者简介 吴 明永 1 9 7 2 ， 男 ， 甘肃 白银人 ， 讲 师 ， 硕士 ， 主要从 事人工智能、 计算机和复杂工艺过程控制等方向的研究。 好 、 可钉 、 可锯、 可刨且具有一定抗震能力的新 型建 筑材料 。加气块的原材料主要为水泥 、 石灰砂、 粉煤 灰等 ， 是水泥混凝土制品 ， 经蒸汽养护而生成的硅酸 钙水化物胶体 。其工艺流程如图 1 所示。 2 系统 的整体方案设计 2 ． 1 控制系统目标 通过运用更加成熟 、 稳定可靠的控制系统产品 ， 提高生产效率 ， 增强生产控制 的自动化程度 ， 减少控 制设备 的故障率 ， 降低维护成本 ， 相对增加企业 的利 润收益 。 2 ． 2系统的构成 该生产线主要由破碎系统、 粉磨系统、 制浆系 统、 输浆系统、 浇注系统、 配料系统及蒸养系统构成。 控制系统需要对其中的破碎、 粉磨、 制浆、 输浆、 浇 注、 蒸养过程进行监测与控制。根据加气块生产工 艺设计需求 ， D C S监控 系统采用典型的两级监控方 式 。上位机 以标准的工控计算机作为主要的人机界 5 8 工业仪表与自动化装置 2 0 1 1 年第3期 面 H MI ， 为生产管理级 ， 完成对下位机 的监控 、 生 产操作管理等 ， 主要面 向操作人员 ； 下位机 由 s 7 3 0 0 P L C构成 ， 为基础测控级 ， 完成生产现场的数据 采集及过程控制等 ， 面向生产过程⋯ 。 l 煤粉储仓 l I 2 煤粉储仓 I I 灰渣储仓 I I 自 来水I I 石灰石 1 煤粉计量 2 煤粉计量 l l 灰渣计量 I I 水计量 I I 螺旋给料机 水 煤混 合 物搅拌罐 2 水煤混合物储存罐 泥浆泵 水煤混合物储罐 铝粉 I I 石膏粉 水煤混合物计量 【I 铝粉计量 f f 石膏粉计量 2 ． 3 控制系统网络结构 系统的结构如图 2所示。 鄂式破碎机 斗式提升机 茹司 球 磨 机 l I 水 泥 仓 斗式提升机I I 气泵给料机 细料计量仓f f 水泥计量仓 气动阀给料机I I 气动阀给料机 浇注搅拌车 模具浇注 胚体静停硬化 切 割成 型 编组蒸压 蒸养 喃 压 力 检 测 f 卜 1 墨 堡 兰f 1堡 垒 成品出釜 成品货场 图 1 系统工艺 流程 配料生产线 蒸压釜 磨粉系统 图2 系统结构图 系统总体思路 利用工业控制计算机实 现整个 系统的协调和管理 ， 应用 可编程控制器完成现场控 制层的直接控 制任务 ， 通过 与现场总线 P r o fi b u s D P进行信息集成 ， 从而达到集散监控的 目的 。 3 控制 系统硬件设计 为了满足加气块 生产 自控系统 的设计要求 ， 选 用西门子公司 S I MA T I C s 7 3 0 0 P L C和高性能研华 工控机构成 自控系统 ， 再配以先进的 Wi n C C监控软 件 ， 来实现整个 自控系统的各项功能。 系统所选用的主要硬件产品如下 1 工控机 I P C 研华工控机 双核 2 ． 1 6 G； 内存 1 G； 硬盘 1 2 0 G； 液晶显示器 2 2时。 2 中央处理单元 C P U CPU31 3C 一2DP 3 信号模块 S M S M3 2 1 ， 数字量输入模块 3块 ； 2 0 1 1 年第 3期 工业仪表与自动化装置 5 9 S M3 2 2 ， 数字量输出模块 2块 ； S M3 3 1 ， 模拟量输人模块 2块 ； S M3 3 2 ， 模拟量输出模块 1块。 4 通讯处理卡 c p C P 5 6 1 1 ， 通讯卡 1块。 5 负载电源模块 P S P S 3 0 7 5 A， 电源模块 1 块 。 4 控制 系统软件设计 4 ． 1控制 方式 根据生产设备 的情况， 分为就地控制操作和集 中控制操作 。可以通过现场的操作箱操作控制单台 设备的启动与停止 ； 同时也可以通过上位工控机组 态画面来进行系统的手动／自动控制 。 4 ． 1 ． 1 手动控制 在上位监控主控制 画面上 ， 用 鼠标左键单击设 备 ， 可弹出手动／ 自动 、 启动 、 停止等按钮的设备操作 菜单。通过单击按 钮 ， 可进行设备 的相关 操作 ， 如 “ 手动／自动” ， “ 启动或停止” 等。 各设备可 独立进行手动／自动功 能切换 这里 指的是在现场设备处于远控状态下 ， 上位机 的手／自 动切换 。当现场设 备处于就地状态时 ， 在该 设备 附近将 出现“ 就地” 字样 ， 此时该设备在上位机是无 法操作 的 。各设备可通过控制柜面板上 的启停按 钮就地操作设备 的启停运行。 在“ 手动” 状态下对设备进行 启、 停控制之前 ， 应该先判断该设备是否允许进行启动。按控制系统 说明要求 ， 在上位机上进行的手动启动或停止是无 连锁条件 的， 即如果要进行手动启动或停止一台电 动机或电气设备 ， 那么该设备可能不允许的条件 均 被忽略。因此 ， 在允许该设备手动启动、 停止之前 ， 应该先判断一 台设备是否可以进行启动。 4 ． 1 ． 2 自动控制 在将设备投人 自控状态之前 ， 应仔细检查 ， 确认 该部分设备无异常的情况下 ， 才能进行手动／自动 的 切换 ， 使设备进入 自动控制的状态。但操作人员在 某一环节切人 自动后 ， P L C就得到相应 的自控条件 ， 此时 P L C将 自动判断控制条件 ， 并发 出相应 的控制 信号。在 P L C执行过程中， 当出现某个设备 的启动 条件不满足时， 则相关设备将 自动停止。 在 自动控制中， 允许操作员根据现场情况 ， 随时 可以将 自动状态转化为手动状态 ， 此时系统 的设备 将保持转化之前 的工作状态 。在转化成手 动状态 后 ， 操作员可以继续进行手动控制。 4 ． 2 配料控制系统 配料 系统控制主要是 3种物料 的比值调节 、 配 料参数设定。配料控制系统是一个典型的闭环控制 系统 ， 该系统以石灰石流量作 为主流量 ， 水 、 粉煤灰 流量作为副流量所构成的闭环 P I D调节系统。主流 量控制回路保证主流量 以设定值为 目标平稳变化 ， 副流量控制回路保证副流量以某一设定 比值跟踪主 流量的变化。由于生产 中材料成分 的多变 ， 配 比也 相应变化 ， 故要求配 比可任意设定。另外 ， 因工艺流 程 中各环节之间物料传输存在延时 ， 为确保控制质 量 ， 主副控制器均选用闭环 P I D控制。 4 ． 3 蒸压釜气压控制系统 为 了节省蒸汽量和保证产品的合格率 ， 系统根 据蒸压釜压力情况 ， 通过 P L C来控制电磁 阀启闭来 保证工作压力 ， 同时可以调节蒸压时间和生产时间 ， 避免人为因素造成 的产 品质量不稳定。 4 ． 4 石灰石制粉系统 4 ． 4 ． 1 制粉系统工艺流程 石灰石制粉系统是 由卧式球磨机 、 振动给料机 、 破碎机 、 提升机和皮带输送机等设备组成 的输送系 统 _ 4 J 。破碎机将石灰石粉经皮 带输送机送入斗 式 提升机入 口， 经斗式提升机送至石灰石储存仓 。石 灰石粗粉再经球磨机研 磨 ， 将研磨好 的石灰石细粉 经振动给料机送人斗式 提升机入 口， 再经斗式提 升 机送至石灰石粉料仓。成品粉经仓底气动阀排 出， 最终送至浇注搅拌车。其工艺流程如 图3所示。 图3 制粉系统工艺流程 4 ． 4 ． 2 制粉系统控制流程 根据制粉 系统流水 生产 的工艺 ， 设 备应 “ 逆启 顺停” ， 即设备启动时 ， 从生产流水 的最后一个设备 开始延时、 间歇性启动； 当生产结束时， 从生产流水 的第一个设备开始延时、 间歇性停止。启停流程如 图 4所示 6 0 工业仪表与自动化装置 2 0 1 1 年第 3期 按制粉系统 i 动按钮 选择 自动／ 手动转换至 自动位置 延 时 延 时 图 4制粉系统控制流程 4 ． 5浇 注控 制 系统 浇注控制系统包括 料浆的 自动计量 、 延时 自动 加入、 自动加温 ； 水泥的 自动计量 ； 混合料 的 自动计 量 ； 胶结料和铝粉 的定 时、 定温 自动加入 ； 自动定 时 搅拌和 自动浇注； 固定断点设定等 ， 这些动作都在计 算机 中配方系统进 行数据 给定 ， P L C完成相应 的控 制 ， 做到精确且记 录可查 。 4 ． 6吹堵控制系统 由于原料湿度 、 粒度等因素的影响， 料仓 出口往 往容易堵塞， 而吹堵 系统正是为 了解决这一问题而 设计的。根据工艺要求 ， 系统所设计的控制原理是 每个料仓出 口处的高压气阀， 每隔一段时间打开 ， 利 用高压气体吹数秒后关闭。为了避免各阀门同时打 开影响气压 ， 在设计 时采用 了各 阀门循环顺 序开启 的控制方案。 4 ． 7 连锁及报警控制 每个设备还要使后一设备的启动必须以前一设 备的启动成功为必要条件。停止则反序进行。在系 统运行过程当中， 如果某一设备 由于过载 、 故 障 例 如球磨机发生变频器故 障或球磨 机轴承温度 过高 等 及粉料仓 的物料 开关 达到上 限时而停止运行 ， 则该设备之前 按启动顺序 的设备必须 按启动的 相反顺序停止。对于软手动启停控制 指上位监控 界面进行控制 ， 各 自动控制 系统处 于手动操作状 态时 ， 点击设备状态显示按钮 ， 弹出控制面板 ， 实现 单个设备的启动与停止。 当有报警发生时 ， P L C控制柜上 的报警蜂鸣器 会发出声 报警 提示 ， 这 时可在 上位 机 画面上操 作 “ 确认” 按钮来消除铃声 ， 也可以通过 P , L C控制柜上 按“ 确认” 按钮来 消除铃声。在上位机画面上操作 “ 复位 ” 按钮或通过 P L C控制柜上 的“ 复位” 按钮来 复位报警 。 5 上位机监控软件设计 上位机用 Wi n C C组态软件设计 了标准 的人机 界面， 主要实现以下几个方面的监控任务 。 1 监控现场设备 在画面中通过编程 ， 模拟显示整个加气块 自动 控制系统生产现场的全过程 ， 并且在设备本体上实 时显示相关状态或参数 ， 以便 于操作者能及 时准确 地掌握设备的运行情况 ， 能够对现场设备的故障进 行实时诊断。所设计的部分监控界面如图 5所示。 图 5 上位监控界面 下转第6 3页 一 一 一 一 一 一 一 一 耻 一 一 一 一 一 一 一 札 一 一 ～ 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 2 0 1 1年第 3期 工业仪表与 自动化装置 6 3 合采集模块； 三表法准确测量三相三线制或三相四 线制交流电路 中的三相 电流、 三相 电压 有效值 、 有功功率、 无功功率 、 功率 因数 、 频率、 正反向有功 电 度 、 正反 向无功电度等 电参数。其输人为三相 电压 、 三相 电流 ； 输出为 R S一 4 8 5接 口的数字信号。 上位部分 采用组态 王 K i n g V i e w 6 ． 5 3编制实 现 ， 主要编制了各个泵房的工况 、 历史 曲线 、 数据报 表、 历史数据查询、 故障报警以及水厂泵群工况等画 面， 实现控制室 内完全监控各泵房 的基本功能 ， 界面 友好 ， 切换容易 ， 操作简单。 3 系统功能 完成改造后 ， 配合新设计的上位组 态软件监控 程序 ， 可以实现如下一些功能 1 能够远程控制水源井泵 的启停 ， 监测机泵 的 运行状态 ， 定时采集存储及时刷新显示水位 、 压力 、 电机 电流、 电压等数据 。在发生故障时 ， 发 出故障报 警信号并 自动记录， 并具备停机保护功能。当仪表 出故障未修复更换前 ， 保证设备安全运行的前 提下 可在组态界面使其脱离在线错误发信状态， 以维持 正常控泵操作 ， 操作图形 界面显示 出相应仪表脱离 运行状态。P L C系统中可以利用水位或压力设定参 数 自动控制开／ 停泵 ， 能根据预定顺序开停泵 ， 允许 人工设置预定参数 ； 2 ． 为保证 系统运行安全 ， 按 工程师级 、 操作员 级密码设定用户登录操作修改权限； 3 图形界面清 晰美观 ， 显示单泵 运行状态 图、 井群运行状态图、 现时及历史运行趋势比较图、 数据 汇总表等 ， 用动态色彩转换 画面显示各工艺生产流 程及变化 ， 操作界面简单明确 ， 并设置必要的确认步 骤以防止误操作 ； 4 根据用户实际需要建立数据库 ， 定 时长年 的 存储重要运行数据 ， 便于随时查询和进行统计分析 ； 5 根据今后扩展 、 变化及方便组态 ， 对图形 、 仪 表设备参数 、 报表格式等进行修改 ； 6 各种 日、 月 、 年报表 、 趋势 图等， 可根据需要 随时进行打印日报表 自动打印 。 4结语 工程 自开始调试 、 运行至今近 1 年时间， 企业反 映系统提供了友好 的工作界面 ， 丰富的人机联 系以 及较强的 自动功能 ， 有效 地提高 了系统的运行效率 和管理水平 ， 大大减轻 了运行人员 的工作量。实践 表明， 该系统配置合理 ， 运行可靠 。 参考文献 [ 1 ] 黄新飞， 李华．P L C在 自来水管网监控系统中的应用 [ J ] ． 电气传动自动化， 2 0 0 4 ， 2 6 5 3 4 3 6 ． [ 2 ] 徐建俊， 周杏鹏 ， 张辑． 基于以太网的自来水厂监控系 统 [ J ] ． 电工技术 ， 2 0 0 6 9 5 1 5 2 ． 上接 第6 O页 2 集中管理 上位机可实现对相关参数及设备运行状态的实 时显示 、 报警和记录历史 数据并形成报表。特别是 对各班次的生产配料情况进行记录、 统计 ， 为相关生 产管理部门提供可靠的生产分析与决策依据。 3 摄像监控 通过摄像监控系统的视频窗 口实时监控生产现 场设备运行状况 ， 可及时发现设备及管路的异常现 象 ， 最终实现设备无人值守 、 控制室集 中管理的 目标 与要求 ， 为生产考核和降低成本提供可靠的数据。 6 结束语 基于s 7 3 0 0 P L C的加气块生产监控系统的设 计 ， 充分发挥了该系列 P L C配置灵活 、 控制可靠、 编 程方便及可现场调试的优点， 使整个 系统 的稳定性 有 了可靠保障。上位机监控系统利用当前比较流行 的监控组态软件 Wi n C C进行设计 ， 节省 了系统的开 发时间 ， 提高了系统的可靠性 、 通用性及可扩充性 。 实践证 明， 系统实现了设备状态检测及控制 ， 过程参 数检测及控制 ， 设备运行 状态及运行参 数显示 、 报 表 ， 制备参数设置， 零点及 系数 自动标定 ， 全线 自动 控制 、 报警 、 开机预告 ， 现场控制柜状态显示等功能 。 参考文献 [ 1 ] 孟凡强． 石膏粉生产线集散控制系统[ J ] ． 济南大学学 报 自然科学版 ， 2 0 0 5 ， 1 9 1 6 4 6 7 ． [ 2 ] 崔坚． 西门子工业网络通信指南 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 5 1 0 1 1 0 5 ． [ 3 ] 孙承志． 西门子 S一 2 0 0 ／ 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C基础与应用技术 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 9 2 0 3 2 0 7 ． [ 4 ] 吴明亮， 隋晶晶， 赵学， 等． P L C在石灰石制粉控制系统中 的应用[ J ] ． 工业仪表与自动化装置， 2 0 1 1 1 4 6 4 8 ． [ 5 ] 袁铸钢， 孟庆金． 加气砼生产浇注过程自动控制系统[ J ] ． 济南大学学报 自然科学版， 2 0 0 1 ， 1 5 3 2 6 7 269 ． [ 6 ] 苏昆哲． 深入浅出西门子 Wi n C C V 6 [ M] ． 北京 北京 航空航天大学出版社 ， 2 0 0 4 1 5 71 6 4 ．