西门子6ES7253-1AA22-0XA0规格说明
随着工业自动化控制的发展, PLC在工业设备控制中开始得到推广应用. 现以玻璃瓶消毒生产线为例, 介绍系统配置及应用.
1. 工艺流程及要求
玻璃瓶消毒生产线设备示意图如图1所示, 玻璃瓶从入口处进入, 碰到传感器1, 启动走带机走带, 带动瓶从入口走向出口, 途经预热区、消毒区、冷却区, 只有进口风机、热风机、出口风机、排风机运转, 才能走带. 如入口处进瓶过快, 挤压传感器2, 则发出信号去停止前方设备停止进瓶, 如出口不畅, 传感器3发出信号, 停止走带机工作. 五个风机中只要有一个停机, 就停止加热器运行, 并报警显示. 检测风机不运行有传感开关装在风机的出口处, 风机变频器的故障输出点进入PLC, 走带机及各电机的空气开关跳闸接点也都进入PLC, 加热器装在炉子的中央顶部, 由热风机向下均匀扩散加温. 要求对不同型号大小的玻瓶进行不同温度的设置, 能显示各区的温度值, 并有反应温度的走势曲线图, 对于进风机、热风机、出口风机要有能检测其风压的数值显示, 以确定是否过滤网堵塞.
图1 生产线设备示意图
在正常工作时, 工作下班后, 当温度下降到100℃以下, 设备能自动关机, 如炉内还有瓶未处理完, 则启动夜间工作, 这样在100℃以下停机后, 还有进口风机, 出口风机工作, 以保证外部的灰尘不能进入炉内. 对于消毒时间, 由PLC采集出口处传感器的数据, 通过速度转化为时间, 来显示玻璃瓶在消毒区的消毒时间, 以确保消毒的可靠性. 设备在保障下, 要求能准确显示故障发生点及解决问题对策画面, 并有动画反映生产现场工作情况.
1. 系统配置
对于以上要求,选用德维森科技（深圳）有限公司的人机界面、PLC组成一个控制系统, 具体如下:
(1)人机界面: 真彩色10.4寸屏, 采用232口进行下载和编程, 采用RS422口和PLC通讯, 选用真彩能更好地反映现场景色, 动画逼真、美观.
(2)PLC选用ATCS PPC31系列, 该机具有256点输入, 输出功能, 1个RS232通信口和1个RS232/485通讯口, 是一种模块化机型, 可灵活配置功能模块及输入、输出点.
(3)输入选配IDD40十六点DC输入模块2块, 输出配1个ODA40十六点继电器输出模块.
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(4)仿真输入单元采用IAD30八路输入模块, 输入三个风压模拟量值(4mA~ 20 mA).
(5)温度输入单元采用THM10五路带PID调节PWM输出温控模块1块, 采进三路:加热区、消毒区、冷却区的温度.
其系统构成如图2 所示.
图 2 系统配置图
1. 调试运行情况
该系统重要的是对消毒区温度精度控制的调试, 消毒区的加热系统采用五组电热丝单元加热, 其中一组为基本加热单元, 其它四组为PID温度调节加热单元. 以前该生产线采用OMRON PLC.当时的情况是：生产线试运行时, 出现温度曲线波动幅度过大(±8℃), 超过厂家要求的消毒温度波动指针(±2℃), 实际调试时采取了两个措施对温度波动幅度进行控制. 措施一: 采用双位PID温度控制系统堵住温度下降趋势, 当铂热电阻检测到消毒区温度低于设定温度1℃时, 通过双位PID温度控制系统使PLC将七组加热单元全部投入运行30秒, 然后通过铂热电阻检测消毒区温度, 由温控单元PID控制, 直到温度达到设定值为止. 措施二: 温度过调量的控制, 首先对消毒区温度进行检测, 如果温度大于设定值, PLC将七组加热单元全部强行切除, 并不断检测消毒区温度, 根据实际情况作出实时控制. 在现场通过对控制程序的某些参数作一定的修改, 并经过反复调试, 后温度控制精度完全符合厂家要求. 在对系统的调试中发现, 该控制系统完全可以通过对程序作进一步的修改、调试, 达到更高的温度控制精度.
在采用PPC31后，由于我们的THM10可以单独设定P,I,D值，因此很方便的就把温度稳定在正负1度内。超过了工艺要求。
该系统经调试后, 运行正常. 各方面性能指针均达到厂家要求.
该系统应用于玻瓶消毒生产线设备上, 对消毒度控制良好, 能对各区温度进行显示, 并对不同玻瓶的消毒温度进行设置. 现场故障一经发生能马上弹出一详细故障对策画面, 经现场工作情况看, 满足设计要求. 这个系统是一种智能化的专家对策系统, 增强了人机交互性, tigao设备的控制性能, 简化了操作柜设计, tigao了设备科技含量, 在市场上很有竞争力, 有很大发展空间.
1 引言
西门子S7系列PLC以其可靠性高、软件功能丰富、编程简便，尤其是其组网能力强大等优点而越来越广泛地应用于工业自动化控制系统中，从S7-200、S7-300至S7-400，西门子PLC提供了PPI、MPI、Profibus、Industrial Ethernet及AS-i等系列网络解决方案，从而满足了管理层、客户层、现场层到传感器/执行器等各种层面的通讯需求。本文以我厂炭素成型连续混捏机改造为例，阐述了PLC如何实现混捏机调速控制、混捏过程的实时监控、显示、操作等功能。保障了生产过程的连续性，降低了劳动强度，改善了劳动条件，实现少人或无人巡视的目标，达到了对大型、关键设备的安全、可靠运行的目的。
2 被控对象
中铝青海分公司炭素连续混捏机是八十年代中期从德国BUSS公司引进的铝电解预焙阳极专用大型设备。其混捏方式采用动、静搅刀相对运动和搅拌轴前后移动实现糊料混捏目的。其混捏机总控制系统如图1所示。
图1 混捏机控制及辅助装置的系统控制图
3 PLC控制系统设计
一个设计良好、性能优越的控制系统，必须有高质量、高性能的硬件配置才能保障佳控制目的实现。由于混捏机控制系统的实际控制量较少，采集的参数种类较多的特点，采用S7-200 PLC能完全满足其控制要求。另外S7-200 PLC是以Profibus-DP为通讯模式，其高速（数据传输率高达12Mbps）且优化的通讯方式，适合现场级控制系统与分布式I/O及其它设备之间的主从通信。其PLC的主要配置分别为：处理器选用CPU315-2DP；数字输入模块6ES7 321-1FH00-0AA0 6块；模拟输入模块6ES7 331-7NF00-0AB0 2块；数字输出模块6ES7 322-1FH00-0AA0 4块；模拟输出模块6ES7 332-5HD01-0AB0 1块；模块前连接器6ES7 392-1BJ00-0AA0 13块；IM365本地扩展模块（6ES7 365-0BJ01-0AA0）1块；电源模块PS307 5 1块；DP总线连接器（6ES7 972-0BB50-0XA0）2块；监控装置为触摸屏TP270（10寸带Profibus接口）。其原理如图2所示。
图2 PLC控制混捏机及其辅助系统原理图
由于数字输入模块具有各组之间、组与数据总线间均设为相互隔离，其输入信号可直接接至模块上，也可用继电器隔离后接入模块，其输入模块内部原理如图3所示。
图3 PLC数字信号输入模板接线图
另外，由于模拟输入模块各通道之间、通道与数据总线间随具有隔离功能，但因混捏机调速系统、辅助控
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图4 PLC模拟量输入模板接线图
在模拟模块输入接线中，要考虑实际采用的传感器的引线根数，对于多数4芯传感器接线，则采用图5接线方式；对于2芯传感器接线，则采用图6接线方式。
图5 热敏电阻与模拟输入模块的四线连接
图6 热敏电阻与模拟输入模块的两线连接
3.1 混捏机控制及保护系统的设计
在混捏机调速控制系统中，除调速系统硬件设有过压、过流、限速、短路、可控硅击穿等保护措施外，还设置了多个PLC软件保护功能。如速度给定大速率限制（设置以5r/s变化；防止升、降速过快问题），
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保护系统是设备应具备的基本功能，尤其是重大关键设备，其这方面的要求更加重要。在实际中，根据设备的运行安全的要求、现场复杂性以及对操作人员产生的可能伤害等要求，采取可靠的保护措施和防止手段，是设备控制必须的性能。为此，在混捏机电控系统中，应用PLC实现如下保护措施，完全满足了混捏机实际运行要求。
（1）电枢电流的上限设置。根据混捏机的实际工作要求，对其电机电枢电流的上限设置为两种保护功能：对于较小范围的过流（如负载扰动引起的过流），设置电枢电流达到设定的电流值360A（相对于混捏量为16T/h而言。由于混捏料量多少不同，其电机电枢电流相应的也不等，应根据实际混捏料量确定；如混捏量为17.2T/h，其工作电流上限设为380A较为适合），允许过流时间设定为45秒（可在10～300秒内选择），超过设定时间，电枢电流仍然处于过载范围，则PLC给混捏机调速装置发出故障信号，系统立即封锁主整流可控硅触发脉冲，使电枢主电路输出中断，并启动报警器工作；第二种保护设置是防止混捏机突发故障，引起主电机电枢电流超过一定值（如410A对应的混捏量为16T/h；若混捏量为17.2T/h，则动作电流值设为435A才能满足实际要求）的特殊情况，则设置立即启动保护功能（由于PLC扫描周期为100ms，故系统实际会延时100ms后才动作）。在实际中，导致这种大电流出现的原因一般有以下几种情况；如电机电枢绕组绝缘损坏、可控硅击穿、闭环控制系统出现大的振荡、电机集电器或炭刷等处短路、混捏机传动机构工作异常、混捏筒体内有螺栓或金属硬质物混入等异常故障，引起混捏机瞬间大电流出现。由于这类突发故障会造成混捏机整体机构严重的破坏和损害，故其控制系统要有灵敏的、高可靠的保护措施。例如2005年6月1#混捏机发生的11付动、静搅刀被混入混捏料中的螺栓打断的故障，造成数百万元的经济损失。另外又必须避开混捏机正常实际生产中小负载波动的情况。
（2）自动爬行速度和高速度的设置。混捏机属重负载设备，其启动后必须设置自动爬行速度功能。即混捏机启动后，其调速系统自动进入速度从零加速到一定的转速运行状态。另外对于减速操作，换设置了当进行减速操作时，电机速度下降到爬行速度时，会自动停止速度递减，保持低速度运行，直到停止按钮按下后系统才会停车，这种设置是为了防止混捏机工作在堵转大电流异常状态。
高转速限制。混捏机在进行升速操作过程中，有时因操作失误、或其它原因，会使调速系统给定无限增大，导致电机转子实际转速超过电机的额定值。为防止这种异常情况发生而设置的一种控制功能，当升速操作使电机转速达到额定值98%时，升速操作则失效。
（3）超速保护。混捏机拖动电机转子额定转速为1500r/min。而直流电机实际运行中，由于各种原因（如负载突然降低、弱励磁、失磁等异常）其转速有时会超过额定转速，在设备安全要求下，必须采取一定的措施。为此混捏机主电机设置有超速保护功能，当实际转子转速超过额定值的105%时，PLC采样到的实际转速信号与设定值比较，监测超速后立即向调速装置发出超速保护信号，系统立即封锁可控硅触发脉冲，使其输出（输出电压和电流）降为零，PLC同时启动报警系统工作。另外，混捏机还设置了第二级机械式超速保护措施，其转速离心保护器与主电机转子轴相连，当其转速达到1500r/min时，离心开关动作，断开系统主电源，实现超速保护功能。
（4）励磁欠磁保护。直流电机励磁工作电流一般不允许低于规定的值。较低和波动较大的励磁电流会引起电机失速，甚至飞车现象，故须采取可靠的欠磁保护装置。混捏机直流主电机励磁额定电流为7.8A，低于5.6A属弱磁(欠磁)运行状态。虽然主调速系统采用了欠磁继电器（其释放电流在40%—90%范围内可调）保护。当励磁电流低于设定值时，其欠磁继电器会释放，断开系统控制电源，达到欠磁保护目的。但欠磁继电器灵敏度低，误差大。为此在PLC控制设计中，应用可编程控制器的软件程序，实现励磁电流的检测、比较、异常报警等监控功能，tigao了欠磁保护的准确性和灵敏度。
（5）热交换器控制及保护设置。中、大容量直流电动机均设有独立的自冷却系统，是一种封闭的、自循环冷却装置，采用PLC实现启、停及运行状态监控，使冷却装置工作更加安全、可靠。当PLC检测到机构工作状态异常（如冷却水断流、过滤网堵塞或循环风机停机等异常）时，立即向操作室工作人员发出声光报警，工作人员可及时采取必要的处理措施，报警状态持续180秒后（故障还未排除），则PLC自动使混捏机降速至停机。
3.2 辅助设备的控制设计
连续混捏机的辅助设备减速机冷却油给定、各润滑点的周期性喷油以及液压系统等控制均采用PLC控制和实现，解决了原系统因采用时间继电器、延时器等控制器实现的控制中存在的多故障、保护不完善，润滑不到位、工作不稳定的问题，增加了润滑系统工作的可靠性和保护系统的安全性，也是其电路简单，便于参数调整和维修。
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（1）润滑装置的监控设置。混捏机润滑装置、减速机冷却机构的可靠工作，对于混捏机正常运行至关重要，每一处的润滑异常都会引起混捏机的机械装置重大损坏，甚至导致重大事故发生。因此其各个润滑点的喷油时间、间歇时间设定适当，工作可靠、稳定。由于润滑参数的设置与工作环境、设备运行状况等有关，环境温度越高、粉尘浓度越高等环境越恶劣，机械磨损程度越严重，则其润滑周期应越短，喷油量要多些（但过多又会出现设备漏油和润滑油浪费问题）。其润滑时序如图7所示。
图7 混捏机各润滑点喷油时序图
注：1.tn-1为喷油时间 tn-2为间歇时间；
2.由于润滑装置的给油量一定，同时只允许多两个喷油嘴供油。
混捏机主轴上设有5个润滑点，其采用间歇、周期性、自动喷油方式润滑。在混捏机运行中，润滑机构工作异常（如每一喷油量不足，或间隔时间设定不合理），会使润滑点润滑不良，引起局部过热现象，PLC检测到该处温度超过设定值时（一般设定为55℃），则发出故障报警，故障持续6分钟后，PLC会自动降速并停机。
（2）冷却装置的监控设置。混捏机减速机冷却装置也是重点监控的重点之一，由于混捏机的工作制是连续长期运行方式（每个生产周期均达到50多天），其减速机承担着两种运行方式（大轴自转和前后移动）的减速和转换工作，且负载非常重，其发热量十分大，故要求冷却装置的工作必须可靠、运行良好，监控及时、准确。为此在应用PLC实现其控制中，对6个冷却点的油路liuliang、压力进行测量，监测有断流（断流时间不允许超过180秒）、或供油不足，则发出报警。由于冷却系统工作不正常会引起机械部件局部高温，导致齿轮、轴承等部件退火，加速机械磨损等现象。故其供油装置的油泵运行、各管路内油liuliang、减速机温度（6处）均要求设置监控点。
4 结束语
根据三个生产周期的（6个月）运行，并对混捏效果、电机参数、工艺条件等指标长期测量和监控，以及对阳极混捏料质量测定、比较，其结果证明改造效果良好。每个生产周期内混捏机的电控系统故障平均降到1.2%（改造前每个生产周期平均为11.6～19.2%）；其次，应用PLC实现了混捏机可靠调速操作和的多级保护功能，电机主电流两级保护的设置，解决了混捏料中因混入的金属物，而使多组搅刀被打断的重大设备事故的发生；此外，PLC的应用，tigao了润滑、冷却等辅助装置的工作可靠性，改进了原控制系统的缺点和多故障问题。该厂连续混捏机控制系统应用PLC完成改造后，取得了显著的效益。达到了高质量、低成本、稳定可靠的设备运行目的
