伊春西门子S7-1200代理商

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近年来，我国新建或改造的大中型水泥生产线基本采用计算机控制系统，控制方式已由过去的仪表、继电器或计算机单机小系统转向了整个生产线的计算机集中操作与分散控制，但目前国内随主机配套的润滑油站电控产品，大多还停留在过去传统的控制方式上，与当前的生产管理方式和控制水平不相适应。由于传统方式控制柜均采用继电器硬连线实现电控与联锁保护，存在着诸如可靠性低、联锁保护功能少及故障率高等许多问题；与计算机全线监控系统的信号联锁很少甚至没有，影响了现场巡检、中控集中操作管理；且在实际使用过程中，由于现场情况的变化，使得传统方式下的控制柜安装与调试存在较大难度。针对这种情况，我们采用可编程控制器(PLC)对润滑油站进行控制，设计开发了CPO-OSC(Cement Process Optinum Control-Oil Station Control)系列润滑油站控制系统，并在山东鲁碧及福建南平等水泥厂的生产线上使用，取得了较为满意的应用效果。
　　
本文以山东鲁碧建材有限公司日产1000t水泥熟料生产线上的大型设备润滑油站电气控制为例，介绍PLC在这些油站控制中的使用情况。

2　润滑油站系统的控制方案
　　
鲁碧建材有限公司水泥生产线生产规模为日产熟料1000t，全线计算机监控采用美国Honeywell公司的Micro TDC 3000集散控制系统(DCS)实现，分为生料、烧成和煤磨三个现场控制站，中控室集中操作管理。该生产线有五个大型设备润滑油站：生料磨头轴承、生料磨尾轴承、生料磨主减速机、生料磨主电机和高温风机润滑油站。

2.1　生料磨润滑油站
　　
生料磨采用Φ3.5m×10m中卸烘干磨系统，由唐山水泥机器厂制造，生产能力为75t/h，为保护磨机主轴承，在前后轴承各设置了一个润滑油站，用强制循环给油方式进行润滑。每个供油站备有1台高压泵和2台低压泵，两个润滑油站由一套CPO-OSC系统控制。

2.2　主减速机及主电机润滑油站
　　主减速机及主电机主要参数如下：
　　主电机：型号YR1400-8，功率1400kW
　　　　　　转速742r/min
　　　　　　电压6000V，电压频率50Hz
　　主减速机：型号JS110-B
　　输入转速742r/min，输出转速16.9r/min，输入功率1400kW，传递功率1400kW。
　　为了保护主减速机及主电机的安全运行，也设置了强制润滑油站，各备有2台低压泵，两个润滑油站由一套CPO-OSC系统控制。

2.3　高温风机润滑油站
　　高温风机电机容量630kW，转速1430r/min，配有：
　　1)YDT63/15液力偶合器，传递功率350～650kW。
　　2)进风口装百叶阀门，配有电动执行器。
　　3)高温风机轴承润滑油站，配置两台油泵进行强制润滑。
　　为了确保大型主机设备的安全运行，提高系统的可靠性，我们采用以SIEMENS公司S7 PLC为主控器开发的CPO-OSC润滑油站控制系统，实现生料磨减速机及主电机润滑油站、磨头及磨尾轴承润滑油站及高温风机润滑油站的电气控制及联锁保护。
　　
因生产现场条件差，电噪音干扰大，系统的输入输出模块均采用高电压等级模板，以避免干扰信号而产生误动作，造成系统损坏。
　　
为了实现数据共享，便于中控室的监控及管理，我们将润滑油站控制系统与其他优化控制系统(生料质量控制系统、窑优化控制系统)联成了一个计算机通讯网络，系统结构见图1。

图1　通讯网络结构图

3　控制系统的组成及功能

3.1　润滑油站提供给TDC3000的信号
　　1)备妥信号
　　2)允许启动信号
　　3)联锁停车信号

3.2　TDC3000提供给润滑油站的信号
　　启/停信号

3.3　信号的处理

3.3.1　备妥信号
　　包括以下内容：
　　1)“集中/机旁”控制方式中选择开关置于“集中”位置；
　　2)总电源空气开关的辅助接点闭合；
　　3)控制电源空气开关的辅助接点闭合；
　　4)油泵主回路空气开关的辅助接点闭合。

3.3.2　允许启动信号
　　“允许启动信号”应由以下几个条件组成：
　　1)高压压力建立并达到整定值；
　　2)低压压力建立并达到整定值；
　　3)油温不低于下限；
　　4)油流不低于下限；
　　5)油位不低于下限。

3.3.3　联锁停车信号
　　
在一般的油站控制系统中，联锁停车信号是根据运行时“压力低”建立的。由于在本控制系统中采用了功能强、灵活性大的PLC，因此，我们也将大型设备的保护功能编制到系统中。如在减速机油站系统中，我们将减速机温度的上限报警信号引入联锁停车中；在磨机主轴承及高温风机油站中，将轴承温度上限报警信号引入联锁停车中。考虑到油压波动情况以及温度检测出现瞬时干扰，对于跳闸信号，我们对其加以10s延时后再送出。

3.3.4　备泵控制
　　
低压备用泵的自动投运，一般是利用压力信号来处理的，包括备泵起动压力信号及备泵停止压力信号，当油压低于备泵起动压力值时，启动备泵；当油压高于备泵停止压力值时，关闭备泵。
3.4　其他要点
　　
润滑油站在集中方式下的启动及停车，应完全由中控人员决定。在正常情况下，润滑油站只能顺从地为主机服务，而不对上级控制有制约条件，如主机停车后润滑油站自动停车。
　　
由于DCS系统的SSR输出模板普遍存在漏电流过大，致使信号关断时仍存在电压(在Micro TDC3000及N-90等系统中均存在)，因此，由TDC 3000系统发送的油站启停信号都采用中间继电器加以隔离。

3.5　通讯网络
　　
在一般的应用情况下，可单独使用CPO-OSC系列润滑油站控制系统，但CPO-OSC控制系统具备良好的开放性及网络功能，可根据用户的实际需求，联成不同形式的通讯网络。在鲁碧公司，我们建立了一条包括8个站点的MPI控制网络，将现场油站信号参数引入中控室的上位监控系统。
　　多点接口MPI是一个集成在SIMATIC S7-300 CPU内的通讯接口，MPI能同时连接如下站点：
　　1)IBM PC兼容机；
　　2)编程器(PG)；
　　3)操作员界面(HMI)；
　　4)S7-300、M7-300；
　　5)S7-400、M7-400。
　　连网的CPU可利用“全局数据通讯”服务，周期性地相互交换数据。它多可连接32个MPI站，其传输速度为187.5bps，且其相邻的MPI站点的距离大可为9100m，(使用10个中继器)。
　　在使用过程中，我们发现：通讯电缆的敷设应引起重视，若通讯电缆与高压电缆敷设在一起，会出现干扰，引起通讯错误，因此通讯电缆应单独敷设，以提高系统的可靠性。

4　上位监控系统
　　
上位监控计算机采用PC总线工控机，配置SIMATICMPI通讯网卡，采用bbbbbbS中文操作系统，通讯波特率为1.5Mbps。通过数据通讯对各油站数据进行检测，并在上位机上实时显示当前运行状态，以便操作员对现场情况随时进行处理。
　　在MPI网络中，配置有两台操作员站，分别运行生料磨优化系统(CPO-QCS)及窑优化系统(CPO-KOS)。
　　润滑油站监控系统运行于生料磨优化操作站上，其监控画面示于图2。

5　工程师工作站
　　
为便于今后系统维护及监控，如对现场PLC控制柜中的程序进行修改、下装等工作，我们利用鲁碧公司原有的一台联想Pentinum166MHz商用机，配置CP5411通讯卡，联入MPI网，成为一个在线工程师工作站，工程师站采用bbbbbbs95操作系统，安装STEP7软件包。
　　STEP7是用于S7系列PLC编程的应用软件包，包括：
　　1)SIMATIC管理器；
　　2)符号编辑器，用于定义符号名称、数据类型等；
　　3)硬件组态，用于为自动化系统组态和各模板参数设置；
　　4)通讯，用于定义MPI、PROFIBUS或工业以太网的数据传输；
　　5)程序编辑器。
　　允许使用梯形逻辑图(LAD)、语句表(STL)和功能块(FBD)任何一种来编写程序，并进行在线调试及监控。

图2　油站监控画面

6　结语
　　
通过在几条水泥生产线上采用可编程控制器实现润滑油站控制的实践证明，利用可编程控制器实现大型设备润滑油站的控制已成为一种必然趋势，它与以往的继电器控制柜相比，可靠性及扩展性有了很大的提高，取得了较好的应用效果。但在使用过程中也发现一些问题，例如柜体设计时没有后开门，导致在现场调试仪表时发生困难。此外，由于现场仪表的油流、油位及压差信号不准确，因此在具体实施时，未将这些信号考虑进去，避免因允许启动信号难以建立而延误投料时间。因鲁碧公司现场油站所用的电接点压力表损坏较多，我们只根据压力正常信号来启停备用泵，若压力未达到整定值，则启动备用泵；若压力达到整定值，则停止备用泵。采用这种控制方式，若在运行时，工作泵体损坏，则会出现备用泵频繁开停车的振荡现象，极易损坏泵体和电机。因此，拟在今后的控制系统中做如下改进：若“驱动信号”已发送，选定“工作”泵已工作，在指定时间内，例如20s，若压力仍不能建立，则“备用”泵自动转为主泵投入运行，原“工作”泵转为备用。

彭化机是一种在玻璃纤维行业应用甚广的机械设备，一直以来设备都是通过进口来满足国内需求，它的主要功能是把经过初加工后的玻璃纤维进行加压彭化再处理，使其变成如棉花状的物质；经过此处理后的玻纤则成为一种上好的消音材料。由于此设备的良好前景，

一、系统组成
　　彭化机的电控部分主要有二个部分组成：监控部份与传动部分，经过考虑我们使用一台艾默生32点的PLC（型号：EC20-2012BRA）和一台海太克的触摸屏组成监控部分，另外用一台艾默生EV1000的变频器组成传动部分，其系统图如下：

从上图中可以看到，这是一个在时下小型机械设备上的典型应用，它的中枢是PLC，控制着整个系统的运行。在彭化机的控制里，主要是控制两个指标：彭化程度与规格质量，整个系统的设计都围绕这两个目的进行。

二、系统连接
　　系统的连接讲究简洁实用，要求既要满足运行要求又能简单，艾默生的PLC都提供两个通信口，根据这个特点对变频器、触摸屏都采取通信的方式进行连接，结合PLC 输入/输出控制的外部电磁阀既提高了系统的稳定性，同时也减少了成本 ，但由于变频器、触摸屏与艾默生PLC的通信方式不同，在使用中必须对PLC的通信口进行设置，在系统中，用COM0口与触摸屏通信，用COM1的RS485与变频器通信，其PLC系统块的参数设置如下：

这其中与触摸屏通信的COM0口设置为Modbus协议，格式为：波特率：9600 偶校验 8个数据位 1个停止位；与变频器通信的COM1口则设置为自由口协议，格式为：波特率：9600 不校验 8个数据位 1个停止位。

三、性能指标
　　彭化机的性能指标主要就是上面提到的两点：彭化程度与规格质量。在彭化程度上主要是通过调节各个气路上的电磁阀及变频器的输出来完成，从实际的结果来看效果非常满意；而规格质量方面，由于我们采用了高速计数输入，以计算电机的圈数来计算生产的质量，同时对变频器进行能耗制动，把停机时间设在0.1秒，保证电机快速停机，在后来的重量测算中我们分别设定100g、200g、300误差都控制在±1g的范围内，虽然在小重量时的误差有点偏大（达到了1%）但由于终用户不会出现像100g这样小的规格，而且在编码盘上增加打孔量还可以减小误差，后客户对在这个重要指标上表示了满意，整个系统顺利通过了验收。

　这是一条整体呈长方形循环运行的产品装配线；采用PLC自动控制系统对整个生产流程进行控制，操作人员可通过选择运行模式来将整条生产线划分为1~3个小段，各段分别独立及组合运行；可手动/自动切换运行；具有多种故障报警灯指示。目前PLC采用艾默生制造的EC20型产品，该型产品指令丰富，编程方便，运行可靠，兼容性强，完全满足电子行业生产的应用。

节　设备组成和功能简述
　如下图1为生产线的平面布置图。

　生产线设备构成和功能简述如下：
（1）生产线由两条长长的平行传送带A和B作为其主体设备，生产用的工装台就放置在这两条传送带上，依次顺序运行到一个个装配测试工位。两条传送带A和B运行方向相反，因此，工装台就是从A这边去，从B那边回。
（2）传送带A和B两端通过末端的单向移载传送带连通成环形的整体，工装台在运行到某一条传送带的末端，就通过末端的单向移载传送带转移到另一条传送带的起点。图1中左边的末端单向移载传送带简称“左一”，右边的末端单向移载传送带简称“右一”。
（3）在传送带A和B之间，还有两条中间的双向移载传送带，左边的简称“左二”，右边的简称“右二”。通过选择运行模式，这两条双向移载传送带可以投入运行，在从而实现将生产线分解成1~3小段组合运行的功能。这样可以在生产线各小段分别安排不同工序流程的多种产品进行同时加工，提高了生产效率，满足多产品排产的要求。
（4）图1中左边为控制柜，内装PLC及其外围输入输出电路，还有电机主电路的设备，包括变频器、空气开关、接触器等。
（5）在传送带中，布置了很多的行程开关、微动开关，用于检测工装台运行的位置，转换成为开关量数字信号输入PLC控制器，使PLC能根据这些工装台的位置进行运行程序的运算和控制输出。
（6）在装配测试工位上，还有一些手自动转换开关、脚踏开关、阻挡气缸释放按钮等，多是开关量数字信号输入（除了气缸按钮不是），可通过这些装置人工操作工装台和传送带的运行。
（7）电机是由PLC输出的开关信号来进行启停控制的；气缸的顶升和下降是由电磁阀控制生产用压缩空气对气缸的进气和排气来实现的，而电磁阀则也是由PLC输出开关信号来控制的。
（8）A和B传送带的运行速度分别由两台变频器来调节速度大小，运行中采用定速运行，满足运行工艺要求。

第二节　运行和控制流程说明
（1）上电后A和B传送带并行反向运行，其速度由变频器面板设置，固定运行，调试成功后不需要更改。
（2）两端的移载传送带负责把工装台在两条A和B传送带之间循环移载。例如当工装台沿A线运行到“右一”前A1位置碰到检测的行程开关，则当“右一”处于空闲时（无工装台在上面，也没有工装台堆积在B传送带起点B1时），“右一”将会进入单向移载程序。这时工装台继续运行到就位位置A1’触动行程开关，则“右一”气缸会顶升，把工装台顶起来，“右一”传送带启动运行，把工装台送到对面的B1起点，然后气缸放气，工装台放下。这就完成了一次单向移载。“左一”运行方式同上述方式的顺序是一致的。
（3）在选择不同的小段组合工作运行模式时，如果两条传送带被分成两段或三段循环运行，则中间的两段移载传送带负责把工装分别在各自的循环路径上移载，实现分段运行。例如当工装台沿A传送带运行到“左二”前位置A3，则开始进行移载检测，如果“左二”处于空闲时（无工装台在上面，也没有工装台堆积在B传送带出口点B3时），“左二”将会进入移载程序，这时工装台继续运行到就位位置A4触动行程开关，则“右一”气缸会顶升，把工装台顶起来，“右一”传送带启动运行，把工装台送到对面的B4点，然后气缸放气，工装台放下。这就完成了一次A向B的工装台移载。而对面的工装台也可按相仿的顺序从B5点转移到A5点。
（4）中间移载传送带根据各循环路径上工装到位的先后顺序来排队，先到先走，解决两边冲突的问题。
（5）移载传送带通过气缸顶升和皮带滚轮传送来实现工装移载
（6）现场有手/自动转换开关、脚踏开关用以实现手动操作。
（7）整条线运行前先根据要求选择运行模式（即小段组合运行方式）。

第三节　PLC及输入输出设备配置
　　控制柜是整个生产线的核心，其中关键的设备是PLC。生产线选用的是艾默生网络能源有限公司的新产品EC20系列的PLC及扩展模块。
　　EC20系列PLC是高性能的通用PLC，内存指令容量达到8k；典型基本指令执行速度0.09~0.42μs，典型应用指令则为5~280μs；支持高达50kHz的高速输入和80kHz的高速输出；具有丰富的中断功能，有8路输入中断、3个定时、6路高速计数；支持工业标准的Modbus通讯网络，指令有浮点运算、PID、高速I/O、通讯等20类共243条；具有掉电检测和后备电池保持。可扩展多个模块，扩展模块有数字型、模拟型、温度型的模块。
　　EC20的编程采用界面友好的窗口软件，支持多种编程方式（梯形图、指令列表、顺序功能图），方便地监控和调试，可在线修改程序。
（1）PLC设备配置：
　　1个主模块EC20-3232BRA，继电器型输出，220VAC电源，32输入和32输出；
　　1个扩展模块EC20-0808ER，继电器型输出，8输入和8输出。
（2）输入设备配置：
　　输入设备有——a.旋臂式行程开关，用于工装台的位置检测；b.限位开关，用于工装台、运动机械、气缸的到位检测；c.脚踏开关，用于装配工位上的人工操作；d.转换开关，用于操作模式的选择，在控制柜和装配工位上，控制柜上是整体运行模式的选择，装配工位上是手/自动切换。EC20输入端是漏型输入，因此输入设备采用EC20模块的COM点为输入接线回路端。
（3）输出设备配置：
　　输出设备有——a.继电器-电磁阀-气缸，PLC输出点通过控制继电器来控制电磁阀，电磁阀再控制气缸的进气和排气，从而实现气缸的顶升和下降，继电器-电磁阀-气缸的组合是通过电气输出的接点控制气动操作设备的一种有效手段；b.继电器-接触器，PLC输出点通过控制继电器来控制接触器，从而实现电机的启停操作、设备的开关及其它电路的通断，继电器-接触器的组合是用小容量的输出点来控制大容量的电气回路的正确方法；c.继电器，PLC部分输出控制可通过继电器直接进行，如指示灯、蜂鸣器等小容量电路。
　　一般情况下要注意PLC的输出点不应用于直接接入和控制各种被控制电气回路，要通过继电器等元件来提高控制容量，以及起到隔离的作用。

第四节　PLC的顺序步骤程序设计要点
　　环形生产线的运行，主要的流程都是按顺序进行操作的。大多数情况下工程技术人员采用的是梯形图的编程方式，也有少量采用指令列表的方式。顺序功能图的方式还不十分为广大技术人员熟悉。这里讨论的是采用梯形图编程时的顺序步骤程序设计。
　　在编程前，需要把设备的流程转变为顺序的逻辑流程（图）。第二节中所讨论的流程，是一种操作的外在现象和设计思想，而程序的逻辑流程（图），则是准确到包含以下及其他未说明的jingque设计：输入检测和受控设备的动作配合、步骤的准确衔接、操作的延时长短设置、操作的条件和限定、对人和设备保护防护设限、动作先后判断及优先选择、故障的诊断和显示、故障后的保护和恢复等。
　　如果设计和编制程序时，不编制流程和顺序控制点，不设置顺序控制点的代表元件，则程序做出来的可读性、可维护性会很差。比如一台电机的启动，如果仅是套用一堆输入、延时、条件、限制逻辑在PLC输出线圈之前，其中没有一个代表顺序的触点元件，那么就是上述无序编程的典型做法。当程序点数增多，后就可能导致程序的编制难以控制，出错可能性大，调试非常困难、维护和调整难以下手。
　　生产线的编程，采用了两项主要的编程方法。
（1）顺序步骤程序设计
　　顺序步骤程序设计，是将一长串流程分解为一个个步骤，每个步骤单独完成一项逻辑运算和动作。在每个步骤上，都设置一个人为的标志位，用以明确表示当前运行的步骤，并通过此标志位限定设备的输出，达到使整个系统按照步骤严格运行的目的；并使得整个程序的条理清晰，各步骤逻辑简洁明确，有利于日后的维护和修改。
如下图2为生产线上“左一”单向移载传送带的编程示例：

　　如图2中所示，“左一”单向移载传送带的流程划分为五个步骤，分别以标志位M100、M101、M102、M103、M106来表示。在运行中，M100~M106顺序地被置位，在每个步骤中，相应的操作运算由相应的标志位来开通，使得设备运行得以按顺序进行，程序脉络十分清晰。
　　例如第1行，当X47置位，表明工装台进入了图1中“左一”的B2位置，当A2处无工装板积压，则M100就被置位并自保持，“左一”开始进行这块工装台的移载操作（步骤M100）。到了第2行，Y21会因为M100置位而复位，使该Y21对应的阻板气缸下降，将这块工装台放行，随B传送带进入“左一”传送带上。第3、4行，当工装台进入“左一”完毕（此时触动了X44行程开关），延时1秒（T1时间继电器），然后就根据条件将M101置位并自保持，程序进入步骤M101。可见，程序将会按顺序进行，直到工装板被准确送出“左一”传送带为止。
　　到了步骤M106，M106短暂地置位后，将在下一个扫描周期内复位M100和T0，使得M100~103全部步骤都复位，系统就开始等待下一次移载操作。
（2）状态标志替代方法
　　在“左二”和“右二”双向移载传送带的操作时，有可能会出现A线和B线两块工装台同时到达的现象。在这种情况下，“左二”、“右二”如何处理这个矛盾？哪个工装台会先运行？这里，就有个优先状态标志的设置和判断。如果两边各用一个行程开关来置位相应标志位，程序并不好写，因为置位后的标志位没有“优先”的特征，都是“1”，还是会造成混乱。如果用“输入端中断”来编程，则会因为各种原因（如输入误动作）导致系统的错误操作——在这种生产线上是很容易出现输入的误动作的。
　　在这里，程序设计者用了一个状态标志替代方法，用两个累加数的大小来代表工装台，如下图3所示。

　　如图3所示，程序中采用了D100和D102两个32位长整型寄存器用来做累加比较。当工装台同时进入时图1中的A3、B3时（这个“同时”还是有些微差别的），如图3所示的程序，M200和M250都置位，A和B两边都进入了移载程序的步，第4、5行就是对D100和D102进行累加，则当运行到第6行时，D100和D102的差别比较就会出来了。在D100大于和等于D102时，M120被置位；在D100小于D102时，M121被置位。这样，通过累加和比较，会得出一个优先的判断并固定用两个标志位M120及M121来表示（实际上，这样编程就能得到“先到者优先”的结果，现场所谓工装台“同时”达到对PLC来说还是非同时的）。随后的编程则将两边的步骤可以分开来写，并且还能相互添加一些联锁，保证两边的步骤不互相干扰。

第五节　程序设计用到的指令
　　程序中用到的指令有：
（1）基本指令：LD、LDI，分别是梯形图中的常开点和常闭点。
（2）基本指令：EU、ED，分别是“上升沿检测指令”和“下降沿检测指令”，单步循环内导通有效。
（3）基本指令：OUT，是线圈输出指令。
（4）基本指令：TON，是计时器指令。
（5）数据传输：DMOV，是双字数据传输指令。
（6）整数算术运算：DINC，是长整数增一指令。
（7）比较触点指令：LDD>、LDD=、LDD<，是长整数比较指令。
　　从上可以看出，电子装配生产线所用到的指令是比较简单的，数量种类不多，基本上是顺序和逻辑的编程。实际上，大多数的应用场合，即使是复杂的功能，也可能通过基本指令的组合来实现。适当应用的应用指令则可以使程序的可读性增强。

第六节　艾默生PLC应用能力、优势
　　在PLC顺序控制应用大多数是在机械行业。除了少数的高精度和特殊算法场合以外，包装机械、装配设备等大多以通用型PLC作为控制系统器件。艾默生EC20的PLC在输入输出、指令、编程元件资源、中断、指令速度上，相对有超前的性能；艾默生PLC以全中文化的工业自动控制平台为其基本设计思想，非常符合中国工控行业的规范和习惯，新老PLC用户可以很快地很容易地掌握艾默生产品的应用和编程。设计性能好，比如指令数量、中断源、高速计数等。
　　在这些场合应用中，由于生产线可能会长期运行，其可靠性要求要较高；同时有可能会因为用户生产产品和工艺的变更，对生产线可能会要求做修改、改造，因此PLC需要考虑生产线改造时有一定的扩展性。