西门子模块6ES7221-1EF22-0XA0选型说明

西门子模块6ES7221-1EF22-0XA0选型说明

0 引言

　　随着工业企业自动化技术的发展，PLC (Programmable Logic Controller,又称可编程控器)，以其可靠性、灵活性、优良的性能价格比、使用方便等特点在工业控制领域迅猛发，得到了越来越广泛的应用。

　　石油焦是铝电解用碳素阳极生产的主要原料。石油焦转运系统，是把贮存在仓库中的石油焦，经过破碎筛分处理成满足煅烧需要的原料，输送到煅前料仓。由于该系统逻辑控制点多、自动化程度高、上下游设备间关联度大，所以选用PLC进行自动控制，并设立上位机进行全系统监控。本文着重讨论PLC在系统中控制功能的实现和上位机监控界面的开发。

　　1 工艺介绍

　　石油焦转运站系统主要由天车抓料系、破碎筛分系、tisheng系、分料输送系、收尘系组成。用来满足煅烧窑系统煅前日用料仓物料供给。主要抓料天车、调速皮带、破碎机、筛分机、输送皮带、斗式tisheng机、分料挡板等设备组成。其中破碎筛分系、tisheng系是两套系统，破碎筛分系统可以一备一用，也可以同时工作；tisheng系实现设备一备一用。工艺流程简图见下图1.

　　2 控制系统设计及实现

　　2.1 SLC500的特点

　　SLC500模块化可编程控制器及输入输出模块由罗克韦尔自动化公司生产，产品目录号为1746和1747系列。该系列产品采用框架式结构，为在不同的工业现场使用提供了同样稳定可靠的平台。SLC500系统构成处理器、输入输出模块和相关外部设备。处理器功能强大、使用灵活，并有各种内置通讯方式和不同容量的内存供用户按需选择。根据用户的实际需要，输入输出模块可以非常方便的扩展。同时罗克韦尔自动化提供了便捷的内置通讯接口、种类丰富的第三方专用模块、简单方便的基于bbbbbbs平台的编程软件。因而SLC500成为当前市场上为流行的中小型PLC之一。


　　2.2 硬件配置

　　基于SLC的上述特点，本系统采用了美国罗克韦尔自动化公司的SLC505 PLC。系统所需的输入/输出配置是：开关量输入100点；开关量输出50点；模拟量输入5点；模拟量输出2点；在适当考虑余量的基础上，实际的硬件配置如下：

　　　　⑴ CPU选用1747-L551；

　　　　⑵ 8块开关量输入，共16×8=128点；4块开关量输出，共16×4=64点；1块模拟量输入，共8×1=8点；1块模拟量输出，共4×1=4点；

　　　　⑶ 两个机架，分别是10槽和7槽；

　　　　⑷ 交换机一台

　　　　⑸ 上位监控操作员站一个

　　　　⑹ 工程师站一个



　　2.3 系统网络拓扑

　　上位机通过RSLINX软件，建立与PLC的联系，可以通过RS232和以太网任意一种通讯方式通讯。本控制系统中，上位机监控操作员站通过以太网借助交换机与PLC进行通讯，设置工程师调试接口，同时交换机预留和其他系统进行数据交换和通讯的端口。网络拓扑图见下图2.

　　监控软件RSview-SE安装在上位监控计算机，开发出工艺流程界面，通过以太网一方面把设备的状态点取上来，在流程界面上显示；另一方面把操作员发出的操作命令送到PLC，进而通过PLC的输出驱动相应的设备做出动作响应。

　　2.4 控制系统设计

　　通过PLC程序完成石油焦转运自动控制系统，结合上位监控操作员站，在主控室实现对现场各个设备、工艺参数的监视、控制、操作、调整。　在程序设计中，考虑上、下游设备之间的关联性，设计了相关的连锁保护，下游设备不运行，上游设备无法启动；代表电机电流大小的4~20mA信号通过模拟量输入模块采集进PLC，送给监控界面显示，控制调速皮带速度的控制信号从监控软件写到PLC，再转换成4~20mA的标准模拟信号控制皮带调速。

　　在这个系统中有以下几个需要注意、影响整个系统平稳运行的关键问题点：

　　2.4.1 实现系统设备在线切换控制

　　根据工艺设计要求，两套筛分系统、两个分料挡板和两台斗式tisheng机必须可以在线切换控制，即如果其中一套（台）设备出现故障，操作人员可以在不停料的情况下，立即把另外一套（台）设备加入流程控制，出故障的设备退出流程检修。

　　设计的程序中考虑了在切换系统时，系统上、下游流程继续运行，新进入流程的和即将退出流程的设备有一个时间段是同时运行，具体的参数需要根据实际情况进行整定。这样能确保退出流程的设备里的物料能够完全排出，新进入流程的设备不会造成堵料。


　　2.4.2 自动停车保护

　　从安全角度考虑，在输送皮带两侧安装了拉绳开关。在斗式tisheng机的入口和出口处，安装了堵料报警开关。在设计程序时，编制了如下的保护。

　　如果有人不小心摔到皮带上或者违犯规定穿越（跨、钻）正在运行的皮带碰到拉绳开关，系统会立即停车，并发出声光报警，提示操作人员前往检查、处理。处理完毕后，按压复位按钮清除故障，系统方可重新启动。

　　一旦斗式tisheng机的入口或者出口出现堵料，堵料开关动作，系统会立即停车，并发出声光报警，提示操作人员前往检查、处理。处理完毕后，按压复位按钮清除故障，系统方可重新启动。

　　在设计PLC程序时，把两个煅前日用料仓的高限报警信号引到PLC程序，一旦煅前日用料仓料位超过高限报警，操作人员没有发现，程序会自动保护性的停止系统。


　　2.4.3 收尘器的脉冲振打控制

　　石油焦转运系统中有三个收尘器，为了延长脉冲阀的使用寿命，在咨询厂家技术参数的基础上，设计了收尘器收尘布袋脉冲振打控制的PLC程序。根据生产厂家提供的数据，在设计的PLC程序中采用定时器和计数器，jingque地控制收尘器收尘布袋的脉冲振打时间和振打间隔时间，让脉冲阀按照固定的顺序依次振打。

浆纱工序是织造生产流程中的关键工序，为tigao浆纱质量，使浆纱机实现机、电、仪、气、夜一体化技术、盐城纺织机械厂生产的GA-333型浆纱机率先应用了华光电子工业有限公司的中规模SU-6型可变程序控制器，作为设备的中央电气控制。对设备的运行状态、工艺参数等进行在线检测和实时控制，为浆纱机本身的浆纱质量和机械性能提供了可靠的技术保证。 1、 压浆力随车速的变化作线性调节是保证上浆质量稳定的关键技术之一、压浆利于车速的关系曲线见图（一）。PLC通过传感器采集车速信号，压浆力信号与设定的车速、压浆力进行比较计算后，通过DA模块进行电流输出，输出的电流信号控制电控调压器输出的压缩空气压力使压浆力与车速的关系符合工艺曲线的要求。 （图一）压浆力与车速关系曲线 为了实现这一功能，PLC系统配置了如下模块。 （1）U-01AD模块，用来采集压浆力的信号，模块安装位置号为PC26. （2）U-01DA模块，用来输出对压浆力的控制信号，本系统输出的控制信号为电流信号I+和I-，主控气动柜气阀调整压力，模块位置号为PC15。 （3）U-01Z高速计数模块，用以采集浆纱机的运行速度信号，模块安装位置号位PC16。 （4）由U-05T输出模块和U-05N输入模块组成参数设定矩阵电路（见图二），根据工艺要求P1、P2值可根据车速V1（低速）、V2（正常工艺车速）预先设定。当车速为0或V1，以低压浆力P1压浆；当车速升高，压浆力随着升高；当车速降低，压浆力P随着减小。这便构成了压浆力随车速变化进行线性调节的控制功能，这一功能的实现是由上述几个特殊模块在软件程序的支持下完成的，其控制精度、稳定性都很好，使上浆率这一重要工艺指标得到保证。 2、 伸长率的在线检测、数字显示及精细调节系统对工艺参数的控制作用，体现su-6优越控制功能的系统之一。 伸长率是浆纱工序重要工艺参数之一，要求纱线的伸长率在保证卷绕的基础上尽可能小，以保持纱线的大伸度，为后部工序的工作提供良好的条件。 对伸长率的在线检测和控制步骤是： （1） 首先对浆纱机拖引辊、上浆辊、引纱辊的线速度进行检测。 （2） 可编程序控制器对采集到的数据进行处理计算。 （3） 将计算的结果输出到显示器进行在线显示。 （4） 同时将计算结果与伸长率的设定值进行比较，用输出模块控制伺服电机自动对伸长率进行精细调节或根据显示的数据进行人工远程调控。 为完成上述显示和控制功能，在PLC系统中使用了如下模块： （1） 使用了U-01NI中断输入模块，采用华光电子工业有限公司的TRD-J200-RZ旋转编码器，KCN-6SR计数器作为传感器，以中断执行方式输入数据。同时使用U-01Z高速计数模块检测的数据。U-01NI模块放入PC00槽内。 （2） 采用U-15T和U-05N模块，使用矩形输入方式对伸长率工艺参数进行设定以及伸长率自控命令和人工远程调控信号输入。 （3） 采用U-20T输出模块，执行伸长率自控和人工远程调控指令。 上述伸长率自控系统的使用保证浆纱伸长率的控制精度，同时简化了挡车工的操作和人为因素的影响。 GA-333浆纱机使用SU-6可编程序控制器的系统配置情况： 系统配置图见图三 通过图三可看出，SU-6PLC系统中共配置了U-01AD、U-01DA、U-01Z、U-01NI四块特殊模块季其它输入输出模块15块，共计19块模块，其实际使用I/O点数为67/140点，对浆纱机如下工艺参数进行自动控制。 1、 经轴的退绕张力。 2、浆液、烘筒的温度自控。 3、压浆力随车速度变化作线性调节。 4、伸长率在线检测数字显示及精细调节。 5、浆液液面自控。 6、浆纱匹长、匹数的自动记录。 7、浆纱车速、压浆力、伸长率、回潮率、匹长、匹数的显示。 8、对全机近70个点的机械动作进行控制。 SU-6输出模块的配制 PC12(U-05T) PC21(U-05T)浆槽（前浆槽） CA CA 0-退绕张力自控贮气阀YA 0-引线压辊上下电磁阀YA 1-退绕张力自控刹车阀YA 1-前浸没辊侧压电磁阀YA 2-压纱辊（车头侧面压纱） 2-后浸没辊侧压电磁阀YA 3-空 3-前压浆辊升降电磁阀YA 4-织轴正传电磁阀YA 4-前压浆辊高低压切换电磁阀YA 5-织轴反转电磁阀YA 6-后压浆辊高低压切换电磁阀YA 6-织轴离合器合YA 7-补浆电磁阀YA 7-织轴离合器分YA CB CB 0-边轴离合器电磁阀YA 0-计时 1-前压浆辊自动加压电磁阀YA 1-电铃中间继电器KA9 2-前浸没辊升降电机接触器（升）KM12 2-I浆槽电磁离合器的中间继电器KA10 3-前浸没辊升降电机接触器（降）KM13 3-II浆槽电磁离合器的中间继电器KA11 4-后浸没辊升降电机接触器（升）KM14 4-警报器高 5-后浸没辊升降电机接触器（降）KM15 5-警报器低 6-I浆泵电机接触器KM16 6-空 7-I浆槽湿分线接触器KM17 7-空 PC22(U-05T)II浆槽（后浆槽） PC20(U-05T) CA CA 0-引纱压辊上下电磁阀YA 0-寸行电机接触器KM11 1-前浸没辊测压电磁阀YA 1-寸行电磁离合器的中间继电器KA2 2-后浸没辊测压电磁阀YA 2-织轴电磁离合器的中间继电器KA3 3-边轴离合器电磁阀YA 3-打印中间继电器KA8 4-补浆电磁阀YA 4-左拍分电机接触器（拍）KM7 5-后压浆辊升降电磁阀YA 5-左拍分电机接触器（分）KM8 6-后压浆辊高低压切换电磁阀YA 6-右拍分电机接触器（拍）KM9 7-前压浆辊高低压切换电磁阀YA 7-右拍分电机接触器（分）KM10 CB CB 0-前压浆辊升降电磁阀YA 0-油泵电机接触器-KM2 1-前压浆辊自动加压电磁阀YA 1-伸缩箱电磁阀YA 2-前浸没辊（电机升）接触器KM18 2-导纱辊电磁阀YA 3-前浸没辊（电机降）接触器KM19 3-测长辊电磁阀YA 4-后浸没辊（电机升）接触器KM20 4-上落轴电磁阀YA 5-后浸没辊（电机降）接触器KM21 5-排风电机（I）接触器KM5 6-浆泵接触器KM22 6-排风电机（II）接触器KM6 7-湿分绞接触器KM23 7-空 SU-6可编程序控制器的使用大大简化了电器控线路，是继电器、接触器逻辑控制电路无法比拟的，并且各模块均有LED状态指示和故障显示，可对故障的分析处理带来极大的方便，压缩故障停机时间，tigao工作效率。

在棉纺织企业广泛使用喷气织机的情况下，空压站建设是一项重要的辅助工程。在天津纺织园区所有空压站配备的主要设备为离心式空气压缩机、冷冻式空气干燥器，通过储气罐、连接管道和阀门等组成压缩空气供气系统，并配套冷却系统、仪表空气系统，计算机检测系统，以实现空压站为生产一线保证不同压力、不同负荷的用气需求。在此前提下确保合格的供气品质，满足稳定的气源压力，自动调节供气liuliang等是空压站自动控制的基本任务。随着自动化水平的不断tigao，关于建设无人值守空压站的讨论，是一个发展过程中的必然的课题。

　　空气系统自动控制的必要性

　　应用在天纺投资控股有限公司棉纺一工厂的空压站，安装有4台70M3/min 4台，53M3/min 4台，48M3/min 2台，43M3/min 4台离心式空压机和1台42.5M3/min螺杆式空压机，配有相应处理量的冷冻式干燥器。空压机设备自身带有的CMC控制器，能够自动控制和保护主机的运转，自动提示工作信息，具有故障报警和保护停机功能，能自动根据用气量的大小加载或卸载，并配有LCD显示屏供现场观察各工艺参数和设备状态，具有RS422/485通讯接口，可以实现与现场控制室计算机监控系统的完整连接。

图：分级控制网络实施方案图

　　目前，空压站的自控系统通过西门子S7-300可编程控制器，将部分空压机的实时运行数据通过RS422/485通讯接口采集进PLC控制系统，并将数据传送到现场控制室计算机上进行显示，以代替传统仪表。但是没有对空压机进行控制。

　　空压机设备自带的CMC控制器已经能很好的控制单台空压机，但是不具备对空压系统的整体调控能力。在空压系统中，相对单台空压机的调整，空压系统的整体自动调控具有更重要的意义：

　　■ 单台空压机无法保证空压系统整体供气压力的稳定，而空压系统的整体自控可以有效保持系统内空气压力稳定。
　　■ 整体的负载平衡，减少排气放空，可以节约更多的能源，节省人力成本。
　　■ 可以实现无人操作，根据实际需要自动开机或加载空压机以保持系统压力。
　　■ 可以定时间断地记录空压机运行数据和报警，如跳车、喘振、通讯故障、压力等。

　　在已有的PLC系统中，没有实现空压系统的整体调控功能。由于空压机自带的CMC控制器提供了RS422/485通讯接口，所有的数据采集和控制功能都通过通讯接口来实现，对比原有的控制系统，不需要增加硬件设备的投资，只需要改进和增加控制软件即可实现空压系统的整体控制。

　　除空压机设备外，还可以将与空压机配套的冷冻式干燥器集成到RS422/485网络中来，实现空压供气设备的全面自控。

　　空压站其他系统的自动控制

　　除空压供气系统外，空压站的其他系统也需要进行自动控制，如水循环冷却系统等。这些系统的控制方法与空压供气系统不同，主要是采用传统控制模式。使用仪表采集需要的运行参数，进行数据处理和分析运算后，输出控制信号给执行机构就可以实现系统的自动控制。

　　自动控制具有以下优点：

　　■ 操作简单，可以实现无人值守；
　　■ 良好的实时调节，防止了人为因素滞后；
　　■ 具有高可靠性；
　　■ 减轻工作人员负担；
　　■ 节省人力成本。

　　需要控制的参数和可能的控制方式

　　空压站需要的控制需求；⑴高、低压供气压力控制（机组自动开停控制）； ⑵系统自动排水控制； ⑶循环水液位控制和自动加药控制； ⑷所需压缩空气温度、循环水温度等参数控制等等。

　　空压系统的整体自动调控一般可以使用以下2种方法之一来实现：

　　⑴采用PLC系统进行通讯和控制。

　　⑵可以采用英格索兰公司或自己编制的控制软件。

　　种方法可靠性高，适用于工业控制系统。当监控计算机出现故障时，PLC还可以按照设定的程序进行自动控制。

　　第二种方法是通过控制系统的计算机进行单独的分析运算进行控制，它具有较好的灵活性，但缺点是如果出现如计算机死机等故障时，有可能影响系统的正常运行。好在计算机的一般恢复往往不需要太多的时间。

　　除空压供气系统自控外，空压站可与制冷站、热力站系统一起建立设备控制网络，实现集中控制，或与工厂控制中心联网，由控制中心的控制器实时远程监控，实现真正的无人值守。

　　系统构成

　　对于以上讨论，如果需要实现空压站的整体自控，又许多成熟PLC自控系统可以选用，现以ZH公司的PLC自控系统为例。

　　该自控系统选用西门子S7-300系列可编程控制器，带有RS422/485网络接口，支持MODBUS等相关网络通讯协议。该系统可以采用专用工业通讯网络技术实施远程联网。空压站自控设备可根据生产实际情况和各设备的特点，以及可能存在的问题，综合各方面因素后确立分级控制网络的实施方案，如图1所示。

　　■ 硬件配置

　　现场仪表，受控设备、执行器、带有串行通讯接口的设备（如空压机，冷干机等），PLC和监控计算机。

　　■ 软件功能

　　选用专用的工业组态软件（如WINCC或iFIX）用来监视和操作整个生产过程，为控制系统提供通讯、显示及报表管理等功能，各设备控制器自成一子系统，其应用程序功能包括：信息采集，设备控制，故障报警，连锁保护，以及数据处理和通信传输。

　　在系统实施过程中，还可引入故障检测和故障诊断的处理程序，能够tigao系统的智能化程度，有利于进一步改善自控系统的有效性和可靠性，通过优化调度策略，软件连锁保护等自动控制功能模式的应用，有望将自动化水平tisheng到更高层次，可以为确定空压机设备状态检修点提供依据，并由此获得更大的效益。

　　结论

　　总之通过自动化控制可以克服由于人为因素造成的调节滞后等不利因素，减少运行参数的波动，达到减少用工和节约能源的目的。对于tisheng天纺控股有限公司的整体技术水平是相当重要的。