6ES7212-1BB23-0XB8优质产品

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随着工业自动化控制的发展，一种新的工控产品人机界面(简称触摸屏)出现，给予工业设备现场控制一种全新的图形操作界面─（GOT）。它采用能高速通信的32位RISC芯片，具有交互性好，编程简便、灵活，并且与PLC之间的连接简便，简化控制柜设计，节省PLC的实际输入输出点，在工业设备控制中开始得到推广应用。现以水针线玻璃瓶消毒生产线为例，介绍系统配置及应用。

一、工艺流程及要求

水阵线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。

二、系统配置

对于以上要求，我们选用中达-斯米克公司的人机界面、PLC组成一个控制系统。具体如下：

1．人机界面型号为PWS-3760-TFT，该屏是真彩色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SC—500系列，该机具有1024点输入、输出功能，1个RS232通信口和1个RS422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XDC10十六点DC输入模块2块，输出配1个YRY10十六点继电器输出模块。

4．仿真输入单元采用AD020四路输入模块，输入三个风压模拟量值（4mA～20mA）。

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

三、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，其他四组为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。（1）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。（2）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SC—500后，由于我们的THM10可以单独设定PID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。

四、结束语

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

随着我国自动化控制水平的不断tigao，PLC(可编程序控制器)、文本显示器、触摸屏已广泛应用于各行各业，现将它们作一简单介绍，并阐述其在瑞气公司制氮设备中的应用。

一、可编程序控制器

在自动化控制领域，PLC（Programmable Logic Controller）是一种重要的控制设备。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。目前，世界上有200多厂家生产几百个品种PLC产品，例如：美国AB，德国siemens，日本三菱、Omron，施耐德，GE等，在PLC应用方面，我国是很活跃的，应用的行业也很广。例如钢铁、机械、冶金、食品、饮料、包装、汽车、石化等行业。

从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

PLC系统的其它设备：

1、编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

2、人机界面：简单的人机界面是指示灯、按钮等，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。

3、输入输出设备：用于性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。

目前，国内PLC市场仍以国外产品为主，瑞气公司主要是采用德国Siemens S7-200系列（S7-200系列销售突破10万台，Profibus全球节点超过1000万），它在PLC市场领域中占有率相当高。

瑞气公司根据工艺的要求、系统控制功能特点、用户的需要及变压吸附和再生的技术要求，确定分子筛吸附、再生、均压等各阶段的时间，用梯形图或指令语句方式编辑PLC控制程序，控制各阶段阀门的开关状态及有关相应的报警（如：纯度、碳位报警等）。如用户需要在线显示、修改参数（如纯度、压力、liuliang、温度、露点等）及提供预留给用户标准信号（如电流信号：4-20mA）作DCS系统。如需要在线显示、修改参数要增加模拟量扩展模块与显示部分（文本显示器TD200或触摸屏显示）。

碳位报警系统：当设备在长期使用过程中，吸附塔内分子筛逐渐下沉，当下沉到一定程度，PLC控制系统会发出间断声光报警，即提示用户应尽快添加分子筛，但系统仍然可继续运行，报警同时存在；这时候如果用户继续使用设备，分子筛继续下沉到另一个程度，这时制氮机会自动卸压后停机，同时发会发出连续声光报警，此时应立即添加分子筛，否则系统拒绝工作。

纯度报警系统：当产品气纯度达不到预先设定纯度值时（纯度设定值是通过二次仪表、TD200或触摸屏进行设定的），PLC控制系统会发出间断声光报警，并对不合格气体进行排空（有自动排空与手动排空，根据用户需求自选）。若不合格气体连续排空时间超过1小时（排空时间长短可通过TD200或触摸屏进行设置），则说明设备存在故障，不能制得合格气体。控制系统会自动卸压后停机，并发出间断声光报警。

由于压力、liuliang、温度及露点等（电流或电压信号）这些信号是模拟信号，因此必须通过EM231（模拟量输入模块）进行A/D转换，然后通过PLC编程在TD200或触摸屏上显示。根据这些数据再通过PLC编程进行与预置参数进行比较，超过或低于预置值将发出报警信号。报警信息详细内容可在TD200或触摸屏上查找。在纯化系统中通过PLC编程可以进行自动加氢控制与闭环控制；通过PLC编程对温度进行PID控制。PID控制精度高，波动小，响应快。PID调节中，用比例环节（P)来决定基本的调节响应力度，用微分环节（D)来加速对快速变动的响应，用积分环节（I)来消除残留误差。对PID进行整定时，总是先调节比例环节，然后一般是调节积分环节，后调节微分环节。

二、文本显示器

目前上使用的文本显示器有西门子、HITECH、eView、台达等品牌。其中西门子TD200文本显示器为普遍，它是所有SIMATIC S7-200系列操作员界面问题的佳解决方法。

TD200连接很简单，只需用它提供的连接电缆接到CPU 22X系列PPI接口上即可。不需要单独的电源（如果TD200与S7-200系列之间距离超过2.5m,需接额外电源）。背光LCD液晶显示（即使在逆光情况下也容易看清）。

TD200具有下列用途：

1、显示信息---显示多80条信息，每条信息多可包含4个变量。
2、在控制系统中起设定和修正参数的作用，例如：改变动作、报警等的设定值。
3、可以提供8个由用户自定义的功能键。
4、提供密码保护功能。

瑞气变压吸附制氮、制氧设备及氮气纯化设备中，一般均配有TD200文本显示器，它可以方便用户进行设备运行参数、状态查询，并能在授权的状况下对系统参数进行适当的修改，极大地满足了用户对产品操作使用简单有效的要求。

典型使用情况如下：

1、显示制氮设备换热器出口气体温度，超温时自动跳出文字报警信息。

2、氮气低压故障报警处理

当氮气压力低于设定值时，文本显示器有文字提示。一旦氮气压力满足条件，系统恢复正常，并对故障报警自动复位。

3、 超温故障报警处理

当系统由于硬件损坏而引起不正常的加温，如SSR（固态继电器），CPU继电器的接点、热电偶等器件的损坏而引起，这些故障须用户特别小心注意，发现此故障应立即检查维修。故障有指示灯闪烁报警，并有文字提示。

4、显示设备运行的累计时间

三、触摸屏(人机界面Human Machine Interface)

在工业控制领域，随着生产方式和技术的进步，人机交流的工具已从机械的操作杆、按钮开关和指示灯等发展到了友好的触摸屏和信息面板等。由于人机界面（HMI）产品的应用越来越广，HMI产品和供应商也越来越多，从技术、产品到市场等各环节看，融操作监控、数据存取、参数修改功能于一体的HMI已逐渐成为一个相对独立的产业门类。目前，世界上触摸屏的品牌很多，例如：SIEMENS 、OMRON、施耐德、三菱、A&B、台湾EVIEW ，HITECH、日本HAKKO、富士等等，其中，PRO-FACE是世界上为数不多的HMI供应商。据有关报告显示，Pro-face在中国的HMI市场中表现出色，成为其中的品牌。

Pro-face是全球的日本Digital电子有限公司的主要成员之一，公司主要产品包括：可编程触摸屏（GP系列、ST）、平板式工业计算机（PL系列、PS系列）、图形逻辑控制器(LT系列、GLC系列)以及IT产品信息终端等各类人机界面。

日本Digital电子有限公司成立于1972年，是全球HMI行业。20多年来以其精湛的技术，优良的品质和严格的管理享誉全球，Pro-face这一品牌已成为优质人机界面的代名词。Pro-face它以其出众的外观、紧密的结构设计、高效的运算能力、杰出的控制体系、zhuoyue的品质和完善的服务，令众多高端机械设备生产厂商和各大型项目工程单位对Pro-face的产品爱不释手。尤其是他们的可编程触摸屏，可连接世界上200多个品牌PLC，为我们提供了更大的操作空间。

上图是瑞气制氮设备运用Pro-face的（GP37-W2型）触摸屏示意图。从这幅画面上我们可以了解到设备的工作状态（设备处于停止。。）、累计运行时间（245小时12分12秒）、工作流程及阀门的开、关状态，还可以通过上面按钮开停机、参数设置、查看系统故障信息等。例如还可以显示气体进出口压力、出口liuliang、纯度、温度、露点及其它们的记录曲线等。它也可以作为用户中控室的实时监控装备。

通过借鉴我国20世纪80年代从国外引进的宝钢30万吨热镀锌机组自动化技术，并通过济南钢铁公司20万吨热镀锌工程、张家港华达涂层有限公司15万吨热镀锌工程实例的对比、分析，提出目前国内冷带连续加工机组自动化系统的合理配置方式，并阐述了人机界面技术和PLC技术在冷带加工机组中的具体应用。

1 引言

由我院技术总承包、近期已顺利投产的张家港华达涂层有限公司年产15万热镀锌板工程和我院目前为济南钢铁公司技术总承包的年产20万吨热镀锌板工程，采用新型自动化系统配置模式，从根本上改进和简化了自动化系统，目前张家港项目运行良好，济钢项目进展顺利。

2 系统配置原则和方式

冷带连续加工机组的过程控制系统一般按照工艺特点可以进行比较详细的分类，如焊机控制、锌锅控制、加热炉控制、辊涂控制、光整机控制等，但一般而言，冷带连续加工机组(镀锌机组、彩色涂层机组还是退火机组等)其通用的过程控制系统均为传动控制系统和与它关系密切的PLC系统再加上上位监控系统；20世纪80年代，宝钢2030冷轧厂08镀锌机组 (1850mm、年产30万吨)的自动化系统根据当时自动化技术水平按照工艺区段方式共配置5台西门子公司的S5-150K PLC和一台上位工业控制机300-R30，属当时国际先进水平，目前自动化技术与20世纪80年代相比，进步极大，沿袭2030冷轧厂带钢生产机组工艺分段配置自动化系统的传统模式已不适应目前的自动化技术水平，表1为S7-400系列PLC、S7-300系列PLC与S5-150K系列PLC的技术性能对比；以表1技术性能对比为依据，通过分析，济南钢铁公司20万吨镀锌机组集成的自动化系统我们采用一块S7-400主CPU：CPU416-2DP；张家港机组(年产15万吨)采用一块S7-300主CPU：S7-315-2DP，实践证明，我们的系统配置模式完全满足生产要求；可以有以下结论：目前国内大型钢铁企业年产在20万吨左右的冷带连续加工机组自动化系统，只需1台S7-400主CPU就可以满足生产要求，对于年产在15万吨以下的中小机组只需要一台S7-300主CPU：CPU315-2DP就完全可以满足生产要求，这无疑极大地简化了冷带加工机组的自动化系统，使广大用户从中受益。

采用新型方式配置冷带连续加工机组自动化系统的好处可以归纳如下：

(1) 充分发挥CPU技术性能，淘汰按照工艺区段分配PLC的老模式，从根本上简化自动化系统结构，降低设备投资。
(2) 充分采用现场通讯总线技术和远程I/O单元，从而大量节省输入/输出点和施工电缆，降低投资费用。
(3) 充分采用现代HMI技术，省却大量操作按钮、指示灯和显示仪表，从而tigao自动化生产的操作和管理水平，使操作更加人性化和简约化。

3 系统组成及功能

冷带连续加工机组自动化系统构成方式为：基础传动+PLC+上位监控；PLC(主CPU、远程I/O站)、HMI、传动系统之间通过PROFIBUS-DP网络进行信息交换，具体结构见图1。

3.1 上位机监控系统组成及功能

监控系统通过PROFIBUS-DP总线与PLC主CPU连接，接受和采集原料、生产过程、产品有关信息，实现生产管理人员-设备-原料-产品之间的信息交换，对机组的正常生产和产品进行自动化管理；通过网络，把工艺参数设定值和对电气设备的操作从人-机界面接口传送到PLC，把机组的状态、电气参数及故障由PLC收集送到人-机接口的CRT 显示器上；我院目前为济南钢铁公司技术总承包的20万吨热镀锌板工程上位监控系统采用WinCC组态技术对整个机组运行状态进行监控，系统配置见表2。

上位监控系统软件功能如下：

(1) 原料数据(板材宽度、厚度、钢卷编号等)，过程数据(机组各段张力、机组速度)，产品数据(钢卷卷号、卷重、卷径、焊缝位置等)的自动生成、存储和修改，将自动生成的配方工艺参数下载到PLC。
(2) 所有生产技术数据的汇总、存储、打印；
(3) 各主要工艺设备状态显示；(4)在人-机界面上或者在操作台上对上述生产技术数据进行人工干预；
(4) 加热炉的温度显示、运行状态监视、故障报警；

图2为采用WinCC软件组态的济钢20万吨热镀锌机组主画面。

3.2 PLC系统组成及功能

以济南20万吨热镀锌项目为例，PLC系统采用西门子公司S7-400系列PLC，主CPU采用S7-416-2DP，远程I/O采用ET200，由CPU、存储单元、电源模板、通讯模板、输入/输出模板、高速计数模板、中继器等组成，PLC与分布式I／O及传动系统采用Profibus-DP网。具体配置见表3。

PLC控制系统主要完成加工线工艺功能的控制，根据工艺需要完成区段速度设定、张力设定、活套控制、逻辑控制、监测和报警、与上位机进行通讯等控制功能；在三个操作台(入口操作台、工艺操作台、出口操作台)上分别设有模块化I/O单元，由通讯电缆汇总到PLC系统，为tigao系统可靠性，PLC与各自的远程I/O站之间的通讯、PLC与调速传动装置之间采用独立通讯网络，PLC把设定参数和控制指令传送到终端和各调速传动系统，并收集各调速传动系统的状态和电气参数送到人-机接口的CRT上显示。

4 PLC软件功能

冷带连续加工机组的PLC软件主要是焊缝跟踪任务，包括自动刹车、慢速定位和紧急刹车；焊缝跟踪任务是靠现场远程I/O站信号通过ProfiBUS-DP与S7-400主CPU通讯，依据编制好的过程控制软件完成，它的任务主要包括：

(1)根据带钢焊缝在机组的位置实现机组的自动刹车

a) 开卷机的自动甩尾刹车。
b) 入口活套/出口活套的自动刹车。
c) 卷取机的自动刹车。
d) 拉矫机的辊道自动开/闭。

(2) 根据焊缝位置实现机组的慢速定位

a) 入口上/下通道带头在焊机处的慢速定位。
b) 入口上/下通道在助卷器和夹送辊两种方式下的穿带。
c) 入口/出口侧剪刀处的带钢定位。
d) 焊缝的自动打孔。
e) 根据焊缝位置计算带长。

(3) 机组的紧急刹车

a) 传动设备故障的机组紧急刹车。
b) 断带故障的紧急刹车。

(4) 4个程序模块

上述所有工艺要求的控制功能其软件核心为4个程序模块，根据需要分别在自动刹车、慢速定位和紧急刹车过程中调用，它们是：

a) 状态控制模块MDCT01。
b) 张力调节模块TEAD01。
c) 定位模块POSI01。
d) 自动刹车模块AUBK01。

定位模块POSI01、自动刹车模块AUBK01的功能主要是接受来自现场状态控制点的状态，并且根据状态控制点状态去触发或者调用状态控制模块MDCT01和张力调节模块TEAD01的不同设定值程序,它们附属于张力调节模块和状态控制模块，主要是开关顺序连锁和通／断关系；状态控制模块MDCT01和张力调节模TEAD01的主要功能是速度-张力的设定，其具体内容见表4。

状态控制模块MDCT01和张力调节模块TEAD01按照机组工作状态的不同可以分为目标速度非“0”状态的生产请求和目标速度为“0”生产请求两种基本情况；

(5) 目标速度非“0”状态的生产请求，可以分为两种情况：

a) 初始速度为“0”，既生产线为停止状态，这种情况下，首先要进入张力准备阶段，根据工艺要求进行张力预选，接通张力，建立静态张力，其次是张力调节阶段，建立该运行区所有设备的工作张力，并且对张力的建立和调节进行确认和检查，在确认和检查无误的情况下，进入速度调节阶段，经过一定时间Δt(如出口段为4秒、工艺段为3秒、出口段为6秒)检查速度不为“0”，说明请求实现，具体张力-速度请求-确认曲线模型如图3所示。

b) 初始速度不为“0”，既生产线为正常生产状态，这种情况下，所有张力均已存在，各段张力均为正常生产值，此时，可以直接进行速度调节，具体张力-速度曲线模型如图4所示。

目标速度为“0”，这种请求是实现目标速度为“0”的状态，具体张力-速度曲线模型如图5所示。

由图4可以知道，当速度为“0”后大约0.7秒，取消工作张力，建立静态张力，若没有外部中断请求，那么在大约900s之后，系统自动取消静态张力，张力值“0”。

图6表示镀锌机组入口段软件功能框图，整个框图基本包括状态控制模块MDCT01、张力调节模块TEAD01、定位模块POSI01和自动刹车模块AUBK01。

冷带连续加工机组的PLC控制程序编制，应该注意以下情况：

a) 现场执行元件的可靠性直接关系到自动化系统的稳定运行，传动电机、抱闸和限位开关、光电检测在自动化系统中具有同样的重要性，机组的连续性生产和限位开关这样小的元件密切相关。
b) 冷带连续加工线自动化系统控制的主要设备是辊系设备，主要参数是张力-加速度-速度-位置这样四个力学参数，其控制过程属于刚性物料输送过程，其前后联系非常紧密，单体设备之间相关性极大，在控制精度上有一定要求，否则会出现断带、拉带、堆带或者机组振荡故障现象。
c) 冷带连续加工线自动化系统的硬件结构应合理采用远程I/O和总线通讯方式，软件结构上应该按照程序模块把所有开关量信号与张力-加速度-速度-位置参数有机地整合在一起，否则，机组静态张力、穿带张力、工作张力、入口/出口活套充/放套等工作状态很可能会出现意想不到的故障。

5 结束语

目前，由我院承担的我国国内所有冷带连续加工机组的自动化系统运行均非常稳定、可靠，这和我们多年吸收、借鉴我国花巨资从国外引进的同类机组自动化技术、不断跟踪自动化技术发展趋势是分不开的，我们的工作为我院和广大用户创造了良好的经济效益和社会效益