基于WinAC的橡膠連續(xù)硫化機(jī)組的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：
本文詳細(xì)介紹了采用SIMENS公司S7－300型PLC、分布式遠(yuǎn)程I/O控制器ET200M以及WinAC實(shí)現(xiàn)連續(xù)硫化機(jī)組控制的詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)施方案，并針對系統(tǒng)的特點(diǎn)，對溫度控制策略、系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)、WinAC軟件設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了闡述。
關(guān)鍵詞：
PLC 遠(yuǎn)程I/O WinAC

1 設(shè)計(jì)背景
橡套電線電纜是我國煤炭、礦產(chǎn)、鐵路、海底通信等傳輸?shù)闹鞲删€，其生產(chǎn)工藝極其復(fù)雜，最為關(guān)鍵的一個(gè)工藝便是將混煉好的生橡膠擠制在電線電纜上，作為電線電纜的絕緣或外護(hù)套（俗稱擠橡工藝）。這一工藝需要在一定的溫度和壓力下，經(jīng)過一定的時(shí)間硫化，因此，在這一工藝中溫度、壓力、時(shí)間這三個(gè)工藝參數(shù)需要根據(jù)工藝特性實(shí)時(shí)控制。以往，電線電纜生產(chǎn)廠家擋車師傅們主要根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)加以控制，硫化效果往往欠佳，導(dǎo)致電線電纜存在欠硫或過硫等質(zhì)量問題，極大影響了其使用壽命。為了提高其工藝執(zhí)行率，我們采用SIEMENS公司的S7-300型PLC、分布式測控模塊ET－200M以及基于PC的測控系統(tǒng)WinAC為山東韓譽(yù)電線電纜股份公司（中韓合資）根據(jù)該電線電纜生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，對整個(gè)硫化過程實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控，對各段的溫度、鹽浴壓力進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，使生產(chǎn)的電線電纜的合格率大幅上升，并實(shí)現(xiàn)了少人值守、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大幅度下降，深受工廠喜愛，該套系統(tǒng)后又在山西某電纜廠投入運(yùn)行，效果較好。本文主要從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、溫控策略、系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)等方面對橡套電纜擠橡工藝溫控系統(tǒng)闡述。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
系統(tǒng)采用德國西門子S7-300 PLC可編程控制器、分布式I/OET200M和工控機(jī)（裝載WinAC和PROFIBUS－DP適配卡CP5611）構(gòu)成DCS系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見1所示。PROFIBUS－DP 作為設(shè)備控制層網(wǎng)絡(luò)平臺；WinCC、MPI網(wǎng)作為監(jiān)控層的人機(jī)接口及系統(tǒng)維護(hù)（網(wǎng)絡(luò)編程、人機(jī)接口備用站）平臺；以太網(wǎng)作為數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)及設(shè)備管理層的網(wǎng)絡(luò)平臺。
其中四臺S7-300PLC可編程控制器作為下位來實(shí)現(xiàn)所有信號的采集、運(yùn)算、調(diào)節(jié)，分別為：溫度控制、牽引控制、壓力控制以及輔助控制現(xiàn)地單元，S7－300的特點(diǎn)是：模塊化、無排風(fēng)結(jié)構(gòu)、易于實(shí)現(xiàn)分布、運(yùn)行可靠、性價(jià)比高。工控機(jī)主要安裝WinAC適配器以及機(jī)組狀態(tài)監(jiān)視、工藝數(shù)據(jù)存取、機(jī)組系統(tǒng)控制、與車間級的工藝控制服務(wù)器和生產(chǎn)計(jì)劃服務(wù)器相連，以便與廠級的MIS系統(tǒng)無縫連接。其中CP5611卡為 S7－300型PLC與工控機(jī)的通訊接口卡。同時(shí)，為便于與車間級以及廠級的MIS系統(tǒng)相連，在WinAC控制器（工業(yè)控制計(jì)算機(jī)）內(nèi)安裝了D－LINK的網(wǎng)卡，通過Ethernet與車間級的工藝控制服務(wù)器、生產(chǎn)計(jì)劃服務(wù)器以及車間服務(wù)器相連。
在生產(chǎn)線上，需要控制的參數(shù)與量為：
· 牽引電機(jī)：包括牽引前電機(jī)、牽引后電機(jī)、張力控制電機(jī)以及六臺熔巖電機(jī)泵。其中牽引前電機(jī)、牽引后電機(jī)、張力控制電機(jī)由牽引控制PLC的D/A模塊為MicroMaster420變頻器提供模擬輸入信號，然后由變頻器控制三相異步電機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)由繼電器輸入/輸出模塊控制各臺電機(jī)的起與停。
· 溫度控制：電纜連續(xù)鹽浴硫化機(jī)組共要監(jiān)測32點(diǎn)溫度信號，同時(shí)還要控制10臺工業(yè)電爐為無機(jī)物加溫并使之熔化。硫化管上安裝由熱電偶以及溫度變送器，將1800～2200℃的溫度信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的0～10V信號，備PLC的AI模塊采集，同時(shí)利用繼電器輸出啟動(dòng)無觸點(diǎn)功率模塊開關(guān)，使電爐通電升溫，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測熔鹽溫度，構(gòu)成一溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中電爐的電流采用PID控制方法。
· 壓力控制：橡膠經(jīng)過橡膠擠出機(jī)組機(jī)制在電纜上后，經(jīng)過牽引前電機(jī)、后電機(jī)以及張力控制電機(jī)的配合，進(jìn)入熔巖硫化管內(nèi)，硫化管內(nèi)的熔巖的多寡決定了其壓力的大小。管壁上安裝了20各壓力傳感器和變送器，其輸出信號供壓力控制PLC的AI模塊采集。
· 在連續(xù)硫化機(jī)組中，還有許多的數(shù)字計(jì)量表和電氣開關(guān)狀態(tài)需要實(shí)時(shí)采集和控制，因此，這些量的采集與控制由輔助控制PLC完成。
· 電控柜中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測單元信號、柜內(nèi)溫度信號（防止個(gè)別繼電器短路而引起著火）、濕度信號、煙霧度等信號，因此采用SIEMENS的新型分布式I/O產(chǎn)品ET－200M作為機(jī)柜現(xiàn)地監(jiān)控單元。
四個(gè)現(xiàn)地控制單元的基本配置與模塊為：
· 電源模塊：PS307－lK，120／230VAC， 24VDC／10A；
· CPU318—2：512K字節(jié)I／0可擴(kuò)展至l024點(diǎn)?？稍O(shè)定第2個(gè)Profibus—DP接口。它完成運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)測，實(shí)時(shí)進(jìn)行邏輯判斷，CPU318有4種操作選擇：RUN—P、RUN、STOP和MRES運(yùn)行方式；
· 模擬量輸入模塊：SM331(8路輸入)。它把溫度、壓力變送器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)字信號送到PLC的控制單元，供PLC做出狀態(tài)參數(shù)的邏輯判斷；
· 數(shù)字量輸入模塊：SM321。16路輸入2個(gè)，32路輸入1個(gè)，完成電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和PLC電機(jī)分批自啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行、調(diào)試狀態(tài)監(jiān)側(cè)，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號通過電機(jī)操作回路中的接觸器輔助接點(diǎn)接至該模塊；
· 數(shù)字量輸出模塊：SM322(輸出8路)。接受PLC控制單元的指令，完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號輸出，通過出口中間繼電器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)操作回路，完成電機(jī)分批自啟動(dòng)；
· 模擬量輸出模塊：SM332（AO 2 x 12 位），主要給變頻器提供0～10V控制信號，實(shí)時(shí)控制三相異步電機(jī)的運(yùn)行。
· 分布式IO使用ET200M，包括以下部件： 電源PS307，Profibus模塊ET200M，數(shù)字量輸入，數(shù)字量輸出，模擬量輸入。
PLC采用了四個(gè)框架，在RTU信號柜內(nèi)有三個(gè)，其中一個(gè)為備用擴(kuò)展框架；另一個(gè)在操作臺內(nèi)，通過IM361擴(kuò)展連接，這樣簡化了接線，大大地提高可靠性。

3 系統(tǒng)實(shí)施策略
3.1 溫度控制策略


電纜橡膠硫化的溫度、壓力由有機(jī)物熔化并作載體實(shí)現(xiàn)，而熔鹽的熔化由工業(yè)電爐控制，實(shí)時(shí)控制工業(yè)電路的電流也就實(shí)現(xiàn)了溫度的實(shí)時(shí)控制。溫控采用PID調(diào)節(jié)時(shí)，在進(jìn)行PID調(diào)節(jié)時(shí)，比例調(diào)節(jié)反映系統(tǒng)偏差的大小，只要有偏差存在，比例調(diào)節(jié)就會(huì)產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。微分調(diào)節(jié)根據(jù)偏差的變化趨勢來產(chǎn)生控制作用，它可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。積分調(diào)節(jié)根據(jù)偏差積分的變化來產(chǎn)生控制作用，對系統(tǒng)的控制有滯后的作用，可以消除靜態(tài)誤差。增大積分時(shí)間常數(shù)可提高靜態(tài)精度，但積分作用太強(qiáng)，特別是在系統(tǒng)偏差較大時(shí)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)量較大，甚至引起振蕩。因此，本系統(tǒng)中，我們采用如下溫控策略，組成智能控制系統(tǒng)
· 實(shí)際溫度低于Ｔ1時(shí)，為加快響應(yīng)速度，全功率加熱。
· 實(shí)際溫度位于[Ｔ1～Ｔ2]范圍內(nèi)時(shí)，為避免積分飽和，分離積分項(xiàng)，采用ＰＤ控制。
· 實(shí)際溫度位于[Ｔ2～Ｔ3]范圍內(nèi)時(shí)，采用PID控制。
· 實(shí)際溫度位于[Ｔ3～Ｔ4]范圍內(nèi)時(shí)，采用自適應(yīng)PID控制。
· 當(dāng)實(shí)測溫度Ｔ>Ｔ0+ξ且在采樣周期中，溫度持續(xù)上升，則繼電器斷開
· 在采樣周期中，溫度持續(xù)下降，則繼電器接通，其它情況實(shí)行PID控制。(死區(qū)閥值ξ本系統(tǒng)取為1℃)。這種控制方法不僅考慮了實(shí)測溫度和設(shè)定溫度的偏差，而且考慮了實(shí)測溫度的變化趨勢，可減少超調(diào)和波動(dòng)，具有自適應(yīng)的效果。
· 實(shí)測溫度大于Ｔ4時(shí)，接通風(fēng)扇電源，強(qiáng)制制冷。Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3的選擇為：
Ｔ1=Ｔ0×87％，Ｔ2=Ｔ0×95%，Ｔ3=Ｔ0－20℃，Ｔ4=Ｔ0＋20℃。(Ｔ0：設(shè)定溫度)
3.2 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)
3.2.1 PLC輸出端的可靠性措施
PLC輸出模塊內(nèi)的小型繼電器的觸點(diǎn)很小，斷弧能力很差，不能直接用于廠級AC220V～380V電路中，必須用PLC驅(qū)動(dòng)外部繼電器，用外部繼電器的觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)DC220v的負(fù)載。同時(shí)較多的AC220V～380V電磁閥內(nèi)部有與其線圈串聯(lián)的限位開關(guān)常閉觸點(diǎn)，電磁閥線圈通電，閥芯動(dòng)作后，是用閥內(nèi)部的觸點(diǎn)來斷開電路的。在這種情況下，要選用觸點(diǎn)較小的小型繼電器來轉(zhuǎn)接PLC的輸出信號。
3.2.2 安裝與布線的注意事項(xiàng)
由于本系統(tǒng)PROFIBUS－DP要完成所有數(shù)據(jù)通信，因此對通信電纜要求可靠性高應(yīng)選用SIEMENS推薦并提供的專用電纜。
由于本系統(tǒng)中用到了大功率可控硅裝置，PLC應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源。PLC不能與高壓電器安裝在同一個(gè)開關(guān)柜內(nèi)，在柜內(nèi)PLC應(yīng)遠(yuǎn)離動(dòng)力線(二者之間的距離應(yīng)大于200mm)。與PLC裝在同一個(gè)開關(guān)柜內(nèi)的電感性元件，如繼電器、接觸器的線圈，應(yīng)并聯(lián)RC消弧電路。PLC的I/O線與大功率線應(yīng)分開走線，如必須要在同一線槽中布線，信號線應(yīng)使用屏蔽電纜。交流線與直流線應(yīng)分別使用不同的電纜，開關(guān)量、模擬量I/O線應(yīng)分開敷設(shè)，后者應(yīng)采用屏蔽線。不同類型的線應(yīng)分別裝入不同的電纜管或電纜槽中，并使其有盡可能大的空間距離。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
測控軟件是本系統(tǒng)的關(guān)鍵核心所在，同時(shí)也是難點(diǎn)。包括上位機(jī)測量軟件及PLC 控制軟件2 大塊，測量軟件主要由人機(jī)界面程序模塊、數(shù)字信號處理程序模塊、數(shù)據(jù)庫程序模塊等組成，均采用Visual C＋＋編程，在控制過程中，主程序可隨時(shí)通過DAO 利用SQL 查詢語句讀寫數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)。在生產(chǎn)結(jié)束之后，可以進(jìn)行工藝闡述數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)操作，可以任意選擇統(tǒng)計(jì)開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，計(jì)算機(jī)自動(dòng)對該時(shí)間段的所有測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。并可以用條狀圖或者餅狀圖的形式直觀的顯示出來，相關(guān)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行備份、刪除、導(dǎo)出、打印報(bào)表等操作，以利于廠家了解產(chǎn)品質(zhì)量狀況并采取有效措施改進(jìn)生產(chǎn)工藝。
在上位機(jī)上，以WinCC 為人機(jī)接口的WinAC 系統(tǒng)，通過WinCC將時(shí)間取樣數(shù)據(jù)和事件記錄在數(shù)據(jù)庫,可通過趨勢曲線的形式反映溫度、壓力的歷史記錄。它具備完善的監(jiān)控功能。包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、檢測與執(zhí)行器件工作狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)、過程參數(shù)、故障診斷及定位、各類報(bào)警信息、設(shè)備/器件狀態(tài)信息等等。同時(shí)配置SQL Server 2000 數(shù)據(jù)庫服務(wù)系統(tǒng)，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)存貯、處理、分析及服務(wù)中心。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器向上連接生產(chǎn)管理部門（如工藝部、生產(chǎn)部），向下連接各個(gè)WinAC 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)任務(wù)、工藝指標(biāo)的下發(fā)調(diào)度及實(shí)際過程參數(shù)的采集、歸檔，并最終生產(chǎn)出生產(chǎn)報(bào)表和質(zhì)量分析報(bào)表，為車間、生產(chǎn)管理部門及決策部門提