西門子PLC實際應用

前言
   隨著計算機控制技術的迅速發(fā)展，以微機處理為核心的可編程序控制器（PLC）控制已逐步取代繼電器控制，普遍應用于各行各業(yè)的自動控制領域，礦山采礦運輸系統(tǒng)也不例外，吉林吉恩鎳業(yè)股份公司大嶺礦GKTD型提升機電控系統(tǒng)即為西門子PLC（S7-300）控制系統(tǒng)，整個控制系統(tǒng)自動化程度高，方便維護，運行可靠。

   礦井提升機是礦山井下采礦運輸系統(tǒng)中的關鍵設備，它承擔礦物的提升，人員的上下，材料和設備的運送。礦井提升機作為地面與井下物質(zhì)與人員流通的運輸工具，在操作安全性和提升控制性等 方面都有很高的要求。提升機的運行直接影響礦井生產(chǎn)，而且也與礦山職工的生命安危息息相關。

    原電控系統(tǒng)已運行多年，而且均采用繼電器連鎖，模擬分立電子元件控制，使檢修和維護的難度非常大，一旦出現(xiàn)問題無法立即監(jiān)測故障點，各種分立電子元件容易老化，監(jiān)測和更換難度比較大。組合件都是在觸點開關狀態(tài)下工作，由于頻繁動作，造成觸點接觸不良及器件的使用壽命減少，且噪聲較大。

    為了便于對提升機運行的準確操作，方便物質(zhì)與人員上 下，防止 沖罐、墜罐等惡性事故的發(fā)生，控制提升機任一時刻在井中的位置與運行速度，減少系統(tǒng)的故障率,提高系統(tǒng)的可維護性.我公司根據(jù)根據(jù)實際運行和維護的要求，在細致研究原電控系統(tǒng)的基礎上，結合國內(nèi)外提升機的運行及改造情況，對原有的電控系統(tǒng)提出了以下改造方案。

1  方案介紹

    ⑴采用模塊組合式設計思想，結構緊湊，方便、靈活、占地小，易于系統(tǒng)的維護與功能的擴展。

    ⑵整機采用西門子PLC（S7-300）控制，采用內(nèi)部繼電器代替外部中間繼電器和時間繼電器,大大提高了系統(tǒng)的可靠性,減小系統(tǒng)的故障率.實現(xiàn)了系統(tǒng)的程序化運作和故障自診處理。運行穩(wěn)定，安全可靠。

    ⑶對于主電路過電壓過電流保護環(huán)節(jié)，保留原有的電流繼電器，主脫扣空氣開關，和逆功率繼電器。并且把節(jié)點送入PLC處理。

    ⑷在保留原來測速發(fā)電機做為測速反饋的基礎上，增加高精度編碼器實現(xiàn)提升機的位置和速度、方向監(jiān)測，運用軟件編程，實現(xiàn)提升機的限位保護、等過速度保護、低速，亞同步速，爬行等進行靈活的處理。及時發(fā)出預報警信號，故障緊急處理等。

    ⑸按照以電流為主時間為副的控制思想，自動調(diào)整切除電阻的時間，保障提升機的平穩(wěn)啟動，而與提升負載無關，同時實現(xiàn)啟動保護，運行保護。同時時間繼電器全部由PLC內(nèi)部繼電器,不需要進行整定,需要的時候可以進行手動修改.

    ⑹對可調(diào)閘環(huán)節(jié)，稍作改進，保持原有的操作方式，對其控制部分進行重新設計，以接入整個系統(tǒng)實現(xiàn)控制和監(jiān)測。CPU進行數(shù)據(jù)的控制處理后通過模擬量的輸出來控制模塊化的可調(diào)電源，用其對可調(diào)閘線圈進行控制。增加了系統(tǒng)的準確性，可靠性。

    ⑺對于可控硅動力制動環(huán)節(jié)，采用先進的數(shù)字觸發(fā)電路，對其觸發(fā)電路進行改造。其控制也采用CPU進行統(tǒng)一的控制和處理。保留原有的控制方式，增加一個電壓反饋板，以進行更加和可靠的控制。

    ⑻二次制動由自動進行調(diào)節(jié)，但手動可以調(diào)節(jié)二次制動的力度和時間。停電和過卷時，通過程序來實現(xiàn)故障保護，實現(xiàn)連鎖。

    ⑼自整角機部分:除保留用于深度指示的一對感應自整角機,用于帶動操作臺上的園盤指示器.手閘自整角機,腳踏動力制動自整角機,減速段速度給定自整角機均換為軸角轉換器。取消的原來磁放大器，采用軸角變換器把角度信號轉成標準信號，實現(xiàn)1/5000的轉換精度，接入CPU進行統(tǒng)一處理。

    ⑽控制系統(tǒng)的主要電器元件均采用進口元件，大大降低了設備的故障率。

    ⑾對系統(tǒng)信號進行全面檢測，具有提升機運行狀況的實時顯示和各種保護指示，便于司機快速做出反應，也便于檢修和維護。

    ⑿可由計算機來設定和監(jiān)視提升機的運行情況，修改參數(shù)和進行故障排除等。

2  控制系統(tǒng)簡介

    計算機技術和網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，為工業(yè)自動化開辟了廣闊的發(fā)展空間，本控制系統(tǒng)采用模塊化設計，結構緊湊，采用柜內(nèi)集中安裝，各功能模塊之間通過并行背板總線相連，將控制系統(tǒng)分成獨立而又相互的子系統(tǒng)，以適合I/O分散安裝的控制程序。

    CPU均采用IEC1131-3或STEP7編程語言，STEP 7是專為SIMATIC可編程序控制器配置和編程的標準軟件包,它是SIMATIC公司工業(yè)控制軟件的一部分.我們要用的是關于STEP 7 SIMATIC S7-300/S7-400, SIMATIC M7-300 /M7-400,符合EN61131-3或IEC1131-3標準.

    它具有以下功能:
    ⑴ 完成各種工業(yè)控制，建立和管理項目
    ⑵對硬件和通訊作組態(tài)和參數(shù)賦值
    ⑶管理符號及創(chuàng)建程序，向可編程序控制器下載程序，上傳數(shù)據(jù)
    ⑷ 診斷設備故障
    ⑸測試自動控制系統(tǒng)
    ⑹功能強大的軟件處理指令
    ⑺具有強大的網(wǎng)絡功能

    軸角變送器采用自整角機或旋轉變壓器作檢測元件，運用檢測技術，將旋轉物體轉過的角度經(jīng)微處理器進行處理后換算成角位移或直線位移輸出。 取消了傳統(tǒng)的SD變換，提高了轉換精度。 該模塊同傳感器組合相當于8～16位的編碼器測量精度，其性價比遠高于編碼器測量方式，是工業(yè)現(xiàn)場zui為理想的角位測量模塊。

    高精度編碼器選用E6C2-A, 其精度能達到1024或更高，耐沖擊性能達到1000M/S2,具有*的耐用性，且采用密封軸承，達到IP64防護標準，可以在惡劣的環(huán)境下使用。運用軟件編程,實現(xiàn)提升機的位置和速度、方向監(jiān)測，，實現(xiàn)提升機的限位保護、加速度保護、位置檢測，及時發(fā)出預報警信號。

3 系統(tǒng)結構圖

4 系統(tǒng)的主要性能指標

    由于自動化程度的提高，極大地增加了設備運行效率，可為企業(yè)的高產(chǎn)、連續(xù)生產(chǎn)創(chuàng)造良好條件。廣泛吸取了當今同類先進技術，將模擬機用于控制、檢測、保護、信號等任務的硬件設備的功能由計算機軟件來實現(xiàn)，極大地簡化了系統(tǒng)硬件結構。經(jīng)改造后整個系統(tǒng)的性能指標能達到以下要求：

    ⑴系統(tǒng)的可用性
系統(tǒng)的設計充分考慮了在整個工程環(huán)境中的不同因素，以保證在現(xiàn)場安裝調(diào)試后立即適用并進入穩(wěn)定可靠運行。

    ⑵系統(tǒng)的可維護性
    系統(tǒng)的硬件、軟件設備便于維護，各部件都具有自檢和聯(lián)機診斷校驗的能力。軟件有備份，便于工程師維護，應用程序易于擴充，便于用戶自行編制的程序加入系統(tǒng)中運行。

    ⑶系統(tǒng)的可靠性
系統(tǒng)在工程現(xiàn)場運行具有很高的可靠性，其平均*時間MTBF≥30000小時。除了符合要求的保護和閉鎖功能外，還增加了軟件的保護功能。

    ⑷系統(tǒng)的容錯能力
    軟、硬件設備具有良好的容錯能力，當各軟、硬件功能與數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的通訊出錯，以及當司機或運行人員在操作過程中發(fā)生一般性錯誤時，均不影響系統(tǒng)的正常運。行。對意外情況引起的故障，系統(tǒng)具備恢復能力。

    ⑸系統(tǒng)的安全性
    正常情況下，硬件和軟件設備的運行均不會危及現(xiàn)場設備的安全穩(wěn)定運行和工作人員的安全。保障對設備和工作人員的安全。

    ⑹系統(tǒng)的抗電磁干擾能力
    系統(tǒng)具有足夠的抗電磁干擾能力，加入軟件濾波，符合IEC標準，確保在各種環(huán)境中的穩(wěn)定運行。

5結束語

    該控制系統(tǒng)于2003年年底正式投入運行，系統(tǒng)年可用率大于99.9%。該設備具有運算速度快、控制精度高、誤差小、穩(wěn)定性好、功耗低、系統(tǒng)功能易于調(diào)整、參數(shù)設置簡單等優(yōu)點。

核心提示： 西門子冶金技術部開發(fā)了一種能夠從電弧爐的高溫廢氣中回收熱能的系統(tǒng)。以前那些排入環(huán)境中而未得到利用的熱能如今將被用來產(chǎn)生蒸汽。這些蒸汽既可以在鋼廠的其他工藝中得到有效使用，也可以用于發(fā)電。系統(tǒng)具有模塊化結構，可以根據(jù)需要回收的熱能數(shù)量確定規(guī)格，并可以集成到現(xiàn)有的廢氣冷卻系統(tǒng)中。

蒸汽可以直接使用或用于發(fā)電
降低蒸汽成本并減少礦物燃料消耗
模塊化結構便于對現(xiàn)有設備進行改造
西門子plc冶金技術部開發(fā)了一種能夠從電弧爐的高溫廢氣中回收熱能的系統(tǒng)。以前那些排入環(huán)境中而未得到利用的熱能如今將被用來產(chǎn)生蒸汽。這些蒸汽既可以在鋼廠的其他工藝中得到有效使用，也可以用于發(fā)電。系統(tǒng)具有模塊化結構，可以根據(jù)需要回收的熱能數(shù)量確定規(guī)格，并可以集成到現(xiàn)有的廢氣冷卻系統(tǒng)中。為了zui大限度增加蒸汽產(chǎn)生量，可以用該系統(tǒng)*取代電爐煉鋼廠的普通廢氣冷卻系統(tǒng)。噸鋼能量需求可以減少22.5千瓦時，這已在土耳其一家鋼廠得到證實。如果將產(chǎn)生的蒸汽用于鋼廠內(nèi)部電站給水的預熱，則節(jié)煤潛力可能達到每年45,000噸。
為了降低運行成本和滿足環(huán)保要求，越來越多的電爐鋼廠正在努力提高自己的能源效率。盡管基于廢鋼回收的電爐鋼生產(chǎn)路線的單位能量需求遠低于基于鐵礦石的生產(chǎn)路線，但仍然是一種耗能型工藝。根據(jù)操作方式的不同，電弧爐使用的能量有多達三分之一損失在廢氣中。廢氣的顯熱通常經(jīng)由水和空氣冷卻系統(tǒng)排入環(huán)境中，而沒有得到利用。
廢氣的溫度往往高達1,800°C。為了讓這部分數(shù)量可觀的熱能得到利用，西門子開發(fā)了一種蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，能夠集成到現(xiàn)有的電弧爐廢氣冷卻系統(tǒng)中，或者可以將其*取代。該系統(tǒng)的組成包括一臺鍋爐（含汽包）、管路、水箱、鍋爐給水泵組以及配套的傳感器。一組給水泵向鍋爐供水，并且保證必要的壓力。為了提高回收性能，系統(tǒng)可以采用一種稱之為“節(jié)約器”的給水預熱裝置。在向鍋爐汽包給水之前，這種節(jié)約器能夠將水加熱到接近沸點。
為了盡可能地從電弧爐廢氣中提取熱能，西門子新開發(fā)的系統(tǒng)設計了許多不同的輻射和對流傳熱面。水在循環(huán)泵組的作用下通過配水管流到受熱面，供水量取決于管路的不同幾何形狀和相應部分的熱負荷。相應調(diào)節(jié)的循環(huán)率保證了鍋爐系統(tǒng)運行的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。在每次循環(huán)中，汽包和傳熱面之間都有一定量的鍋爐水蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽泡隨后在汽包內(nèi)與水分離。由于冶煉工藝并不穩(wěn)定，可以考慮安裝一個蒸汽緩沖罐，以平衡蒸汽的發(fā)生。
西門子plc熱回收系統(tǒng)專門針對鋼廠的惡劣條件而設計。廢氣中含有大量的灰塵和腐蝕性成分，廢氣的溫度和流量不斷變化，這些問題都必須加以解決。另外，系統(tǒng)還配備了必要的安全裝置，以滿足《壓力設備指令》的要求。系統(tǒng)的模塊化結構能夠根據(jù)不同鋼廠的具體需要進行調(diào)整，因而便于對現(xiàn)有系統(tǒng)進行改造。用戶可以選擇直接以蒸汽形式使用回收的能量，或者將其供給蒸汽渦輪機用于發(fā)電。
在一家土耳其鋼廠中，西門子在一座出鋼量為190噸的電弧爐上安裝廢氣能量回收系統(tǒng)，并對效果進行了分析。研究的系統(tǒng)方案是在鋼廠的自有燃煤電站利用回收的熱能對給水進行預熱。連續(xù)產(chǎn)生的50巴（絕壓）高壓蒸汽能夠使該電站每年節(jié)省用煤大約45,000噸。如果將蒸汽直接用于發(fā)電，則電力輸出能夠達到5兆瓦。這相當于每噸鋼水的單位能量需求減少22.5千瓦時。西門子plc

· 1引言

裝配線上共計20余個工位，包括7個普通轉臺、2個維修轉臺、4個無滾輪舉升臺、7個單向滾輪舉升臺以及2個翻轉機。

整個被控對象包括22個工位,每個工位上包含必需的轉移電機或舉升電機,此外還有32個生產(chǎn)線傳輸電機。每個工位均由一個ET200S和一個ET200eco從站組成,用于該工位的I/O點數(shù)據(jù)采集和發(fā)送以及分散控制。

2系統(tǒng)結構及功能

系統(tǒng)包括操作員站、工程師站、自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡和現(xiàn)場I/O站等幾個部分。

系統(tǒng)各部分功能:

操作員站:提供全漢化人機界面，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的監(jiān)控操作功能(操作、顯示、報表、報警、趨勢)，并且可以在人機界面上直接查看對應的step7源程序。

工程師站:用于系統(tǒng)的組態(tài)和維護。

自動化系統(tǒng):使用SIMATIC控制器完成回路調(diào)節(jié)和邏輯運算。

現(xiàn)場I/O站:使用現(xiàn)場總線技術，在設備現(xiàn)場直接采集現(xiàn)場儀表的信號,控制現(xiàn)場的執(zhí)行機構。

現(xiàn)場總線ProfiBus:用于連接控制單元與操作員站以及管理網(wǎng)絡。

本系統(tǒng)采用PLC300CPU和CP342-5、CP343-1的接口模塊相連構成系統(tǒng)的主站。CP342-5是用于連接S7-300和profibus-DP的主/從站接口模塊，CP343-1是用于連接S7-300和工業(yè)以太網(wǎng)的接口模塊。在該控制系統(tǒng)中，除了上述主站外，從站是由22個ET200S和22個ET200eco組成，分別分布在兩條profibus網(wǎng)絡上。CPU上自帶的profibus-DP接口構成profibusⅠ線，CP342-5接口模塊構成profibusⅡ線。

系統(tǒng)中ET200S從站上采用的IM151-1接口模塊有兩種:基本型和標準型，基本型的接口模塊所能掛接的電源管理西門子模塊和I/O模塊個數(shù)范圍為2~12個，標準型的接口模塊其范圍為2~63個。所以當從站I/O模塊較多時，宜選用標準型的接口模塊。接口模塊上帶有profibus地址設定撥碼開關。

系統(tǒng)中ET200eco從站中選用了8DI和16DI兩種模板，模板結構緊湊，模板的供電采用7/8’電源線，模板的通訊采用M12通訊接頭。接線靈活而快速，方便拔插。其接口模塊上帶有2個旋轉式編碼開關用于profibus地址分配。

網(wǎng)絡設備按照適應工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的程度，以及生產(chǎn)線的布局來考慮選用不同防護等級。控制箱中的模塊采用防護等級為20的ET200SI/O模塊，對應每個控制箱的還有一個防護等級為67的ET200eco模塊，置于生產(chǎn)線滾輪下方，由于該模塊需要接觸到現(xiàn)場較為惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，因此需要有防水防油防塵等功能西門子plc

3目標控制系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)設計

汽車發(fā)動機裝配線是一個對發(fā)動機順序裝配的流水線工藝過程。由于工藝的繁瑣性，工程的計算機控制系統(tǒng)考慮采用分散控制和集中管理的分布式控制模式，采用以PLC為核心構成的計算機控制系統(tǒng)，各獨立工位控制系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息、資源共享。該裝配線在整個生產(chǎn)過程中較為關鍵，由于每個工位之間是流水線生產(chǎn)，因此每個環(huán)節(jié)的控制都必須具備高可靠性和一定的靈敏度，才能保證生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。從站中的每個ET200S站和其對應的ET200eco站共同構成一個工位,ET200eco主要是采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)之用。ET200S站的模塊置于小型控制箱內(nèi),對于工位的基本操作有兩種方式，就地控制箱手動方式和就地自動方式。由于每個控制工位的操作進度不一致，操作工可以按照裝配要求進行手自動切換。特殊情況下亦可通過手動操作進行工件位置的修正安裝在各工位的分布式I/O模塊ET200S和ET200eco通過現(xiàn)場檢測元件和傳感器將系統(tǒng)主要的監(jiān)控參數(shù)(主要是開關量)采集進來，ET200S和ET200eco將現(xiàn)場模擬量信號轉換為高精度的數(shù)據(jù)量，通過zui高速度可達12M的Profibus-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡將采集數(shù)據(jù)上傳到中央控制器，控制器根據(jù)具體工藝要求進行處理，再通過Profibus-DP網(wǎng)絡將控制輸出下傳給ET200S，實現(xiàn)各工位的控制流程。PROFIBUS是應用zui廣泛的過程現(xiàn)場總線系統(tǒng)。西門子plcPROFIBUS有三種類型:FMS、DP和PA。PROFIBUS-FMS可用于通用自動化;PROFIBUS-DP用于制造業(yè)自動化;PROFIBUS-PA用于過程自動化。使用PROFIBUS過程現(xiàn)場總線技術可以使硬件、工程設計、安裝調(diào)試和維修費用節(jié)省40%以上。PROFIBUS-DP的技術性能使它可以應用于工業(yè)自動化的一切領域，包括冶金、化工、環(huán)保、輕工、制藥等領域。除了安裝簡單外，它有*的傳輸速率，可達12Mbits/s，通訊距離可達到1000米，如果加入中繼器可以將通訊距離延長到數(shù)十公里，具有多種網(wǎng)絡拓撲結構(總線型、星型、環(huán)型)可供選擇。在一個網(wǎng)段上zui多可連接Profibus-DP從站即ET200S或是ET200eco32個。