基于S7300 PLC的集成一体化烧结配料控制系统Word下载.docx

基于S7300 PLC的集成一体化烧结配料控制系统Word下载.docx

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一、系统描述

系统控制核心为一套西门子S7-300系列PLC，主控室IPC610安装IFIX4.0组态软件作为人机界面进行数据采集、设备控制、显示、参数设置工作，并通过GE公司的iWEBServer软件，将数据直接发布到厂内局域网，使网内用户通过IE浏览器进行浏览。

本系统不同于传统的传感器+变送器+PLC的系统结构，它是完全以PLC为控制核心的集成一体化系统结构，系统扩展容易，开放性、稳定性好，其技术核心是把流量变送器的全部功能集成在PLC程序的不同软件模块中，这样重量的积算、累计，设备的启停、联锁、逻辑控制，电子秤校验、修正配料系统配比、参数的修改等一系列工作全部是PLC系统内完成的，不存在积算仪和PLC系统的通讯，对于圆盘转速变化时电子秤流量数据的响应实时性，校零、校秤等PLC指令的响应实时性都大大提高。

该系统已经在焦化配煤、烧结配料、竖炉配料等系统成功安装多套，其中大部分工程都属于改造项目，均达到了用户满意的效果。

本系统的烧结配料主要包括15个料仓下的6个圆盘给料机、6台皮带秤、7台拖料秤、2个螺旋给料机和配-1胶带机、2台生石灰消化器、28台仓壁振动器电机。

其主要作用是将混匀料、燃料、熔剂、返矿和除尘灰按一定的配比下料，通过配-1胶带机混-1胶带机送往一次混合机混合。

圆盘转速、拖料秤小皮带转速、螺旋给料机转速均采用PID数字变频调速，通过实际瞬时流量值与设定的目标值比较，实现15个给料设备的闭环调节。

二、硬件结构

由于在设计时将控制分散到PLC的软件控制模块而将管理集中在工控上位机中，因此系统不仅保证了高可靠性的控制功能，而且又具有良好的用户界面和管理功能，在硬件设计中考虑了配料软件控制模块的可维护性，用户只需要较少的微机及控制理论知识、维护经验，就能及时方便地确保整个自动配煤系统连续可靠的运行。

从控制方案可见：

配料系统在上位机系统出现故障时，系统除打印报表功能和改变配比无法实现外，其它控制部分均能正常工作，对整个配料系统无影响。

本系统控制核心为1台CPU为6ES7315-2DP西门子PLC，系统中的所有设备的启、停、变频器控制、流量计算、重量累计、配料计算（包括水分和配比）、自动配料PID运算和输出都是由PLC独立完成的，重量传感器负责采集现场的原始信号，经隔离放大器变成4-20MA信号，模拟信号经模拟量输入模块进入PLC，PLC中的软件对信号进行处理，主要有滤波模块、线性化处理模块、流量积算模块、校零模块、校秤模块、参数数据存储模块、故障处理模块等，也就是说PLC的强大功能是由于强大的软件模块支持的，这些软件模块不同于西门子的系统模块，也不同于积算仪内的固化程序，对用户是完全透明的。

PLC有了软件模块的支持就取代了变送器仪表，而且从芯片级产品质量来说，PLC的硬件质量远远高于很多国产变送器仪表，PLC软件由于软件系统结构的原因其稳定性、可靠性是有目共睹的，所以取消积算仪表不但取消了一个可能出现故障的环节，PLC模拟量模块16位A/D转换精度也是很多积算仪表所不能比拟的，本系统解决方案具有以下特点：

★硬件产品的稳定性、可靠性大大提高

★软件系统采用模块化结构

★取消了一个可能出现故障的环节

★A/D转换精度大大提高

★取消了积算仪表和PLC或上位机之间的通讯

★上位机不承担关键的控制任务

★系统响应的实时性大大提高

★校秤、校零由PLC而不是仪表完成保证系统结构的完整

三、软件结构

配料控制系统以SIMATICStep7V5.4和Ifix4.0为软件开发平台，STEP7编程软件包主要完成S7-300、模块类型配置、物理地址配置、硬件组态配置、网络通信端口配置、OB、FB、FC编程等任务，Ifix4.0是当今优秀的HMI/SCADA软件,它将人机界面（HMI）系统、监控管理系统和数据库技术集成为一体，用于上位机软件开发。

1、人机接口技术

为了给生产管理人员有清晰、准确的操作指示和对错误操作加以屏蔽的功能。

监控管理计算机能分幅显示工艺流程动态模拟图，实现从总图到详图多层次监视。

利用iFix4.0可根据烧结配料生产工艺要求与控制内容，方便地制作配料工艺流程界面、配方管理界面、各工艺和控制参数监测界面、网络通信状态界面、各设备顺序控制界面、报警指示和记录界面、趋势图记录界面等功能模块，系统的各种控制参数、工艺参数及生成的数据库均可自动存储，实时查询，同时自动生成年、月、日报表供打印和预览。

2、面向对象的编程技术

采用SIMATICStep7+iFIX4.0组合，可大大地降低系统开发的成本，缩短项目实施的周期，它具有应用灵活、规模可伸缩、使用简便、功能强大等特点。

另外，在本项目中充分利用iFIX4.0系统全局数据库技术，在变量的操作、存取、修改和逻辑块直接调用方面都给编程过程带来了极大的方便，这种面向对象的编程技术特性在今后的功能扩充、方案更改、系统优化和维护方面都具有很大的实用性，是分布式SCADA系统及工厂基础自动化层次的理想选择。

3、模块化编程技术

所谓的模块化设计，简单地说就是程序的编写不是开始就逐条录入计算机语句和指令，而是首先用主程序、子程序、子过程等框架把软件的主要结构和流程描述出来，并定义和调试好各个框架之间的输入、输出链接关系。

从用户需求和系统要实现的任务功能出发，把大型的软件划分为相对较小的模块。

为了减少模块与模块之间的关联性，模块之间的逻辑结构相对独立，无函数的交叉调用，数据传递由全局变量完成，这就是模块化设计的基本思想。

模块化设计的核心是模块的独立性，主要包括功能独立性和结构独立性，这使得软件开发的分工易于实现。

软件测试是软件开发中的关键环节，基于模块化设计的软件测试模型简单，查错和纠错都易于实现。

PLC软件主要有以下软件功能模块：

★滤波模块（加权滤波和平均滤波）

★线性化处理模块

★流量积算模块

★校零模块

★校秤模块

★参数数据存储模块

★设备控制模块

★流量调节模块

★重量累计模块

★故障处理模块

★报警处理模块

四、系统功能

通过现场皮带秤上的荷重传感器取得重量信号，通过PLC的模拟量输入模块进入PLC转换为数字信号，然后经过和给定值的比较，进行PID运算，通过模拟量输出模块输出控制元盘转速，达到自动配料的目的。

为了达到料头、料尾对齐的效果，对所有小皮带和元盘给料机进行顺序启停，并完成皮带和元盘给料机的顺序启停和故障启停，在料仓亏料时自动报警及自动开振打。

1、设备控制功能

实现每个仓小皮带和圆盘之间联锁启、停和故障报警停机功能，实现各仓小皮带和圆盘启、停对配-1皮带之间的联锁，顺序控制系统主要实现每班配料的顺序开停与闭锁保护。

开车时采用逆料流启动。

在开车、停车和正常配料过程中，配料设备出现故障时的紧急停车，故障解除后经故障复位重载启动。

除了提供上述自动控制功能外还提供屏幕上CRT手动操作和现场操作箱上手动启、停。

2、画面显示功能

设计的画面包括配料主画面、控制画面、校秤画面、报警画面、报表、历史显示画面、配料画面。

画面能同时显示15台称量和给料装置的工艺流程图、工作状态、物料名称、瞬时流量、百分比、累计流量、皮带速度、圆盘转速以及自动配煤系统总设定值、配比、水分、总瞬时流量、总累计量。

可以通过工控机PC对S7-300PLC软件维护和内部参数设定、系统校称、零点修正以及对各回路运转参数的设定，显示器能显示出故障来历及处理措施。

历史画面中可显示前100天的各个重要参数，包括：

下料量、料批、水分、配比、设备状态等；

报表中，可查询任意一班、任意一天和任意一月的各种数据，包括：

各仓的累计量、料批、水分、配比、设备状态等。

故障报警界面对于自动配料中的一些重要的参数进行实时报警和自动生成故障记录表，并根据设备的故障性质，系统自动诊断并采取相应的处理。

趋势与统计界面实时显示主要变量的变化趋势并形成历史记录，供今后可以查找过去的过程数据记录，通过对各台给料机的历史趋势数据比较，进而可以为配比统计分析提供依据，从而进一步预测和提高烧结矿的质量。

3、自动校零功能

由于在生产过程中铁精粉比较潮湿，经常会有少量附着在小皮带上，从而引起零点变化影响配料精度，所以皮带具有自动清扫装置是必不可少的，同时操作简单的校零程序也是必须的，本系统中只需要在上位机点一下校零按钮，系统自动判断圆盘和小皮带状态，如果圆盘处于停止状态小皮带处于运行状态满足校零条件，系统延时10秒（清除小皮带上的余料）进入校零累计状态，如果不满足校零条件，系统弹出提示。

校零时间是由小皮带速度和小皮带长度决定的，它是小皮带长度的整数倍长度所需要的时间，时间到达后，自动计算并保存零点，无须操作员干预，校零工作结束。

4、自动校秤功能

在正常生产过程中，经常校秤也是保证配料精度的有效措施之一，校秤一般采用标准链码校验方式和实物校验方式，实物校验方式时可采用实际物料进行校验，也可采用模拟实物来进行校验。

如果现场具备实际物料校准条件尽量采用实际物料校验，如不具备该条件则采用模拟实物来校验。

在上位机点一下校秤开始按钮，系统自动判断圆盘和小皮带状态，如果圆盘处于停止状态小皮带处于运行状态满足校零条件，进入校秤累计状态，如果不满足校秤条件，系统弹出提示。

进入校秤累计状态后在小皮带上放标准链码或实际物料（模拟实物），随小皮带运行，全部链码或实际物料（模拟实物）离开小皮带后，系统显示物料累计量，在物料实际重量栏中填入真实重量，系统根据原系数、物料累计量和真实重量自动计算系数的修正值，操作员可以直接将系数写入PLC，也可以多校几次后再写入。

5、料批控制

料批控制采用重量配比方式，通过干料配料总量和配比的设定自动扣除水分，转换为湿料实际设定值，既可按工艺配料自动计算设定量，也可手工计算后逐个输入设定值。

自动配料是以电子胶带秤分别置于各台圆盘给料机下或皮带秤直接拖料，秤量出各台给料量，并将信号反馈给PLC，通过控制算法输出控制信号驱动变频调速器，实现对各圆盘给料机和拖料秤的闭环变频调速，从而达到自动配料的目的。

PLC对各皮带称流量信号进行加权平均和滤波处理后，根据重量值和小皮带速度进行流量积算，从而得到每个圆盘的小时流量，供PID运算模块和设定值比较，同时为跑盘方便，根据大皮带速度折算出每米大皮带的煤量。

PLC根据总配料量和各仓配比、水分自动计算湿料配料量作为设定点。

6、报表功能

对各种检测参数、每仓上料量、配料量变化、配比变化、水分变化、设备状态变化进行定时、随机打印；

自动生成班产、日产、月产等统计报表。

7、报警功能

报警采用声光报警，计算机上报警点闪烁，重要报警用PLC点驱动蜂鸣器输出，当发生以上报警时，显示器自动弹出具有报警对象、报警原因、处理方法、值班人等内容的对话框，值班人逐项进行确认。

主要报警类型有：

设备故障报警、变频故障报警、瞬时偏差过大时报警、仪表信号断线报警。

8、无扰动切换

在配料自动调节中，手、自动无扰动快速切换要求的是切换前后控制量或被控量平均值相等，这就必须先计算切换前控制量或被控量平均值，然后再切换，才能达到对工艺的影响最小，真正实现手、自动无扰动切换。

先在上位机跟踪计算出当时每分钟被控量平均值；

将此值作为自动初始时的给定值；

在自动向手动切换时，先在上位机跟踪计算出当时每分钟控制量平均值，将此值作为手动初始时的控制值。

PID控制可以在手动控制与自动控制之间无扰动切换。

9、自动修正各秤校零、校秤后的原设定值

根据校零、校秤前后零点变化量及精确度变化，自动计算出与原设定值对应的新设定值，确保新设定值与原设定值实物量相等，避免了因校零、校秤带来的附加误差，保持了生产的连续性。

10、历史追忆

超差、换仓、断、变、缓料自动记录及按时间查询，方便配料工序实时监督工艺。

五、硬件选择

1、控制器

采用西门子S7--300PLC，CPU采用6ES7315-2DP，之所以采用S7—300系列中的高档CPU，是因为6ES7315-2DP应用存储区和程序存储区都比较大，方便以后系统的软件和硬件的升级扩展，DP接口也是为将来系统扩容时提供ET200远程站接口，6ES7315-2DP的性能描述：

◇型号：

S7-300315-2DP

◇支持Profibus、TCP/IP及MPI等多种通信方式，应用程序可用梯形图、功能块、语句表、图形编辑等，常用STEP7进行程序设计；

◇数字量输入1024；

◇数字量输出1024；

◇模拟量输入256；

◇模拟量输出256；

◇定时器、计数器：

256；

◇I/O模块最多达32个；

◇通讯串口：

2个；

◇内存：

64K－8M字节MMC卡；

◇位、字操作时间：

0.1us，浮点运算0.5us；

◇先进自诊断功能使其在工作站即可检查I/O状态；

◇故障指示功能很方便的检查CPU状态；

2、传感器

电子皮带秤属于自动衡器，其准确度等级的表示方法和静态衡器不一样，根据国家标准GB/T7721-1995《电子皮带秤》电子皮带秤的准确度分为四个等级，表示符号为：

（0.25）、（0.5）、（1.0）、（2.0）。

称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。

用传感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。

本系统的传感器采用德国申克（SCHENCK）公司称重传感器，全部的不锈钢结构，密封等级达IP68。

这种称重传感器提供了最低的可能偏差。

由于独特的轴对称环转矩设计，侧面的力不会被测量，这是一个主要特点。

3、秤架

秤体框架采用折弯成型的箱形结构，刚度大，稳定性好。

称量框架，采用管形结构，平衡性能好、结构简单、刚度大，精度稳定。

具有多托辊结构的自动张紧及防跑偏装置，并设有皮带张紧标志，保证皮带张力恒定，有利于稳定精度。

传动辊和张紧辊采用外球面带座自动调心轴承，拆卸方便，适于在高温、高粉尘的恶劣环境下正常工作。

具有皮带内外清扫装置，并能自动跟踪，使皮带内外表面始终处于清洁状态。

具有卸料罩，避免在工作中粉尘飞扬，污染环境，也为现场安装提供了方便。

全包形挡料板结构，防止物料外溢，避免物料掉入皮带内造成设备故障。

更换皮带方便，只要拆除秤体一侧支座，即可在悬臂状态下方便地更换环形皮带。

4、变频器

根据本系统的负载特性选择恒转距变频器,西门子公司的MicroMaster420是全新一代模块化设计的多功能标准变频器。

它具有友好的用户界面，采用全新的IGBT技术，具有强大的通讯能力、精确的控制性能、和高可靠性。

主要特征：

200V-240V±

10%，单相/三相，交流，0.12kW-5.5kW；

380V-480V±

10%，三相，交流，0.37kW-11kW；

模块化结构设计，具有最多的灵活性；

标准参数访问结构，操作方便。

本系统组成的主要设备采用国际知名品牌的最新技术产品，这些设备经过长期的实践检验，证明质量可靠、性能稳定、维修保养简便、互换性好、易损件易购且价格较低、能耗低，因此受到用户的普遍认可，并且能大大降低运行成本。

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