基于WinAC的橡膠連續(xù)硫化機組的控制系統設計

摘要：
本文詳細介紹了采用SIMENS公司S7－300型PLC、分布式遠程I/O控制器ET200M以及WinAC實現連續(xù)硫化機組控制的詳細設計與實施方案，并針對系統的特點，對溫度控制策略、系統可靠性設計、WinAC軟件設計思想進行了闡述。
關鍵詞：
PLC 遠程I/O WinAC

1 設計背景
橡套電線電纜是我國煤炭、礦產、鐵路、海底通信等傳輸的主干線，其生產工藝極其復雜，最為關鍵的一個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套（俗稱擠橡工藝）。這一工藝需要在一定的溫度和壓力下，經過一定的時間硫化，因此，在這一工藝中溫度、壓力、時間這三個工藝參數需要根據工藝特性實時控制。以往，電線電纜生產廠家擋車師傅們主要根據以往經驗加以控制，硫化效果往往欠佳，導致電線電纜存在欠硫或過硫等質量問題，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WinAC為山東韓譽電線電纜股份公司（中韓合資）根據該電線電纜生產工藝的特點，對整個硫化過程實施實時監(jiān)控，對各段的溫度、鹽浴壓力進行PID調節(jié)，使生產的電線電纜的合格率大幅上升，并實現了少人值守、工人勞動強度大幅度下降，深受工廠喜愛，該套系統后又在山西某電纜廠投入運行，效果較好。本文主要從系統結構、溫控策略、系統可靠性設計等方面對橡套電纜擠橡工藝溫控系統闡述。

2 系統體系結構

圖1：系統結構示意圖
系統采用德國西門子S7-300 PLC可編程控制器、分布式I/OET200M和工控機（裝載WinAC和PROFIBUS－DP適配卡CP5611）構成DCS系統，系統結構框圖見1所示。PROFIBUS－DP 作為設備控制層網絡平臺；WinCC、MPI網作為監(jiān)控層的人機接口及系統維護（網絡編程、人機接口備用站）平臺；以太網作為數據管理、生產及設備管理層的網絡平臺。
其中四臺S7-300PLC可編程控制器作為下位來實現所有信號的采集、運算、調節(jié)，分別為：溫度控制、牽引控制、壓力控制以及輔助控制現地單元，S7－300的特點是：模塊化、無排風結構、易于實現分布、運行可靠、性價比高。工控機主要安裝WinAC適配器以及機組狀態(tài)監(jiān)視、工藝數據存取、機組系統控制、與車間級的工藝控制服務器和生產計劃服務器相連，以便與廠級的MIS系統無縫連接。其中CP5611卡為 S7－300型PLC與工控機的通訊接口卡。同時，為便于與車間級以及廠級的MIS系統相連，在WinAC控制器（工業(yè)控制計算機）內安裝了D－LINK的網卡，通過Ethernet與車間級的工藝控制服務器、生產計劃服務器以及車間服務器相連。
在生產線上，需要控制的參數與量為：
· 牽引電機：包括牽引前電機、牽引后電機、張力控制電機以及六臺熔巖電機泵。其中牽引前電機、牽引后電機、張力控制電機由牽引控制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的運行，同時由繼電器輸入/輸出模塊控制各臺電機的起與停。
· 溫度控制：電纜連續(xù)鹽浴硫化機組共要監(jiān)測32點溫度信號，同時還要控制10臺工業(yè)電爐為無機物加溫并使之熔化。硫化管上安裝由熱電偶以及溫度變送器，將1800～2200℃的溫度信號轉換為標準的0～10V信號，備PLC的AI模塊采集，同時利用繼電器輸出啟動無觸點功率模塊開關，使電爐通電升溫，同時實時監(jiān)測熔鹽溫度，構成一溫度閉環(huán)控制系統，其中電爐的電流采用PID控制方法。
· 壓力控制：橡膠經過橡膠擠出機組機制在電纜上后，經過牽引前電機、后電機以及張力控制電機的配合，進入熔巖硫化管內，硫化管內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)硫化機組中，還有許多的數字計量表和電氣開關狀態(tài)需要實時采集和控制，因此，這些量的采集與控制由輔助控制PLC完成。
· 電控柜中需要實時監(jiān)測單元信號、柜內溫度信號（防止個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產品ET－200M作為機柜現地監(jiān)控單元。
四個現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可擴展至l024點?？稍O定第2個Profibus—DP接口。它完成運行狀態(tài)參數的實時監(jiān)測監(jiān)測，實時進行邏輯判斷，CPU318有4種操作選擇：RUN—P、RUN、STOP和MRES運行方式；
· 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換為數字信號，并將數字信號送到PLC的控制單元，供PLC做出狀態(tài)參數的邏輯判斷；
· 數字量輸入模塊：SM321。16路輸入2個，32路輸入1個，完成電機運行狀態(tài)監(jiān)測和PLC電機分批自啟動系統運行、調試狀態(tài)監(jiān)側，電機運行狀態(tài)信號通過電機操作回路中的接觸器輔助接點接至該模塊；
· 數字量輸出模塊：SM322(輸出8路)。接受PLC控制單元的指令，完成電機驅動信號輸出，通過出口中間繼電器，驅動電機操作回路，完成電機分批自啟動；
· 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，實時控制三相異步電機的運行。
· 分布式IO使用ET200M，包括以下部件： 電源PS307，Profibus模塊ET200M，數字量輸入，數字量輸出，模擬量輸入。
PLC采用了四個框架，在RTU信號柜內有三個，其中一個為備用擴展框架；另一個在操作臺內，通過IM361擴展連接，這樣簡化了接線，大大地提高可靠性。

3 系統實施策略
3.1 溫度控制策略


電纜橡膠硫化的溫度、壓力由有機物熔化并作載體實現，而熔鹽的熔化由工業(yè)電爐控制，實時控制工業(yè)電路的電流也就實現了溫度的實時控制。溫控采用PID調節(jié)時，在進行PID調節(jié)時，比例調節(jié)反映系統偏差的大小，只要有偏差存在，比例調節(jié)就會產生控制作用，以減少偏差。微分調節(jié)根據偏差的變化趨勢來產生控制作用，它可以改善系統的動態(tài)響應速度。積分調節(jié)根據偏差積分的變化來產生控制作用，對系統的控制有滯后的作用，可以消除靜態(tài)誤差。增大積分時間常數可提高靜態(tài)精度，但積分作用太強，特別是在系統偏差較大時會使系統超調量較大，甚至引起振蕩。因此，本系統中，我們采用如下溫控策略，組成智能控制系統
· 實際溫度低于Ｔ1時，為加快響應速度，全功率加熱。
· 實際溫度位于[Ｔ1～Ｔ2]范圍內時，為避免積分飽和，分離積分項，采用ＰＤ控制。
· 實際溫度位于[Ｔ2～Ｔ3]范圍內時，采用PID控制。
· 實際溫度位于[Ｔ3～Ｔ4]范圍內時，采用自適應PID控制。
· 當實測溫度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，其它情況實行PID控制。(死區(qū)閥值ξ本系統取為1℃)。這種控制方法不僅考慮了實測溫度和設定溫度的偏差，而且考慮了實測溫度的變化趨勢，可減少超調和波動，具有自適應的效果。
· 實測溫度大于Ｔ4時，接通風扇電源，強制制冷。Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3的選擇為：
Ｔ1=Ｔ0×87％，Ｔ2=Ｔ0×95%，Ｔ3=Ｔ0－20℃，Ｔ4=Ｔ0＋20℃。(Ｔ0：設定溫度)
3.2 系統可靠性設計
3.2.1 PLC輸出端的可靠性措施
PLC輸出模塊內的小型繼電器的觸點很小，斷弧能力很差，不能直接用于廠級AC220V～380V電路中，必須用PLC驅動外部繼電器，用外部繼電器的觸點驅動DC220v的負載。同時較多的AC220V～380V電磁閥內部有與其線圈串聯的限位開關常閉觸點，電磁閥線圈通電，閥芯動作后，是用閥內部的觸點來斷開電路的。在這種情況下，要選用觸點較小的小型繼電器來轉接PLC的輸出信號。
3.2.2 安裝與布線的注意事項
由于本系統PROFIBUS－DP要完成所有數據通信，因此對通信電纜要求可靠性高應選用SIEMENS推薦并提供的專用電纜。
由于本系統中用到了大功率可控硅裝置，PLC應遠離強干擾源。PLC不能與高壓電器安裝在同一個開關柜內，在柜內PLC應遠離動力線(二者之間的距離應大于200mm)。與PLC裝在同一個開關柜內的電感性元件，如繼電器、接觸器的線圈，應并聯RC消弧電路。PLC的I/O線與大功率線應分開走線，如必須要在同一線槽中布線，信號線應使用屏蔽電纜。交流線與直流線應分別使用不同的電纜，開關量、模擬量I/O線應分開敷設，后者應采用屏蔽線。不同類型的線應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 系統軟件設計
測控軟件是本系統的關鍵核心所在，同時也是難點。包括上位機測量軟件及PLC 控制軟件2 大塊，測量軟件主要由人機界面程序模塊、數字信號處理程序模塊、數據庫程序模塊等組成，均采用Visual C＋＋編程，在控制過程中，主程序可隨時通過DAO 利用SQL 查詢語句讀寫數據庫中的相關數據。在生產結束之后，可以進行工藝闡述數據統計操作，可以任意選擇統計開始時間和結束時間，計算機自動對該時間段的所有測量數據進行分類統計。并可以用條狀圖或者餅狀圖的形式直觀的顯示出來，相關數據可以進行備份、刪除、導出、打印報表等操作，以利于廠家了解產品質量狀況并采取有效措施改進生產工藝。
在上位機上，以WinCC 為人機接口的WinAC 系統，通過WinCC將時間取樣數據和事件記錄在數據庫,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。包括設備運行狀態(tài)、檢測與執(zhí)行器件工作狀態(tài)、網絡工作狀態(tài)、過程參數、故障診斷及定位、各類報警信息、設備/器件狀態(tài)信息等等。同時配置SQL Server 2000 數據庫服務系統，是系統數據存貯、處理、分析及服務中心。數據庫服務器向上連接生產管理部門（如工藝部、生產部），向下連接各個WinAC 系統，實現了生產任務、工藝指標的下發(fā)調度及實際過程參數的采集、歸檔，并最終生產出生產報表和質量分析報表，為車間、生產管理部門及決策部門提