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S7-200在玻璃行业平钢化控制系统中的应用

摘要: 一个由西门子S7-200PLC,以PPI和自由口形式组网通讯,与人机界面相联,组成一个功能完善的低成本控制系统,完成对平钢化全部工艺的完美控制。重点介绍工艺背景,系统选型思路及架构,硬件配置和软件编程要点,实施过程中有关通讯问题和解决,改造后取得效果及完成后的体会。

关键词:S7200PLC  平钢化  低成本控制系统  自由口网络通讯  安全可靠性

 Abstract:

This paper introduces the plate glass steel system which includes a s7-200 plc and connected via PPI network and freedom port network. This system completed the excellent control with low cost and high performance. This paper focus on the introduction of technical background ,system construction ,hardware configuration and program key point. It also consist some solution of communication problem and the application experience of the author.

Key Words:   S7-200PLC  Plate glass steel  Low cost control system   Freedom port network communication   Safe and reliable

一、项目简介
烟台美极玻璃现在为一中型玻璃加工企业,以生产中空玻璃,玻璃加工为主,于2006年5月正式新上一套平板玻璃钢化生产线。其重要性,不仅在很大程度上,满足了市场的急需,同时也决定了全厂的生产水平和效益。该设备整体近30M长,连续不断生产,除了需要有制造精良机械部分外,自动控制的优劣是其性能和可靠性的关键部分。洛阳西菱自动化设备有限公司长期从事化工自动化开发研究和系统集成的公司,承接该项目后,在充分了解该平板玻璃制造工艺的控制全过程和厂方的需要,精心设计了包括由10.4”液晶人机界面,S7-200PLC控制系统和多台SRR加热控制柜组成的集中式控制系统。经安装和调试,实施投产,经过半年多的实际运行,为企业创建了巨大的效益。


二、系统简要工艺介绍
平板玻璃钢化工艺一般采用优质玻璃为原料,以平钢化生产线为主要生产设备。该生产线约宽2.5M,长25M,依次分布为上片台,加热段,风栅冷却段,下片台,各工段均有不同材质的辊子运送玻璃。辅助设备有鼓风机,风道,控制柜等。其生产过程分成上片,自动往复加热,往复急冷,往复吹风,取片五个工艺阶段。开车前逐步使加热段呈矩阵分布的上下电炉升温至650℃,做好生产准备。在一定的时间段,人工将原料片玻璃在上片台排放好位置,至前炉门前光电开关止。当确认可以进炉时,启动按钮,前炉门打开,放片段和加热段按进炉速度同步前进。炉前光电开关与编码器配合,开始测量玻璃长度,同时加热时间计时开始。当玻璃到进炉距离减速到位,管前炉门并放片停止。加热主传动按加热往复速度,炉内有效距离,反向行进,如此形成往复摆动。当加热时间剩20秒,启动冷却风机到高速。一但加热时间到,打开后炉门,加热主传动和风栅主传动按出炉速度同步高速出炉,炽热的玻璃快速进入风栅急冷钢化,同加热炉动作类似,并按往复速度摆动,急冷时间到后,冷却风机改低速继续摆动。直至冷却时间到,风机减速停,风栅转动和取片转动按取片速度同步出栅,钢化玻璃至后光电开关处自动停止。生产过程,周而复始,连续进行。遇到某些工艺情况,对局部阶段需要增加或减少顶部或底部阀门开闭,改变或跳过一些阶段,系统同时具有多种报警。紧急停时有安全位置,运行时有安全连锁。
综上所述,平钢化系统是一个既有大量开关量和大量SSR温度调节回路(数量达30-60个温度检测点和调节回路),又有多个编码器和变频器组成的速度距离测量控制回路,及人机界面和少量仪表模拟量组成的涉及面复杂的控制系统。它是通过人机界面和现场众多键控,能够灵活多变,适应多种不同钢化工艺需要的顺序控制。画面要能清楚地显示主要工艺流程,方便灵活地控制大量参数。各阶段距离和时间,速度,以及不同的玻璃规格工艺指标,要求能在不同情况下灵活调节,连续显示各时间段,温度值和玻璃动态位置。其主要控制对象有三个要点:其一是各阶段时间设置和控制;其二是温度检测和调节回路;其三是速度测量控制和距离测量控制。由于过程中含有大量的工艺指标,运动速度高,如出错,导致大量的废品,甚至损害设备,因此对安全性要求极高,控制必须准确无误,极为可靠。设备整体外观见下面图:


最终选定硬件配置如下, 共计S7-200 CPU 1个,各类模块6个。温度模块6个,变频器5个。

CPU226XP CN     6ES7216-2AD23-0XB8     1个

电源模块       6EP1 3311-SH02                      3个

DI/O数字扩展模块6ES7223-1BL22-0XA8      3个

AI/O模拟扩展模块6ES7 2350-KD220XA8      1个

AO数字扩展模块   6ES7 232-0HB220XA8     2个

M440 2.2KW变频器 6SE644 2DU222BA1     2个

M440 1.5KW变频 6SE644 2DU215BA1         1个

M440 3.0KW变频器 6SE644 2DU230BA1     1个

康沃 220KW变频器 CVF-G2-4T2200             1个

泓格温度模块     I-7018                                   6个

人机界面         MT510TV4                              1个


三、控制系统构成

根据系统特点,改造前的PLC的选型工作是一件非常关键的事。PLC是核心部件,决定系统的功能,适用性,安全可靠性和价位。根据现有各制造厂方的经典作法,上述系统均采用PC+OMRON中型PLC+专用电路板+OMRON变频器,或是PC+S7300系统+施奈德变频器,已有相当数量的工程实例。但本工程是为一家私营企业配套,价格既不能高,又不能降低控制性能和安全可靠性,这当然有相当的难度。经过再三斟酌和周密思考,最终选择西门子S7-200PLC作控制系统。
本方案是选用S7-200系列 CPU226XP作主控制,温度控制有大量的DI/DO,增加3块I/O数字量模块。 5台变频器用电压信号作调速控制,因而选2块AI/AO模块。系统需要测速和控制转速,以及距离控制,硬件为编码器,利用PLC固有的2组A-B高速计数。由于温度点实在太多,温度模块数量系统无法容纳,另采用泓格串口温度模块解决,用自由口通讯。电源用SITOP模块。
人机界面的选择,一是流行的做法,由PC机+组态软件+大屏幕显示器,效果极佳。其缺点是WINDOWS操作系统的故障,造成系统的不可靠,且成本较贵。另一个方案是使用西门子的人机界面OP270,可靠性极高,组网方便,但成本更贵。人机界面选e-VIEW 10.4”彩色, 经济实惠,满足需要。
整个控制系统由4台控制柜和一个立柱式人机界面操作箱组成。操作箱装有人机界面,旋纽开关,信号灯,及蜂鸣器等,相距30M,通过PPI通讯电缆与PLC相联。PLC控制柜装有PLC,模块, 小型断路器,开关电源模块,继电器等,是整个系统的控制中枢。另一台是传动控制柜,装有AOP面板,温度表、电压表、控制开关、信号灯等,柜内安装小型断路器、接触器、热继电器、开关电源、变压器、电磁阀电源、及4个变频器。中间2个加热控制柜,装有大型断路器开关,大量SSR模块,快速熔断器,异性铝材散热器,散热风扇等。硬件品质对整体设备可靠性有重大影响,必须坚持选择有认证的优质产品。选择有ISO认证的厂家通过OEM形式整体制造控制箱,控制柜。只有从整体制造的各个环节严格把关,才能打造设备整体的可靠性。控制设备整体外观见图:


四、控制系统功能及要点


平钢化控制第一个特点是具有大量的加热炉温度检测和温度控制调节回路。平钢化工艺中温控系统呈矩阵分布,是一个具有36个热电偶检测点和36个SSR(固态继电器)温度调节回路的系统。与一般系统相比,的确很庞大。大量的温度点使我们检测只能选择现场测温模块。6个测温模块在现场贴近热电偶分布式安装,以降低干扰,节约补偿导线。利用CPU226XP 通讯口1与6个测温模块组成主从式自由口通讯网络。根据测温模块提供的通讯协议,进行专用的通讯程序编制,实现通讯。PLC通过轮询,现场各点温度实时值进入PLC储存器。输出的控制对象为SSR,进行固定周期的通断比控制,所以占用数字输出点36个。由于CPU226同时只能开启8个PID通道,如果交替使用,反应速度慢,程序冗长,效果不见得好,因此改用模糊控制。将给定温度和测量温度相比较,查表,得到相应的通断比控制值输出。作出一个带参数的温控子程,可方便多次调用。整个生产过程中,温度基本保持恒定不变。通过硬件和编程的结合,系统解决了多温度点控制回路的技术难点。


平钢化控制第二个特点是具有能够灵活多变,适应多种不同钢化工艺需要的顺序控制。生产过程的上片,自动往复加热,往复急冷,往复吹风,取片五个工艺阶段,决定本系统是按一定时间顺序为基础和外部给定为条件的顺控程序。PLC的编程根据平钢化工艺控制的特点, 5个主要工序形成步序核心控制。S7200顺控(SCR)指令为编制顺控提供理想方式,简化程序,条理清晰,实现结构化,模块化,安全可靠,同时增加程序可读性。在不同的步序段中,各阶段时间设置和转速,距离控制是通过人机界面和现场众多键控,能够方便灵活地进行多种设置组合,来确定要完成的工艺。在不同的步序时间段,根据不同情况,控制传动电机的启动、加速、运动、减速、距离到时反向、正向,控制风机的启动、加速、高速运转、减速、停止,调用多个子程及中断程序,完一个接一个的单项功能。步序象是一个传送链,当一批玻璃进入往复急冷后工序后,程序控制又一批玻璃开始进炉加热步序,形成一个连续不断的生产线。顺控程序的编程并非难点,重要的是步序必须安全可靠,有时单一转移条件是不够的,需要采取一定的措施和多重判断,增强保护。一些关键部分,增加了必要的连锁。


由多个编码器、光电开关和变频器组成的给定同步速度控制和长度、距离测量控制系统,是平钢化控制的第三个特点。测量一批被加工玻璃的总长度,是在加热段和风栅段往复运动控制的基础。用炉前光电开关,编码器与PLC高速计数口,及软件配合可测量玻璃长度。首块玻璃前沿通过光电开关时起,编码器从零计数,到进炉距离到位前,最后一块玻璃后沿通过光电开关时结束,记录编码器脉冲数,乘系数(mm/脉冲),可得到玻璃总长。如同计算玻璃长度,炉内所有距离在PLC中是以脉冲数为单位来计算。高速计数判断进炉距离(脉冲数)到位后,通过中断,控制改变变频器运动方向和速度,玻璃反方向运动,高速计数变向作减计数。炉内可设定的有效距离与玻璃总长之差,即玻璃的反向运动距离。当计数器检测到这一距离(脉冲数),产生中断,再次改变变频器运动方向和速度,玻璃重新改正方向运动,多次的翻来覆去形成玻璃在炉内的多次反复摆动。为保持运动的平稳和到位准确,在正反向到位前的一段距离,有一段匀减速运动。当加热时间到达时,风机高速运行,程序停止摆动控制,控制主传动和风栅传动同步向风栅段方向运动。在进入风栅段同时,往复急冷步序开始计时,风栅编码器开始清零计数,玻璃在风栅平台上,以在加热炉内同样的方式,反复摆动,急冷使玻璃迅速钢化。当急冷时间到,玻璃继续摆动,风机减半速。冷却结束时间一到,关风机,风栅传动和下片传动同步向前运动,玻璃直至到光电开关处停止运动,完成一批玻璃钢化。风栅段见图:


系统需要有一个直观方便灵活的人机界面进行人机对话。平钢化工艺不算特别复杂,但仍需要有一个能清楚地表达主要工艺流程,玻璃的运动动态位置,方便灵活直观地设置大量参数的画面。各阶段距离和时间,速度,以及不同的玻璃规格工艺指标,要求能在不同情况下灵活设置和调整,数值是便于理解的常用物理单位,如速度米/秒,距离mm,时间s,风压KPa等。而PLC内部运动控制的基础是脉冲数,这需要人机界为我们建立沟通的桥梁。同时需要连续显示大量温度值和各段时间动态变化。36个温度控制,即可集中给定,又能分别给定,还可单独开停测试。各个传动电机,除满足自动控制要求外,在画面里也均可手动开停试验。为此我们选用10”彩色触摸屏通过中央画面,温度画面,控制画面,设置画面等来完成上述任务。通过PPI通讯方式,完成与PLC连接对话。 应用中的监视画面见图:


五、系统评价及总结


自2006年5月份投入使用,至2005年9月,系统历时长期连续不间断的运转,显示了该装置运行可靠,安全稳定,功能强大,适应性强,价格经济等优点。项目调试完成后,尽管连续生产,至今为止,尚未提出过要进行任何维修和处理,说明质量非常可靠。厂方认为,该项目首先为企业创建了巨大的效益。同时提高了本厂的自动化水平,集中控制,显著提高操作水平和工艺水平。可靠性大大增加,系统安全稳定。单耗大幅度降低,在同行创出高水平。


六、应用体会


通过这一项目全过程的设计、编程、调试及反复实践,对S7-200 PLC应用特点有了更为深刻的认识:
1.S7-200 PLC价格经济实用,体积轻巧,功能强大,扩展模块齐全。特别是CPU22X XP CN系列出世,同等规模系统,性价比更高。因此更适合大量采用到较复杂的项目当中。
2.通讯能力超强,形式简单,并有多种扩展方式,自由口能力强,可与多家串口产品通讯组网,足以完成项目的特殊需要。本项目即一种具体应用。
3.烟台平钢化控制系统的成功实现,为平钢化控制实现低成本自动化,开辟了一条低投入,高效益、易普及的新路。
4.由于项目时间的限制,硬件和技术准备的不足,本项目中原打算变频器用USS通讯形式控制转速的方式,未能实现,实在遗憾。唯有今后更加努力。 2006.9.17 文章编号:

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