株洲西门子专业授权总代理商

1 PLC控制系统的特点及组成

　　PLC在现代工业控制领域中早己得到了广泛的应用。以PLC的控制功能而言，具有严谨、方便、易编程、易安装、可靠性高等优点。它通用性强，适应面广，特别在数字量输入/输出等逻辑控制领域有无可比拟的优点。PLC具有丰富的逻辑控制指令和应用指令，它提供高质量的硬件、高水平的系统软件平台和易学易编程的应用软件平台。另外，PLC即有自身的网络体系又有开放I/0及通讯接口，很容易组建网络并实现远程访问。

　　PLC采用Siemens公司生产的S7-300系列，由于现场的PLC系统与主控室的上位机距离较远（800米左右），因此通讯系统需成对加装RS-485中继器，另外在现场增加TP27-10https://触摸屏进行数据显示，确保系统运行的稳定性。系统组成如图1所示。

　　1.1 系统结构及硬件配置

　　根据控制需求，CPU模块采用CPU314、数字量输入（DI）采用SM321模块，数字量输出（DO） 采用 SM322模块，模拟量输入（AI） 采用 SM331模块，模拟量输出（AO） 采用 SM332模块以及IM365等模块组成，IM365实现机架扩展，上位监控机采用SIEMENS公司CP5611网卡完成计算机与PLC之间的数据通讯。整个通讯网络采用MPI的通讯协议，从上位机上可对整个气体调节过程进行监控和操作。

　　1.2控制系统的功能实现

　　PLC程序的编制直接关系着供气系统能否正常工作，而程序设计的关键在于编程者对工艺系统的理解程度和程序编制技术的灵活应用。因此，在程序设计中首先考虑了供气压力调节系统的特点，将程序设计细化，分成多个程序模块，实行模块化编程。这样既可以方便的增加或删除程序模块，便于现场对工艺的调整，又可针对配套设备可控性对不同程序模块进行完善。

　PLC的编程软件采用SIEMENS公司的SIMATIC STEP7 V5.1软件平台用来完成硬件组态、地址和站址的分配以及编制整个生产过程的控制程序的。上位机监控软件采用国产软件组态王，全部采用汉化界面，便于系统的开发与操作，该系统运行于bbbbbbs2000中文平台，可实现对生产过程的全面监控，对重要参数形成历史记录，以报表或曲线的形式显示给操作人员。通过VB语言脚本，可以在主控室的上位机显示重要参数的历史趋势、实时趋势，实现压力调节的手自动切换、操作、压力的高、低限报警、流量数据的显示与累计，满足高生产率的调度需求。

　　1.3 现场显示

　　现场采用TP27触摸屏进行参数显示、控制，触摸屏程序由组态软件来完成，人机界面采用中文菜单，界面友好，操作方便，功能较强，主要用于现场压力、流量、阀位的显示与操作。可作为操作人员现场操作的依据。

　　1.4 工控机配置

　　工控机采用研华IPC-610，通过CP5611卡，完成S7-300 PLC与工控机的通讯。主要完成下列任务：传送现场监控数据;运行监控;故障记录和排除提示;参数设置;生产数据管理和处理;图形化示教和离线编程。

　　2 系统实现了供气系统的自动控制和监控，主要包括如下功能：

　　1）灵活的操作方式以及强大的系统控制功能：

　　系统可以实现上位机操作、控制柜触摸屏操作和就地手动操作;

　　2）报警功能：

　　当压力超过工艺要求，可在现场、就地实现高、低限压力报警;

　　3）简单、方便的参数设定：

　　压力调节阀的压力设定值、P、I、D等参数可以在上位机中设定。

2. 系统控制功能

　　（1）过程控制的功能：

　　1）系统对供气压力实现了PID自动调节控制;

　　2）对所采集的模拟信号进行线性化、滤波、工程单位转换处理;

　　3）实现了流量信号的温、压补偿，提高了仪表的测量精度。

　　（2）逻辑控制

　　联锁逻辑控制实现开/关的控制，逻辑控制及用户自定义功能块等。系统实现了电磁阀控制以及参数越限报警等功能。

　　（3）人机接口

　　HMI系统中包含主工艺画面，各系统送气压力、流量，供气压力调节等多幅画面，画面直观、丰富，具备PID在线调节、在线显示调节曲线功能，包括过程量变化趋势的实时趋势曲线、历史趋势曲线。

　　（4）报表打印

　　以报表形式绘制报警记录、历史记录画面，调节间数据报表。实时趋势曲线和历史趋势曲线可随意设定时间段，打印在线趋势，历史趋势曲线。

3 软件设计

　　根据该系统具体情况，PLC系统软件设计过程中着重要考虑的是以下几个方面：

　　（1） 数据采集及工程量转换

　　（2） PID算法

　　（3） 流量温压补偿计算以及流量的累积计算

　　对于系统中的逻辑控制选用梯形图（LADDER）编程，直观、方便;对于PID回路控制流量温压补偿计算以及流量的累积计算部分则采用语句表（STL）编程，结构紧凑而又灵活。

　　PID调节是该系统中为重要的控制程序，因此特将PID算法作一重点介绍。

　　3.1 PID算法

　　STEP7提供了两种常用的PID算法：连续型PID（FB41）和离散型PID（FB42），根据实际要求，选用的是FB41。并在组态王中使用画图功能模拟一个PID调节器的操作面板，完成PID调节控制中的手/自动切换、给定值输入、手动输出值输入、PID参数（比例系数、积分时间）输入等功能。

　　PID算法的输出实际上是比例（P）、积分（I）、微分（D）三部分作用之和：

　　Mn=MPn+MIn+MDn

　　MPn = GAIN（SPn- PVn）

　　MPn = GAIN  TS/ TI（SPn-PVn）+ MX

　　MDn = GAIN  TD/ TS（PVn-1-PVn）

　　Mn：第n次采样时刻的输出值。

　　MPn：第n次采样时刻的比例作用，与偏差成正比。

　　MIn：第n次采样时刻的积分作用，可以消除静差，提高控制品质。

　　MDn：第n次采样时刻的微分作用，根据差值的变化率调节，可抑制超调。SPn：第n次采样时刻的设定值。

　　PVn：第n次采样时刻的过程值。

　　MX：第n-1次采样时刻的积分作用，每次采样计算后自动刷新。

　　GAIN：回路增益，P参数。

　　TI：积分时间常数，即I参数。

　　TI：微分时间常数，即D参数。

　　TS：采样时间。

　　从上面的公式中可以看出，参数P（GAIN）与P、I、D作用都是成正比的，它决定了PID回路的灵敏度，即调节速度的快慢;I参数越大，积分作用越弱，而D参数越大，微分作用越强。不能单靠理论计算来确定PID参数，唯一的衡量标准就是被控参数（压力）的精度和稳定度，所以在实际调试中，都是参照被控参数的实时曲线，反复观察分析，从而达到佳的控制效果。

4 采用该系统的意义

　　（1）计算机化管理使得系统信息储存量大，数据采集与反馈及时、准确，系统的生产数据可实现长期保存，有利于生产数据的历史查询和故障的即时排除;

　　（2）该系统投入运行后，通过计算机显示与控制，提高了过程自动化的程度，可实现无人调节操作，减少了操作环节，降低了运行成本，使系统的管理和控制上了一个新台阶。

5 结束语

　　该系统自2005年7月投入运行后，工作稳定、可靠，成功地实现了全部控制功能，取得了比较好的控制效果，达到了预期的控制指标。

1 引言

　　环形加热炉的炉底呈环形，在炉底驱动装置的作用下承载工件由进料门旋转至出料门，再由出料机从出料炉门将加热好的工件取出。在工件随炉底运动过程中通过炉墙、炉顶等处的烧嘴加热达到合格的出料温度，并满足温度均匀性要求，其入炉坯料不受形状和尺寸限制，适用于钢锭、盘形件和管坯工件的加热，因此上个世纪从60年代以来得到了广泛采用，成为管坯工件加热的主要炉型。

　　为满足产品的加热工艺要求，特设计出φ4.8m的环形加热炉，为保证环形炉的佳生产状况，我们采用plc和kingview6.51对其控制系统进行设计。

2 环形加热炉结构简介及控制要求

　　2.1环形加热炉结构简介

　　环形加热炉由炉底回转机构、炉体、炉体钢结构、燃烧系统、炉门及炉门升降机构、水冷系统、排烟系统、液压系统、控制系统等组成。可以对规格为φ121×134、φ114×222、φ299×348、φ273×615、φ130×500的坯料进行加工，加热温度为1050～1200℃±10，炉子中径为φ4.8m，其燃料种类为城市煤气，共分7个供热段，其中加热段3个，均热段3个，预热段1个。

　　环形炉炉体主要由旋转炉底、固定炉墙和钢结构组成。主要工艺流程如下：接到装料信号后，装料炉门打开，机械手根据炉前上料辊道上的工件长度调整抓钢位置，再将工件送到炉内指定位置，然后机械手回到装料起始位置，装料炉门关闭，工件在炉内加热，旋转炉底按要求转动，并将已加热好的工件送到出料炉门位置，接到水压机工作信号后，出料炉门打开，机械手将工件取出并放到出料辊道上，送往水压机，完成工件的装料、加热、出料过程。

　　2.2环形加热炉的控制要求

　　（1）炉温控制

　　系统由进料门、预热段、加热段、均热段和出料门组成，其中进料门和预热段根据工艺要求只设温度检测及显示，加热段和均热段的智能仪表接受检测热电偶及变送单元传送的标准信号，通过pid参数的比较与计算输出执行信号，控制空燃比例调节阀的开启度，此阀安装于空气输送管上，调空气流量的同时，自力式煤气调压阀受控于空气压力，预混比按比例变化，实现对炉温的控制。系统烟气温度、空气预热温度、循环水温度、液压油温度也分别由热电偶、热电阻、电接点检测显示并与设定值比较，超限报警，并在故障时快速切断供气阀，保障系统设备的安全。

　　（2）机械联动控制

　　机械联动控制包括液压系统控制、炉底转动节拍、速度调节、炉门开启、炉底正转反转、炉底转动联锁控制等内容。控制系统同时具有自动与手动转换功能，且手动控制高于自动控制。风机、煤气切断阀和烧嘴控制器之间设有故障联锁，当风机故障时必须关闭煤气切断阀和停止烧嘴控制输出。点火时首先进行炉膛吹扫工作以保证系统设备的安全。

控制系统满足上述两方面要求的同时，要求上位机实时记录各区温度、炉温超限、冷却水温度超限、液压油温度超限、烧嘴熄火、煤气空气压力超限、转动故障及其它机械故障等内容，并有丰富的动态画面显示。烧嘴点火控制与机械联锁控制均由plc统一控制完成，并由上位机实行实时监控。

3 控制系统设计

　　加热炉控制系统的设计必须便于操作和维护，同时要大程度的满足实际生产的工艺需求，因此我们采用炉温控制系统分二区采用比例燃烧调节方式，实现温度和空燃比例的自动控制，温度记录采用上位机记录、打印机输出；机械运动采用plc程序控制，自动控制炉底回转运动，节拍可调，并通过上位机进行实时记录与控制。

　　3.1系统硬件设计

　　该控制系统主要由plc控制站和工作人员管理操作站组成，其中plc控制站完成对生产过程数据的采集、处理，工作人员管理操作站则负责生产过程参数显示、监控、设置和控制程序的编制和维护，上位计算机采用研华工控机ipc-610p-piii（配有ups电源），打印机epson-1600k一台，均设在工作人员管理操作站。下位机则采用西门子s7-300编程软件，上位机和s7-300通过以太网与plc通信。

　　3.2系统软件设计

　　控制系统的软件设计包括下位机和上位机两部分，下位机采用西门子s7-300编程软件plc进行编程，上位机人机界面利用组态王6.51完成。

　　3.2.2上位机人机界面设计

　　计算机监控显示系统是采用组态王软件开发的一套计算机监控系统。它实时向plc采集现场信息，并把这些信息以图形的方式直观地显示在计算机屏幕上以达到实时监控的目的。系统分为通信系统部分、显示系统部分和组态王信息窗口部分。

　　通信系统负责计算机和plc 的实时通信。

　　显示系统在实际运行中是通过通信系统系统和plc交换数据的，通信系统是一个基于bbbbbbs的应用程序，通过rs232接口实现的，并在信息窗口中报告数据的传递情况。

　　显示系统把从plc采集到的现场信息以图形方式显示在屏幕上。“组态王信息窗口”是一个独立的bbbbbbs应用程序，用来显示系统的运行状态，包括系统的启动、关闭、运行模式；驱动程序的启动、关闭；与plc连接的状态等。

（1）主画面

　　主画面主要对环形加热炉生产实际情况进行监控，主要根据产品工艺要求设置参数，通过plc处理及数据传输后对进出料、炉门运作、实时显示各被测区域温度参数和压力参数、烧嘴的点火、燃烧和故障状态、系统正常运转和急停指示状态、鼓风机运转、管路、报警等情况进行显示，便于在故障发生时操作人员能够及时准确地明确问题所在，并采取合理有效的防预措施。具体如图3所示。

　　（2）温度控制

　　温度控制主要包括温度历史曲线和温度历史纪录两部分。温度历史纪录主要对环形炉各工作区的温度进行实时纪录，根据需要以excel或word形式进行输出。

　　温度历史曲线则是在温度历史纪录得基础上，将环形炉各工作区在实际生产中的工作温度以曲线的形式输出，一目了然，便于数据分析和故障查找。具体显示如图4所示。

　　（3）帮助

　　帮助主要从监控系统简介、监控系统得使用方法、显示图例说明、开发包和运行包简介、系统维护和计算机硬件配置等方面进行了详细介绍。

　　（4）管路和报警

　　管路主要对助燃空气、煤气、压缩空气的比例、传输、压力、燃烧状态进行监控。而报警系统主要在各区温度、压力参数反馈的基础上进行监控，如果发生超压则自动启动报警。

4 结束语

　　plc和kingview6.51在环形加热炉控制系统加以应用后，降低了工作人员的劳动强度，提高了系统运行的稳定性。而组态kingview6.51具有使用方便简单，界面直观，有强大的报表、记录功能，控件丰富。系统运行环境是bbbbbbs 98 （中文） 或 bbbbbbs 2000（中文） 操作系统，可操作性强。在生产过程中运行良好。