基于S71200PLC和力控組態軟件的井式爐控制系統設計論文
1 引言
佛山市某企業熱處理車間有5套4加熱層的井式爐用于對長軸類產品的熱處理加工，為了滿足企業對產品生產過程的參數指標分析及加強生產過程中的質量管理和產品溯源的要求，現有井式爐的控制系統已不能完全滿足企業更高質量定位需求，需要對現有的5套井式爐進行自動化升級改造和對生產過程數據進行實時集中監控。本文將介紹在保留現有相關硬件的前提下，如何利用SIMATIC S7-1200基于力控組態軟件完成井式控制系統設計。
2 系統網絡架構
SIMATIC S7-1200（以下簡稱S7-1200PLC）是西門子公司為充分滿足于中小型自動化的系統需求，面向離散自動化系統和獨立自動化系統所開發使用的小型控制器模塊。通過TIA Portal V13軟件進行工程組態，使其具有強大的集成工藝功能和靈活的可擴展性，為各種工藝任務提供了簡單的通訊和有效的解決方案，尤其滿足多種應用中完全不同的自動化需求。同時集成PROFINET接口用于編程、HMI通訊和PLC間的通訊。在本系統中現場的S7-1200PLC、觸摸屏及工控機利用PROFINET線集中連接到工業交換機中，力控組態軟件和現場觸摸屏與S7-1200PLC之間通過S7-1200PLC（TCP/IP）以太網協議來進行通信架構的搭建，完成對現場的5套井式爐的各類數據進行采集及對應控制，系統網絡架構如圖1所示。
3 系統電氣組成
現場單臺設備在電氣控制系統中，電氣拓撲圖如圖2所示。由一臺由西門子S7-1200PLC（CPU 1214C AC/DC/Rly）、一臺模擬量輸入擴展模塊（SM 1231 AI4 x RTD）、一臺模擬量輸出擴展模塊（SM 1232 AQ4）、4臺可控硅功率調節器（T6-SCR）、4套溫度傳感器及一臺威綸通觸摸屏（MT8070）及爐門、供電、報警等輔助系統構成。其中S7-1200PLC為控制系統核心，4路擴展模擬量輸入模塊用于處理4套溫度傳感器采集到的井式爐4層位置實時溫度值，4路擴展模擬量輸出模塊用于同時對4臺可控硅功率進行驅動進而調節器對井式爐內部上4層加熱電阻進行電能控制，現場觸摸屏實現操作人員在產品生產現場的登陸及完成對生產產品的工藝選擇。
4 系統工作原理
在進行生產時，操作人員在現場使用觸摸屏進行本次生產工藝數據的選擇，然后通過現場電氣控制柜上的啟動按鈕進行系統啟動。S7-1200PLC接收到該啟動信號后程序進行動作輸出，控制對應的接觸器或中間繼電器接通分別給功率調節器、爐門等相關設備供電。控制系統工作時，程序根據操作人員在觸摸屏上選擇設置的工藝參數，結合采集回的井式爐內溫度數據進行PID運算，結果以模擬信號輸出到功率調節器。功率調節器根據S7-1200PLC給定的模擬信號對流入井式爐內發熱電阻的電能進行控制，實現溫度的自動調節。
5 系統程序實現
在該控制系統中S7-1200PLC的程序設計如圖3所示包括：主程序OB1，實現對本機的.各個功能的協調及調用控制；溫度采集FC1，內置AD轉換和濾波算法完成現場的溫度模擬信號轉為實時數字信號供各功能使用。PID調節控制FC2，根據工藝流程和設置的參數完成PID控制；輔助動作FC3，實現對爐門升降、功率調節器供電、完成信號等進行控制；工藝數據庫FC4，內置50組數據通道實現對50種不同產品的生產工藝數據的長期保存及調用。故障診斷FC5，實現對設備出現的過載故障、PLC主機和傳感器斷線故障、加熱超溫故障，加熱異常等進行采集判斷保證設備的正常運行。
在系統程序中，使用前期主要的技術難點是程序中PID參數的現場調試。需要多次進行現場測試及優化，但一臺設備調試完畢后將可以拷貝到其余機組從而節省后續多臺的調試周期。同時在系統程序內置有專門的故障診斷程序塊，每當設備的使用過程中現場出現故障后可以及時的通過觸摸屏或中央監控系統實時的反饋顯示。方便現場的維護人員對故障判斷，提高維修速度減少維修周期。
6 中央監控實現
目前世面上有很多上位機監控系統軟件，如國外西門子的Wincc，國內的組態王，力控等。其中力控軟件具有良好的開發培訓教程以及配置完善的各類現場設備通信接口，具有較高的性價比。在本系統中將使用力控7.0軟件，通過PROFINET線對現場的5臺設備進行訪問來實現數據的整體監控。首先在工控機上安裝力控7.0軟件并完成軟件授權，隨后開始進行系統的組態。本系統具有以下功能：不同層的溫度的顯示和報警；現場設備的工藝參數選擇及設備啟動；實時和歷史曲線顯示、查詢及保存；數據報表的打印。系統相關界面如圖4和5 所示，其中主界面的功能與現場的觸摸屏一致具有溫度數據的顯示也能完成對現場設備的遠程操作；操作人員能對歷史數據趨勢圖查詢和數據導出；數據報表能完成對產品按秒、按分、按時的時間定長查詢并將查詢的結果進行打印或導出SCV格式文件的功能。
7 結語
企業在使用S7-1200PLC與力控組態軟件進行熱處理井式爐的溫度自動控制系統。實現了對井式爐工作過程的自動溫度控制。并可以對工作過程的數據進行記錄，導出，打印。使生產工藝人員隨時掌握產品生產過程的工藝數據并根據生產產品質量調整工藝數據，為提高產品質量打下堅實基礎同時為后續的產品質量溯源提供重要的佐證依據。
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