摘 要：以儲(chǔ)存煤炭料倉(cāng)溫度的監(jiān)控為背景，介紹了基于 S7- 300 PLC的擴(kuò)容及溫變控制系統(tǒng)，針對(duì)新增溫度的控制系統(tǒng)無(wú)空余的模擬量點(diǎn)位的情況，通過對(duì)新增模塊根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選型、添加硬件組態(tài)、重新編寫控制程序、底層溫度變送器的選型、組態(tài)程序及畫面的更改等步驟，實(shí)現(xiàn)了對(duì)新增溫變的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
引言
自動(dòng)控制是能自動(dòng)調(diào)節(jié)及檢測(cè)加工的機(jī)器設(shè)備及儀表，按規(guī)定的程序或指令自動(dòng)進(jìn)行作業(yè)的技術(shù)措施。其目的在于增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低成本和勞動(dòng)強(qiáng)度、保障生產(chǎn)安全等。為了加強(qiáng)儲(chǔ)煤料倉(cāng)溫度的監(jiān)控，防止溫度過高引起的自燃，特為儲(chǔ)煤料倉(cāng)新增溫度變送器，并在控制系統(tǒng)的監(jiān)控畫面上新增報(bào)警等設(shè)置，為安全生產(chǎn)提供可靠保證。
1 設(shè)計(jì)思路
經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)地觀察與研究發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)煤料倉(cāng)里的煤由于空間密閉、通風(fēng)條件不好，很容易發(fā)生自燃，針對(duì)上述情況，為料倉(cāng)設(shè)計(jì)新增溫度變送器，實(shí)時(shí)監(jiān)控出料料倉(cāng)溫度，防止出料溫度高，堆積后發(fā)生自燃的情況。由于現(xiàn)新增溫度的控制系統(tǒng)無(wú)空余的模擬量點(diǎn)位，在原有的控制系統(tǒng)上擴(kuò)容并新增溫變程序以及畫面。
2 設(shè)計(jì)內(nèi)容
2.1 新建內(nèi)容
1）給料倉(cāng)的中部以及下部開孔安裝溫度變送器。
2）原系統(tǒng)無(wú)空余模擬量點(diǎn)位，新增模塊 6ES7331- 7KF02- 0AB0 兩個(gè)并添加硬件組態(tài)和編寫 300控制程序。
3）新增安全柵以及系統(tǒng)接線工作。
4）添加組態(tài)畫面以及報(bào)警。
2.2 新建實(shí)施步驟
2.2.1 場(chǎng)溫度變送器的選型安裝以及系統(tǒng)接線
溫度傳感器按其傳感器材料及元件特性分為熱電偶和熱電阻兩類，是一種能夠把所感受到的溫度轉(zhuǎn)換為所需輸出信號(hào)的檢測(cè)裝置。在所有類型的溫度傳感器中，由于熱電偶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝不復(fù)雜，使用比較方便，測(cè)量范圍寬，同時(shí)還具有比較高的準(zhǔn)確度。所以在環(huán)境比較惡劣的加熱爐系統(tǒng)中，常選用熱電偶作為溫度檢測(cè)裝置，能夠更好地反應(yīng)出溫度變化。
2.2.2 熱電偶工作原理
熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)———熱電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）[1]。兩種不同成分的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個(gè)恒定的溫度下。
2.2.3 熱電偶分類
常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶兩大類。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶按其分度號(hào)分為 S、 B、E、K、R、J、T 七種類型。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，溫度變送器采用型號(hào)為WRN- 240G的熱電偶，測(cè)量范圍：0~1 200℃；分度號(hào)為 K 型。現(xiàn)場(chǎng)溫度變送器為法蘭盤式安裝，所以在料倉(cāng)中下部以及下部焊接相應(yīng)的對(duì)接法蘭，安裝溫度變送器。把信號(hào)線放入控制室內(nèi)，通過兩入兩出安全柵接入系統(tǒng)，以防止現(xiàn)場(chǎng)有大電流信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)造 成 沖 擊 。 并在導(dǎo)軌上安 裝新增的 6ES7331- 7KF02- 0AB0 模塊兩個(gè)，調(diào)節(jié)量程卡為 C 型。
2.3 PLC 的選型
通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的分析，本設(shè)計(jì)選擇西門子 S7- 300 系列的 PLC。根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制要求我們選用的 CPU為帶有 DP 口的 315- 2DP CPU，它具有 48 kB的 RAM，80 kB的裝載存儲(chǔ)器，而且其可以擴(kuò)展的存儲(chǔ)容量達(dá)到 512 kB，可以擴(kuò)展 1 024 點(diǎn)的數(shù)字量或者 128 點(diǎn)的模擬量[2]。
S7- 300 CPU模塊有以下類型 CPU313、CPU314、CPU315/315- 2DP、CPU318- 2DP 等不同的 CPU可以去選擇。編程梯形圖可以使用 LAD、FBD或 STL 進(jìn)行編程所需的程序。
2.4 硬件組態(tài)以及改編程序
STEP7 是用于西門子可編程控制器組態(tài)和編程的一個(gè)編程軟件，它用于 SIMATIC S7、C7 和基于 PC的 WinAC中，其基本功能包括：硬件和參數(shù)的設(shè)置、硬件組態(tài)、編程、啟動(dòng)和維護(hù)、運(yùn)行和診斷功能等[3]。STEP7 利用項(xiàng)目來(lái)管理一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的軟硬件，用 SIMATIC管理器對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行集中管理，可以很方便地瀏覽 SIMATIC S7、M7 、C7 和 WinAC 的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)各種功能所需的 SIMATIC軟件工具都集成在 STEP7 中。
本設(shè)計(jì)是利用 S7- 300 的 PLC對(duì)加熱爐系統(tǒng)進(jìn)行控制的，當(dāng) PC機(jī)上安裝好 STEP7 軟件后，需要對(duì)它進(jìn)行設(shè)置。其中不能忽略的是要對(duì) PC機(jī)的接口參數(shù)進(jìn)行正確的設(shè)置，以保證 PC機(jī)和 PLC之間能夠進(jìn)行通信。
STEP7 的基本編程語(yǔ)言包括：語(yǔ)句表（STL）、梯形圖（LAD）和功能塊（FBD），其中，梯形圖使用#為普遍。
2.4.1 梯形圖
梯形圖是在傳統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)電路圖的基礎(chǔ)上演變而來(lái)，在形式上類似于電氣控制電路，由觸點(diǎn)、線圈和方框表示的功能塊等組成。梯形圖編程具有形象、直觀的特點(diǎn)，為廣大電氣工程技術(shù)人員熟悉、使用，特別適用于開關(guān)量邏輯控制，是 PLC的主要編程語(yǔ)言。
2.4.2 語(yǔ)句表
PLC的指令稱作語(yǔ)句，由若干條指令構(gòu)成的程序成為語(yǔ)句表。這種編程語(yǔ)言類似于計(jì)算機(jī)的匯編語(yǔ)言，用助記符來(lái)表示各種指令的功能，是 CPU直接執(zhí)行語(yǔ)言。梯形圖語(yǔ)言程序和其他編程語(yǔ)言一樣需要轉(zhuǎn)換成語(yǔ)句表指令后才可被 CPU執(zhí)行。由于其他的圖形語(yǔ)言必須遵循一些特定的規(guī)則，因此語(yǔ)句表語(yǔ)言可以實(shí)現(xiàn)一些其他圖形語(yǔ)言不能實(shí)現(xiàn)的功能，是 PLC編程的基本要素。
2.4.3 功能塊圖
功能塊圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言采用功能塊來(lái)表示所具有的功能，不同的功能塊代表著不同的功能。它有若干的輸入和輸出端，通過軟連接的方式分別連接到所需的其他端子，完成所需的運(yùn)算或控制功能。由于采用軟連接的方式進(jìn)行功能塊之間及功能快于外部端子的連接，因此控制方案的修改、信號(hào)連接的替換等操作可很方便地實(shí)現(xiàn)。
不同的編程方式各有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，STEP7 支持這三種語(yǔ)言之間的相互轉(zhuǎn)換。通常 LAD和 FBD編寫的程序段可以轉(zhuǎn)換成 STL 語(yǔ)句程序，多數(shù)情況下，STL 也可轉(zhuǎn)換成 LAD 和 FBD，但并非所有的 STL語(yǔ)句都可以轉(zhuǎn)換成 LAD和 FBD。 在 Step7 軟件中打開工程項(xiàng)目，點(diǎn)擊 PLC300中的硬件組態(tài)，添加新增的模塊 6ES7 331- 7KF02-0AB0 進(jìn)入機(jī)架并把信號(hào)改為 4~20 mA四線制，量程卡為 C 型 （要求與實(shí)物組態(tài)對(duì)應(yīng)）。在工程的FC150 塊中添加如圖 1 程序（共添加 12 個(gè)其他的同理），把采集的數(shù)字量信號(hào)通過 FC105（模擬量采集塊） 轉(zhuǎn)化成與現(xiàn)裝溫度計(jì)相匹配的溫度值，顯示出來(lái)，圖中 IN引腳為輸入硬件組態(tài)中的地址，HI_LIM和 LO_LIM引腳為實(shí)際溫度計(jì)的量程 0~150 ℃，OUT 引腳為輸出到數(shù)據(jù)塊的地址。再在 DB201 數(shù)據(jù)塊中添加 12 個(gè)溫度變量信號(hào)為組態(tài)王監(jiān)控軟件提供傳輸信號(hào)。
2.5 組態(tài)畫面編寫以及在全廠 PIMS 系統(tǒng)中顯示 報(bào)警
打開組態(tài)王軟件中對(duì)應(yīng)的組態(tài)工程，在軟件的變量中新建變量如圖 2，連接設(shè)備為S7_300_204，寄存器地址為 DB201.92，數(shù)據(jù)類型為 FLOAT 型同理等 12 個(gè)溫度信號(hào)值，再在畫面中打開組態(tài)畫面，添加變量顯示框，點(diǎn)擊后出現(xiàn)如下頁(yè)圖 3 所示，在模擬值輸出中點(diǎn)擊問號(hào)選擇相應(yīng)的變量。通過 PIMS 采集系統(tǒng)把數(shù)據(jù)采集到 PIMS 系統(tǒng)中，#后在 PIMS 系統(tǒng)中添加報(bào)警顯示如下頁(yè)圖 4 所示。
3 結(jié)語(yǔ)
在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，自動(dòng)化、智能化的產(chǎn)品使用越來(lái)越廣泛，本次改造通過使用溫度變送器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)料倉(cāng)溫度，再通過 PIMS 生產(chǎn)管理系統(tǒng)，將其直觀地顯示在監(jiān)控頁(yè)面，控制室的監(jiān)控人員可實(shí)時(shí)監(jiān)控料倉(cāng)溫度，從而保障生產(chǎn)系統(tǒng)能安全運(yùn)行，為安全生產(chǎn)保駕護(hù)航，避免火災(zāi)等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。
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