西门子PLC实际应用

前言
   随着计算机控制技术的迅速发展，以微机处理为核心的可编程序控制器（PLC）控制已逐步取代继电器控制，普遍应用于各行各业的自动控制领域，矿山采矿运输系统也不例外，吉林吉恩镍业股份公司大岭矿GKTD型提升机电控系统即为西门子PLC（S7-300）控制系统，整个控制系统自动化程度高，方便维护，运行可靠。

   矿井提升机是矿山井下采矿运输系统中的关键设备，它承担矿物的提升，人员的上下，材料和设备的运送。矿井提升机作为地面与井下物质与人员流通的运输工具，在操作安全性和提升控制性等 方面都有很高的要求。提升机的运行直接影响矿井生产，而且也与矿山职工的生命安危息息相关。

    原电控系统已运行多年，而且均采用继电器连锁，模拟分立电子元件控制，使检修和维护的难度非常大，一旦出现问题无法立即监测故障点，各种分立电子元件容易老化，监测和更换难度比较大。组合件都是在触点开关状态下工作，由于频繁动作，造成触点接触不良及器件的使用寿命减少，且噪声较大。

    为了便于对提升机运行的准确操作，方便物质与人员上 下，防止 冲罐、坠罐等恶性事故的发生，控制提升机任一时刻在井中的位置与运行速度，减少系统的故障率,提高系统的可维护性.我公司根据根据实际运行和维护的要求，在细致研究原电控系统的基础上，结合国内外提升机的运行及改造情况，对原有的电控系统提出了以下改造方案。

1  方案介绍

    ⑴采用模块组合式设计思想，结构紧凑，方便、灵活、占地小，易于系统的维护与功能的扩展。

    ⑵整机采用西门子PLC（S7-300）控制，采用内部继电器代替外部中间继电器和时间继电器,大大提高了系统的可靠性,减小系统的故障率.实现了系统的程序化运作和故障自诊处理。运行稳定，安全可靠。

    ⑶对于主电路过电压过电流保护环节，保留原有的电流继电器，主脱扣空气开关，和逆功率继电器。并且把节点送入PLC处理。

    ⑷在保留原来测速发电机做为测速反馈的基础上，增加高精度编码器实现提升机的位置和速度、方向监测，运用软件编程，实现提升机的限位保护、等过速度保护、低速，亚同步速，爬行等进行灵活的处理。及时发出预报警信号，故障紧急处理等。

    ⑸按照以电流为主时间为副的控制思想，自动调整切除电阻的时间，保障提升机的平稳启动，而与提升负载无关，同时实现启动保护，运行保护。同时时间继电器全部由PLC内部继电器,不需要进行整定,需要的时候可以进行手动修改.

    ⑹对可调闸环节，稍作改进，保持原有的操作方式，对其控制部分进行重新设计，以接入整个系统实现控制和监测。CPU进行数据的控制处理后通过模拟量的输出来控制模块化的可调电源，用其对可调闸线圈进行控制。增加了系统的准确性，可靠性。

    ⑺对于可控硅动力制动环节，采用先进的数字触发电路，对其触发电路进行改造。其控制也采用CPU进行统一的控制和处理。保留原有的控制方式，增加一个电压反馈板，以进行更加和可靠的控制。

    ⑻二次制动由自动进行调节，但手动可以调节二次制动的力度和时间。停电和过卷时，通过程序来实现故障保护，实现连锁。

    ⑼自整角机部分:除保留用于深度指示的一对感应自整角机,用于带动操作台上的园盘指示器.手闸自整角机,脚踏动力制动自整角机,减速段速度给定自整角机均换为轴角转换器。取消的原来磁放大器，采用轴角变换器把角度信号转成标准信号，实现1/5000的转换精度，接入CPU进行统一处理。

    ⑽控制系统的主要电器元件均采用进口元件，大大降低了设备的故障率。

    ⑾对系统信号进行全面检测，具有提升机运行状况的实时显示和各种保护指示，便于司机快速做出反应，也便于检修和维护。

    ⑿可由计算机来设定和监视提升机的运行情况，修改参数和进行故障排除等。

2  控制系统简介

    计算机技术和网络技术的飞速发展，为工业自动化开辟了广阔的发展空间，本控制系统采用模块化设计，结构紧凑，采用柜内集中安装，各功能模块之间通过并行背板总线相连，将控制系统分成独立而又相互的子系统，以适合I/O分散安装的控制程序。

    CPU均采用IEC1131-3或STEP7编程语言，STEP 7是专为SIMATIC可编程序控制器配置和编程的标准软件包,它是SIMATIC公司工业控制软件的一部分.我们要用的是关于STEP 7 SIMATIC S7-300/S7-400, SIMATIC M7-300 /M7-400,符合EN61131-3或IEC1131-3标准.

    它具有以下功能:
    ⑴ 完成各种工业控制，建立和管理项目
    ⑵对硬件和通讯作组态和参数赋值
    ⑶管理符号及创建程序，向可编程序控制器下载程序，上传数据
    ⑷ 诊断设备故障
    ⑸测试自动控制系统
    ⑹功能强大的软件处理指令
    ⑺具有强大的网络功能

    轴角变送器采用自整角机或旋转变压器作检测元件，运用检测技术，将旋转物体转过的角度经微处理器进行处理后换算成角位移或直线位移输出。 取消了传统的SD变换，提高了转换精度。 该模块同传感器组合相当于8～16位的编码器测量精度，其性价比远高于编码器测量方式，是工业现场zui为理想的角位测量模块。

    高精度编码器选用E6C2-A, 其精度能达到1024或更高，耐冲击性能达到1000M/S2,具有*的耐用性，且采用密封轴承，达到IP64防护标准，可以在恶劣的环境下使用。运用软件编程,实现提升机的位置和速度、方向监测，，实现提升机的限位保护、加速度保护、位置检测，及时发出预报警信号。

3 系统结构图

4 系统的主要性能指标

    由于自动化程度的提高，极大地增加了设备运行效率，可为企业的高产、连续生产创造良好条件。广泛吸取了当今同类先进技术，将模拟机用于控制、检测、保护、信号等任务的硬件设备的功能由计算机软件来实现，极大地简化了系统硬件结构。经改造后整个系统的性能指标能达到以下要求：

    ⑴系统的可用性
系统的设计充分考虑了在整个工程环境中的不同因素，以保证在现场安装调试后立即适用并进入稳定可靠运行。

    ⑵系统的可维护性
    系统的硬件、软件设备便于维护，各部件都具有自检和联机诊断校验的能力。软件有备份，便于工程师维护，应用程序易于扩充，便于用户自行编制的程序加入系统中运行。

    ⑶系统的可靠性
系统在工程现场运行具有很高的可靠性，其平均*时间MTBF≥30000小时。除了符合要求的保护和闭锁功能外，还增加了软件的保护功能。

    ⑷系统的容错能力
    软、硬件设备具有良好的容错能力，当各软、硬件功能与数据采集处理系统的通讯出错，以及当司机或运行人员在操作过程中发生一般性错误时，均不影响系统的正常运。行。对意外情况引起的故障，系统具备恢复能力。

    ⑸系统的安全性
    正常情况下，硬件和软件设备的运行均不会危及现场设备的安全稳定运行和工作人员的安全。保障对设备和工作人员的安全。

    ⑹系统的抗电磁干扰能力
    系统具有足够的抗电磁干扰能力，加入软件滤波，符合IEC标准，确保在各种环境中的稳定运行。

5结束语

    该控制系统于2003年年底正式投入运行，系统年可用率大于99.9%。该设备具有运算速度快、控制精度高、误差小、稳定性好、功耗低、系统功能易于调整、参数设置简单等优点。

核心提示： 西门子冶金技术部开发了一种能够从电弧炉的高温废气中回收热能的系统。以前那些排入环境中而未得到利用的热能如今将被用来产生蒸汽。这些蒸汽既可以在钢厂的其他工艺中得到有效使用，也可以用于发电。系统具有模块化结构，可以根据需要回收的热能数量确定规格，并可以集成到现有的废气冷却系统中。

蒸汽可以直接使用或用于发电
降低蒸汽成本并减少矿物燃料消耗
模块化结构便于对现有设备进行改造
西门子plc冶金技术部开发了一种能够从电弧炉的高温废气中回收热能的系统。以前那些排入环境中而未得到利用的热能如今将被用来产生蒸汽。这些蒸汽既可以在钢厂的其他工艺中得到有效使用，也可以用于发电。系统具有模块化结构，可以根据需要回收的热能数量确定规格，并可以集成到现有的废气冷却系统中。为了zui大限度增加蒸汽产生量，可以用该系统*取代电炉炼钢厂的普通废气冷却系统。吨钢能量需求可以减少22.5千瓦时，这已在土耳其一家钢厂得到证实。如果将产生的蒸汽用于钢厂内部电站给水的预热，则节煤潜力可能达到每年45,000吨。
为了降低运行成本和满足环保要求，越来越多的电炉钢厂正在努力提高自己的能源效率。尽管基于废钢回收的电炉钢生产路线的单位能量需求远低于基于铁矿石的生产路线，但仍然是一种耗能型工艺。根据操作方式的不同，电弧炉使用的能量有多达三分之一损失在废气中。废气的显热通常经由水和空气冷却系统排入环境中，而没有得到利用。
废气的温度往往高达1,800°C。为了让这部分数量可观的热能得到利用，西门子开发了一种蒸汽发生系统，能够集成到现有的电弧炉废气冷却系统中，或者可以将其*取代。该系统的组成包括一台锅炉（含汽包）、管路、水箱、锅炉给水泵组以及配套的传感器。一组给水泵向锅炉供水，并且保证必要的压力。为了提高回收性能，系统可以采用一种称之为“节约器”的给水预热装置。在向锅炉汽包给水之前，这种节约器能够将水加热到接近沸点。
为了尽可能地从电弧炉废气中提取热能，西门子新开发的系统设计了许多不同的辐射和对流传热面。水在循环泵组的作用下通过配水管流到受热面，供水量取决于管路的不同几何形状和相应部分的热负荷。相应调节的循环率保证了锅炉系统运行的安全性、可靠性和经济性。在每次循环中，汽包和传热面之间都有一定量的锅炉水蒸发，产生的蒸汽泡随后在汽包内与水分离。由于冶炼工艺并不稳定，可以考虑安装一个蒸汽缓冲罐，以平衡蒸汽的发生。
西门子plc热回收系统专门针对钢厂的恶劣条件而设计。废气中含有大量的灰尘和腐蚀性成分，废气的温度和流量不断变化，这些问题都必须加以解决。另外，系统还配备了必要的安全装置，以满足《压力设备指令》的要求。系统的模块化结构能够根据不同钢厂的具体需要进行调整，因而便于对现有系统进行改造。用户可以选择直接以蒸汽形式使用回收的能量，或者将其供给蒸汽涡轮机用于发电。
在一家土耳其钢厂中，西门子在一座出钢量为190吨的电弧炉上安装废气能量回收系统，并对效果进行了分析。研究的系统方案是在钢厂的自有燃煤电站利用回收的热能对给水进行预热。连续产生的50巴（绝压）高压蒸汽能够使该电站每年节省用煤大约45,000吨。如果将蒸汽直接用于发电，则电力输出能够达到5兆瓦。这相当于每吨钢水的单位能量需求减少22.5千瓦时。西门子plc

· 1引言

装配线上共计20余个工位，包括7个普通转台、2个维修转台、4个无滚轮举升台、7个单向滚轮举升台以及2个翻转机。

整个被控对象包括22个工位,每个工位上包含必需的转移电机或举升电机,此外还有32个生产线传输电机。每个工位均由一个ET200S和一个ET200eco从站组成,用于该工位的I/O点数据采集和发送以及分散控制。

2系统结构及功能

系统包括操作员站、工程师站、自动化系统、网络和现场I/O站等几个部分。

系统各部分功能:

操作员站:提供全汉化人机界面，实现控制系统的监控操作功能(操作、显示、报表、报警、趋势)，并且可以在人机界面上直接查看对应的step7源程序。

工程师站:用于系统的组态和维护。

自动化系统:使用SIMATIC控制器完成回路调节和逻辑运算。

现场I/O站:使用现场总线技术，在设备现场直接采集现场仪表的信号,控制现场的执行机构。

现场总线ProfiBus:用于连接控制单元与操作员站以及管理网络。

本系统采用PLC300CPU和CP342-5、CP343-1的接口模块相连构成系统的主站。CP342-5是用于连接S7-300和profibus-DP的主/从站接口模块，CP343-1是用于连接S7-300和工业以太网的接口模块。在该控制系统中，除了上述主站外，从站是由22个ET200S和22个ET200eco组成，分别分布在两条profibus网络上。CPU上自带的profibus-DP接口构成profibusⅠ线，CP342-5接口模块构成profibusⅡ线。

系统中ET200S从站上采用的IM151-1接口模块有两种:基本型和标准型，基本型的接口模块所能挂接的电源管理西门子模块和I/O模块个数范围为2~12个，标准型的接口模块其范围为2~63个。所以当从站I/O模块较多时，宜选用标准型的接口模块。接口模块上带有profibus地址设定拨码开关。

系统中ET200eco从站中选用了8DI和16DI两种模板，模板结构紧凑，模板的供电采用7/8’电源线，模板的通讯采用M12通讯接头。接线灵活而快速，方便拔插。其接口模块上带有2个旋转式编码开关用于profibus地址分配。

网络设备按照适应工业现场环境的程度，以及生产线的布局来考虑选用不同防护等级。控制箱中的模块采用防护等级为20的ET200SI/O模块，对应每个控制箱的还有一个防护等级为67的ET200eco模块，置于生产线滚轮下方，由于该模块需要接触到现场较为恶劣的生产环境，因此需要有防水防油防尘等功能西门子plc

3目标控制系统

3.1系统设计

汽车发动机装配线是一个对发动机顺序装配的流水线工艺过程。由于工艺的繁琐性，工程的计算机控制系统考虑采用分散控制和集中管理的分布式控制模式，采用以PLC为核心构成的计算机控制系统，各独立工位控制系统之间通过网络实现数据信息、资源共享。该装配线在整个生产过程中较为关键，由于每个工位之间是流水线生产，因此每个环节的控制都必须具备高可靠性和一定的灵敏度，才能保证生产的连续性和稳定性。从站中的每个ET200S站和其对应的ET200eco站共同构成一个工位,ET200eco主要是采集现场数据之用。ET200S站的模块置于小型控制箱内,对于工位的基本操作有两种方式，就地控制箱手动方式和就地自动方式。由于每个控制工位的操作进度不一致，操作工可以按照装配要求进行手自动切换。特殊情况下亦可通过手动操作进行工件位置的修正安装在各工位的分布式I/O模块ET200S和ET200eco通过现场检测元件和传感器将系统主要的监控参数(主要是开关量)采集进来，ET200S和ET200eco将现场模拟量信号转换为高精度的数据量，通过zui高速度可达12M的Profibus-DP现场总线网络将采集数据上传到中央控制器，控制器根据具体工艺要求进行处理，再通过Profibus-DP网络将控制输出下传给ET200S，实现各工位的控制流程。PROFIBUS是应用zui广泛的过程现场总线系统。西门子plcPROFIBUS有三种类型:FMS、DP和PA。PROFIBUS-FMS可用于通用自动化;PROFIBUS-DP用于制造业自动化;PROFIBUS-PA用于过程自动化。使用PROFIBUS过程现场总线技术可以使硬件、工程设计、安装调试和维修费用节省40%以上。PROFIBUS-DP的技术性能使它可以应用于工业自动化的一切领域，包括冶金、化工、环保、轻工、制药等领域。除了安装简单外，它有*的传输速率，可达12Mbits/s，通讯距离可达到1000米，如果加入中继器可以将通讯距离延长到数十公里，具有多种网络拓扑结构(总线型、星型、环型)可供选择。在一个网段上zui多可连接Profibus-DP从站即ET200S或是ET200eco32个。