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S7-300 PLC在换热器温度控制系统中的应用点击：1619 日期：[ 2014-04-26 21:54:02 ] |
| S7-300 PLC在换热器温度控制系统中的应用 王恒强 （南京化工职业技术学院自动控制系，江苏南京210048） 摘要：研究了可编程控制器(PLC)在温度串级控制实验装置中的应用。在本设计中PLC不仅用于对现场仪表的数据采集和处理以外，还用来完成对管式换热器的温度串级控制。PLC的程序设计过程采用应用软件包STEP7来实现。此外，工控组态软件Wincc5.0被用于监控工业生产的动态过程。 关键词：PLC；编程软件；组态软件；换热器 1·概述 当前PLC是专为工业环境下应用而设计的工控机，不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种闭环控制功能。尤其是对小区域的现场控制用PLC来实现,将会更加方便可靠。 S7-300 PLC采用模块化结构、适合密集安装，模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以便用于扩展。其优越的性能价格比,使之成为中小规模控制系统理想的选择。选用西门子S7-300 PLC作为控制计算机，稳定可靠、功能强大且自动化程度大大提高。同时，与其配套的西门子公司WinCC软件监控系统在实际运用中，能够对运行状态做到实时监控并及时作出反馈显示，使操作人员快速准确地了解系统当前状态信息。 2·系统流程及控制要求 工业中常采用换热器进行对流换热，工艺介质出口温度要求控制在50℃。该系统采用串级控制方案，采用串级形式并不仅仅是为了提高主参数工艺介质出口温度的控制质量，流量副回路的引入主要是克服控制阀前后流量的波动及自衡作用对流量的影响，使采出流量变化平缓。本方案能够克服较大的干扰，适用于前后流量波动较大的场合。（见图1） 在换热器热交换生产过程中，存在若干的物理量，如温度、流量等模拟量参数，需要通过PLC对这些参数进行实时采集和处理。实现整个进料和出料过程的全自动控制，需要随时进行故障诊断，并在监控画面上显示进出温度以及蒸汽进口流量。 3·控制系统硬件配置 3.1设备分布 3.1.1管式换热器：数量1台，由南京化工职业技术学院机械厂自制。 3.1.2电热蒸汽发生器：数量1台，型号DZF-4/B，提供过程加热所需的蒸汽。 3.1.3气动薄膜调节阀：数量1台，型号ZMBP-100K，配用型号为QZD-1000的电-气转换器。 3.1.4涡街流量计：数量1台，型号GFM700。 3.1.5铠装铂电阻：数量4支，型号HR-WZPK-224 Pt100。 3.1.6 PLC：数量1台，型号SIEMENS公司SIMATIC S7-300。 3.1.7工业控制计算机（IPC）：数量1台，操作系统为Windows2000 Professional。 3.1.8控制柜：数量1台。 3.2 PLC系统配置 3.2.1输入输出配置 根据控制流程要求，CPU312IFM自带的输入输出模块已经足够，无须再添加单独的输入输出模块。该系统共有5点模拟量输入，1点模拟量输出。 a.模拟量输入：包括4个温度信号和1个流量信号共计5个模拟信号。信号来自相应的变送器，均为4～20mA电流信号。其中一个被加热气体出口温度信号作为串级系统主回路的测量信号，一个流量信号作为副回路的测量信号。被加热气体出口温度和饱和蒸汽的进、出口温度信号的引入是为了对管式换热器设备热交换生产过程进行对象静态特性和动态特性的分析。 b.模拟量输出：设定值，为4～20mA电流信号，输出到气动薄膜调节阀。输入输出配置如图2。 3.2.2 PLC配置 自动化监控系统的PLC采用SIEMENS的S7-300系列。根据系统要求，PLC总体配置如下： a.中央处理模块（CPU）：选用CPU312IFM。 b.模拟量输入模块（AI）：选用SM331，1块（8×12位）。处理5点输入信号。 c.模拟量输出模块（AO）：选用SM332，1块（4×12位）。处理1点输出信号。 d.电源模块：选用PS-307，5A，24VDC。 e.特制异形板导轨：530mm。f.PC适配器RS232串行通信 接口：型号6ES7 972-0CA23-0XA0。 3.3系统线路连接 3.3.1 S7-300PLC安装时先将总线连接器装在导轨上，然后依次将各模块装入。 3.3.2电源模块PS-307输出 24VDC，与CPU模块和其他信号模块之间通过电缆连接。 3.3.3 S7-300系列PLC的CPU模块内置有MPI多点接口用于通信。本系统选用普通PC机作为监控／编程计算机，实现对PLC的程序编制和调试。在上位机中安装了MPI通讯卡并通过RS232串行通信接口以实现上位机与PLC间的通信。 3.3.4该系统需监测的模拟量信号包括温度和流量信号，通过相关变送器转变成4～20mA标准电流信号，接入PLC的模拟量测量模块。其中温度变送器选用的是型号HR-WZPK-224Ptl00的铠装铂电阻。流量变送器选用的是则号为GFM700的超声波流量计。 3.3.5模拟量输出为4～20mA电流信号，输出到带有QZD-1000电-气转换器的ZMBP-100K气动薄膜调节阀。 4·控制系统软件构成 换热器热交换生产过程监控部分采用典型的两级监控方式。下位机由西门子S7-300PLC构成，为基础测控级，面向生产过程完成生产现场的数据采集及过程控制等；上位机作为主要的人机界面（Human-Machine Interface），为生产管理级，通过WinCC软件监控系统完成对下位机的监控、生产操作管理等，主要面向操作人员。软件系统包括下位机PLC控制软件和上位机人机界面软件，组态软件为STEP7 V5.0及WinCC 5.0，其中STEP7 V5.0完成系统组态及编程，实现对换热器的出口温度串级控制。WinCC 5.0用于调节并监控现场各参数，实现人机交互界面。 在STEP7中通过一个系统组织块OB1将组织块OB35、控制功能块FB41，以及5个存储系统数据块DB1、DB2、DB3、DB4、DB5结合成一个整体，以实现对换热器温度控制系统的安全可靠、高效的监控。 OB1主程序循环组织块是最重要的组织块，在OB1块中编写程序实现将5个模拟量输入信号依次读入到计算机里，同时实现数据类型由整数到实数的转换。并且在程序中将32位浮点数转换成0～100或0～50范围之间的数值。 SETP7提供了一个以固定时间间隔循环运行的（定时中断）组织块OB35。在OB35中编写逻辑图程序实现PID闭环控制。通过调用FB41功能块能够实现PID控制功能。FB41在控制过程中的作用就相当于一个“反作用”的调节器。如图对两个FB41块分别进行输入参数设置。第一块“PV-IN”端口读取来自于DB1数据块中的数据块号为0的双字类型的输入数据作为主回路的测量值；“SP-INT”端口接收来自第一个块的输出值作为第二个块的给定；“PV-IN”端口读取来自于DB1数据块中的数据块号为1的双字类型的输入数据作为副回路的测量值；输出值“PV”存入DB1数据块中。通过对2个FB41功能块的设置实现了串级控制方案。（见图3） 在WinCC 5.0中创建项目，对各种过程画面并进行进一步的组态。WinCC 5.0组态系统采用“SIMATIC S7 Protocol Suite”作为驱动程序，通过CP5611卡与下位S7-300 PLC进行通讯。将S7-300程序下载到PLC，在完成测试后就可将系统投入正式运行，系统运行后过程中上位机的监控画面如图4所示。 结束语 温度串级控制系统选用西门子S7-300PLC作为控制计算机，稳定可靠、功能强大且自动化程度大大提高。以西门子公司的WinCC软件监控系统能够实时监控系统的运行状态并及时作出反馈显示。可以看到采用西门子S7-300 PLC的优点是功能比较简单，安装调试比较容易。在该系统中PLC充分显示了其配置灵活、控制可靠、编程方便和可现场调试的优点，这给整个系统的稳定性带来较大的益处。实际应用表明，该系统具有良好的运行特性，这种方法对其它生产线或设备的控制也具有一定的参考作用。 参考文献 [1]西门子(中国)有限公司.Simatic Step7程序设计编程手册[Z]. [2]西门子(中国)有限公司.WinCC 5.0编程手册[Z]. [3]程周.可编程序控制器技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2002. [4]周军.电气控制及PLC[M].北京：机械工业出版社，2005. [5]廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用[M].重庆：重庆大学出版社，2004. [6]俞金寿.过程自动化及仪表[M].北京：化学工业出版社，2003。 作者简介:王恒强（1982～），男，江苏江都人，助理实验师。 |
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