S7-200在玻璃行業平鋼化控制系統中的應用

一、項目簡介

煙臺美極玻璃現在為一中型玻璃加工企業，以生產中空玻璃，玻璃加工為主，于2006年5月正式新上一套平板玻璃鋼化生產線。其重要性，不僅在很大程度上，滿足了市場的急需，同時也決定了全廠的生產水平和效益。該設備整體近30M長,連續不斷生產，除了需要有制造精良機械部分外，自動控制的優劣是其性能和可靠性的關鍵部分。洛陽西菱自動化設備有限公司長期從事化工自動化開發研究和系統集成的公司，承接該項目后，在充分了解該平板玻璃制造工藝的控制全過程和廠方的需要，精心設計了包括由10.4”液晶人機界面，S7-200PLC控制系統和多臺SRR加熱控制柜組成的集中式控制系統。經安裝和調試，實施投產，經過半年多的實際運行，為企業創建了巨大的效益。

二、系統簡要工藝介紹

平板玻璃鋼化工藝一般采用優質玻璃為原料，以平鋼化生產線為主要生產設備。該生產線約寬2.5M,長25M，依次分布為上片臺，加熱段，風柵冷卻段，下片臺，各工段均有不同材質的輥子運送玻璃。輔助設備有鼓風機，風道，控制柜等。其生產過程分成上片，自動往復加熱，往復急冷，往復吹風，取片五個工藝階段。開車前逐步使加熱段呈矩陣分布的上下電爐升溫至650℃，做好生產準備。在一定的時間段，人工將原料片玻璃在上片臺排放好位置，至前爐門前光電開關止。當確認可以進爐時，啟動按鈕，前爐門打開，放片段和加熱段按進爐速度同步前進。爐前光電開關與編碼器配合，開始測量玻璃長度，同時加熱時間計時開始。當玻璃到進爐距離減速到位，管前爐門并放片停止。加熱主傳動按加熱往復速度，爐內有效距離，反向行進，如此形成往復擺動。當加熱時間剩20秒，啟動冷卻風機到高速。一但加熱時間到，打開后爐門，加熱主傳動和風柵主傳動按出爐速度同步高速出爐，熾熱的玻璃快速進入風柵急冷鋼化，同加熱爐動作類似，并按往復速度擺動，急冷時間到后，冷卻風機改低速繼續擺動。直至冷卻時間到，風機減速停，風柵轉動和取片轉動按取片速度同步出柵，鋼化玻璃至后光電開關處自動停止。生產過程，周而復始，連續進行。遇到某些工藝情況，對局部階段需要增加或減少頂部或底部閥門開閉，改變或跳過一些階段，系統同時具有多種報警。緊急停時有安全位置，運行時有安全連鎖。

綜上所述，平鋼化系統是一個既有大量開關量和大量SSR溫度調節回路（數量達30－60個溫度檢測點和調節回路），又有多個編碼器和變頻器組成的速度距離測量控制回路，及人機界面和少量儀表模擬量組成的涉及面復雜的控制系統。它是通過人機界面和現場眾多鍵控，能夠靈活多變，適應多種不同鋼化工藝需要的順序控制。畫面要能清楚地顯示主要工藝流程，方便靈活地控制大量參數。各階段距離和時間，速度，以及不同的玻璃規格工藝指標，要求能在不同情況下靈活調節，連續顯示各時間段，溫度值和玻璃動態位置。其主要控制對象有三個要點：其一是各階段時間設置和控制；其二是溫度檢測和調節回路；其三是速度測量控制和距離測量控制。由于過程中含有大量的工藝指標，運動速度高，如出錯，導致大量的廢品，甚至損害設備，因此對安全性要求極高，控制必須準確無誤，極為可靠。設備整體外觀見下面圖1：

圖1

最終選定硬件配置如下, 共計S7-200 CPU 1個，各類模塊6個。溫度模塊6個，變頻器5個。

CPU226XP CN 6ES7216-2AD23-0XB8 1個

電源模塊 6EP1 3311-SH02 3個

DI/O數字擴展模塊6ES7223-1BL22-0XA8 3個

AI/O模擬擴展模塊6ES7 2350-KD220XA8 1個

AO數字擴展模塊 6ES7 232-0HB220XA8 2個

M440 2.2KW變頻器 6SE644 2DU222BA1 2個

M440 1.5KW變頻 6SE644 2DU215BA1 1個

M440 3.0KW變頻器 6SE644 2DU230BA1 1個

康沃 220KW變頻器 CVF-G2-4T2200 1個

泓格溫度模塊 I-7018 6個

人機界面 MT510TV4 1個

三、控制系統構成

硬件配置和系統構成要點如下圖2。

圖2

根據系統上述特點，改造前的PLC的選型工作是一件非常關鍵的事。PLC是核心部件，決定系統的功能，適用性，安全可靠性和價位。根據現有各制造廠方的經典作法，上述系統均采用PC+OMRON中型PLC+專用電路板＋OMRON變頻器，或是PC+S7300系統＋施奈德變頻器，已有相當數量的工程實例。但本工程是為一家私營企業配套，價格既不能高，又不能降低控制性能和安全可靠性，這當然有相當的難度。經過再三斟酌和周密思考，最終選擇西門子S7-200PLC作控制系統。

本方案是選用S7-200系列 CPU226XP作主控制，溫度控制有大量的DI/DO,增加3塊I/O數字量模塊。 5臺變頻器用電壓信號作調速控制，因而選2塊AI/AO模塊。系統需要測速和控制轉速，以及距離控制，硬件為編碼器，利用PLC固有的2組A-B高速計數。由于溫度點實在太多，溫度模塊數量系統無法容納，另采用泓格串口溫度模塊解決,用自由口通訊。電源用SITOP模塊。

人機界面的選擇，一是流行的做法，由PC機＋組態軟件＋大屏幕顯示器，效果極佳。其缺點是WINDOWS操作系統的故障，造成系統的不可靠，且成本較貴。另一個方案是使用西門子的人機界面OP270，可靠性極高，組網方便，但成本更貴。人機界面選e-VIEW 10.4”彩色, 經濟實惠，滿足需要。

整個控制系統由4臺控制柜和一個立柱式人機界面操作箱組成。操作箱裝有人機界面，旋紐開關，信號燈，及蜂鳴器等,相距30M,通過PPI通訊電纜與PLC相聯。PLC控制柜裝有PLC,模塊, 小型斷路器,開關電源模塊,繼電器等,是整個系統的控制中樞。另一臺是傳動控制柜，裝有AOP面板，溫度表、電壓表、控制開關、信號燈等，柜內安裝小型斷路器、接觸器、熱繼電器、開關電源、變壓器、電磁閥電源、及4個變頻器。中間2個加熱控制柜，裝有大型斷路器開關，大量SSR模塊，快速熔斷器，異性鋁材散熱器，散熱風扇等。硬件品質對整體設備可靠性有重大影響，必須堅持選擇有認證的優質產品。選擇有

ISO認證的廠家通過OEM形式整體制造控制箱，控制柜。只有從整體制造的各個環節嚴格把關，才能打造設備整體的可靠性。控制設備整體外觀見上面圖3：

四、控制系統功能及要點

平鋼化控制第一個特點是具有大量的加熱爐溫度檢測和溫度控制調節回路。平鋼化工藝中溫控系統呈矩陣分布，是一個具有36個熱電偶檢測點和36個SSR（固態繼電器）溫度調節回路的系統。與一般系統相比，的確很龐大。大量的溫度點使我們檢測只能選擇現場測溫模塊。6個測溫模塊在現場貼近熱電偶分布式安裝，以降低干擾，節約補償導線。利用CPU226XP 通訊口1與6個測溫模塊組成主從式自由口通訊網絡。根據測溫模塊提供的通訊協議，進行專用的通訊程序編制，實現通訊。PLC通過輪詢，現場各點溫度實時值進入PLC儲存器。輸出的控制對象為SSR,進行固定周期的通斷比控制，所以占用數字輸出點36個。由于CPU226同時只能開啟8個PID通道，如果交替使用，反應速度慢，程序冗長，效果不見得好，因此改用模糊控制。將給定溫度和測量溫度相比較，查表，得到相應的通斷比控制值輸出。作出一個帶參數的溫控子程，可方便多次調用。整個生產過程中，溫度基本保持恒定不變。通過硬件和編程的結合，系統解決了多溫度點控制回路的技術難點。

平鋼化控制第二個特點是具有能夠靈活多變，適應多種不同鋼化工藝需要的順序控制。生產過程的上片，自動往復加熱，往復急冷，往復吹風，取片五個工藝階段，決定本系統是按一定時間順序為基礎和外部給定為條件的順控程序。PLC的編程根據平鋼化工藝控制的特點， 5個主要工序形成步序核心控制。S7200順控（SCR）指令為編制順控提供理想方式，簡化程序，條理清晰，實現結構化，模塊化，安全可靠，同時增加程序可讀性。在不同的步序段中，各階段時間設置和轉速，距離控制是通過人機界面和現場眾多鍵控，能夠方便靈活地進行多種設置組合，來確定要完成的工藝。在不同的步序時間段，根據不同情況，控制傳動電機的啟動、加速、運動、減速、距離到時反向、正向，控制風機的啟動、加速、高速運轉、減速、停止，調用多個子程及中斷程序，完一個接一個的單項功能。步序象是一個傳送鏈，當一批玻璃進入往復急冷后工序后，程序控制又一批玻璃開始進爐加熱步序，形成一個連續不斷的生產線。順控程序的編程并非難點，重要的是步序必須安全可靠，有時單一轉移條件是不夠的，需要采取一定的措施和多重判斷，增強保護。一些關鍵部分，增加了必要的連鎖。

由多個編碼器、光電開關和變頻器組成的給定同步速度控制和長度、距離測量控制系統，是平鋼化控制的第三個特點。測量一批被加工玻璃的總長度，是在加熱段和風柵段往復運動控制的基礎。用爐前光電開關，編碼器與PLC高速計數口，及軟件配合可測量玻璃長度。首塊玻璃前沿通過光電開關時起，編碼器從零計數，到進爐距離到位前，最后一塊玻璃后沿通過光電開關時結束，記錄編碼器脈沖數，乘系數（mm/脈沖），可得到玻璃總長。如同計算玻璃長度，爐內所有距離在PLC中是以脈沖數為單位來計算。高速計數判斷進爐距離（脈沖數）到位后，通過中斷，控制改變變頻器運動方向和速度，玻璃反方向運動，高速計數變向作減計數。爐內可設定的有效距離與玻璃總長之差，即玻璃的反向運動距離。當計數器檢測到這一距離（脈沖數），產生中斷，再次改變變頻器運動方向和速度，玻璃重新改正方向運動，多次的翻來覆去形成玻璃在爐內的多次反復擺動。為保持運動的平穩和到位準確，在正反向到位前的一段距離，有一段勻減速運動。當加熱時間到達時，風機高速運行，程序停止擺動控制，控制主傳動和風柵傳動同步向風柵段方向運動。在進入風柵段同時，往復急冷步序開始計時，風柵編碼器開始清零計數，玻璃在風柵平臺上，以在加熱爐內同樣的方式，反復擺動，急冷使玻璃迅速鋼化。當急冷時間到，玻璃繼續擺動，風機減半速。冷卻結束時間一到，關風機，風柵傳動和下片傳動同步向前運動，玻璃直至到光電開關處停止運動，完成一批玻璃鋼化。風柵段見圖4：

圖4

系統需要有一個直觀方便靈活的人機界面進行人機對話。平鋼化工藝不算特別復雜，但仍需要有一個能清楚地表達主要工藝流程，玻璃的運動動態位置，方便靈活直觀地設置大量參數的畫面。各階段距離和時間，速度，以及不同的玻璃規格工藝指標，要求能在不同情況下靈活設置和調整，數值是便于理解的常用物理單位，如速度米/秒，距離mm,時間s，風壓KPa等。而PLC內部運動控制的基礎是脈沖數，這需要人機界為我們建立溝通的橋梁。同時需要連續顯示大量溫度值和各段時間動態變化。36個溫度控制，即可集中給定，又能分別給定，還可單獨開停測試。各個傳動電機，除滿足自動控制要求外，在畫面里也均可手動開停試驗。為此我們選用10”彩色觸摸屏通過中央畫面，溫度畫面，控制畫面，設置畫面等來完成上述任務。通過PPI通訊方式，完成與PLC連接對話。 應用中的監視畫面見圖5：

五、系統評價及總結

自2006年5月份投入使用，至2005年9月，系統歷時長期連續不間斷的運轉，顯示了該裝置運行可靠，安全穩定，功能強大，適應性強，價格經濟等優點。項目調試完成后，盡管連續生產，至今為止，尚未提出過要進行任何維修和處理,說明質量非常可靠。廠方認為，該項目首先為企業創建了巨大的效益。同時提高了本廠的自動化水平，集中控制，顯著提高操作水平和工藝水平。可靠性大大增加，系統安全穩定。單耗大幅度降低，在同行創出高水平。

圖5：

六、應用體會

通過這一項目全過程的設計、編程、調試及反復實踐，對S7-200 PLC應用特點有了更為深刻的認識：

1．S7-200 PLC價格經濟實用，體積輕巧，功能強大，擴展模塊齊全。特別是CPU22X XP CN系列出世，同等規模系統，性價比更高。因此更適合大量采用到較復雜的項目當中。

2．通訊能力超強，形式簡單，并有多種擴展方式，自由口能力強，可與多家串口產品通訊組網，足以完成項目的特殊需要。本項目即一種具體應用。

3．煙臺平鋼化控制系統的成功實現，為平鋼化控制實現低成本自動化，開辟了一條低投入，高效益、易普及的新路。

4．由于項目時間的限制，硬件和技術準備的不足，本項目中原打算變頻器用USS通訊形式控制轉速的方式，未能實現，實在遺憾。唯有今后更加努力。