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[摘要] 本文重點(diǎn)介紹了以Siemens S7 PLC為核心,采用現(xiàn)場總線分布式控制系統(tǒng)(FCS)，在我公司開發(fā)的日產(chǎn)150噸大容量滌綸紡絲生產(chǎn)線中的應(yīng)用、特點(diǎn)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方式。
[關(guān)鍵詞] 分布式控制系統(tǒng)(FCS)、現(xiàn)場總線、可編程序控制器PLC、現(xiàn)場I/O、紡絲機(jī)、卷繞牽引喂入、盛絲桶往復(fù)機(jī)。

一、工藝流程及概況

熔體直接紡大容量滌綸紡絲生產(chǎn)線的工藝流程：熔體增壓泵---熔體輸送管---紡絲箱體---計(jì)量泵---中心內(nèi)環(huán)吹裝置---卷繞機(jī)---牽引機(jī)---喂入機(jī)---盛絲桶往復(fù)機(jī)。本聯(lián)合機(jī)共有6個(gè)紡絲箱，有36個(gè)紡絲位，每個(gè)紡絲位配置一臺(tái)高精度的計(jì)量泵。直紡熔體經(jīng)增壓泵增壓后由熔體輸送管將熔體輸送至紡絲箱，經(jīng)計(jì)量泵計(jì)量后由噴絲板噴出，通過中心內(nèi)環(huán)吹裝置，受空氣冷卻固化后進(jìn)入卷繞機(jī)，各紡絲位絲束經(jīng)過上油裝置后進(jìn)入牽引機(jī)，再由喂入機(jī)送入盛絲桶往復(fù)機(jī)。

日產(chǎn)150噸大容量滌綸短纖維紡絲生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)是基于PLC的現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)(FCS)。系統(tǒng)的控制范圍涵蓋熔體直接紡生產(chǎn)線的熔體配管增壓泵到盛絲桶往復(fù)機(jī)的全部范圍。

二、控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

大容量滌綸短纖維紡絲生產(chǎn)線電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：
1、采用基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)FCS，系統(tǒng)高度穩(wěn)定可靠，有很強(qiáng)的抗干擾能力；
2、開放式的總線，容納第三方設(shè)備；
3、變頻調(diào)速采用高精度的Siemens 變頻傳動(dòng)系統(tǒng)；
4、實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化、全現(xiàn)場化控制；
5、設(shè)備集中監(jiān)控、友好的人機(jī)界面；
6、可以實(shí)現(xiàn)車間和工廠級(jí)的信息化管理，向信息系統(tǒng)自動(dòng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；

三、控制系統(tǒng)架構(gòu)

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用分層控制方式，由上位工業(yè)PC機(jī)、HMI觸摸屏、OP操作屏、S7 PLC，變頻控制柜和現(xiàn)場I/O及現(xiàn)場設(shè)備等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如〈圖一〉所示：

2、功能組成
如上圖所示，控制系統(tǒng)分為三個(gè)控制層次：
中央監(jiān)控管理層---工業(yè)PC計(jì)算機(jī)、HMI觸摸屏
生產(chǎn)過程邏輯判斷和數(shù)據(jù)采集層---S7 PLC
設(shè)備運(yùn)行操作層---MCC控制柜和現(xiàn)場I/O及現(xiàn)場設(shè)備
下面對各層次的功能和它們之間的聯(lián)系做簡單的介紹：
上位工業(yè)PC機(jī)以圖形畫面顯示設(shè)備模型及運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控和修改各個(gè)工藝參數(shù)，發(fā)出控制命令，并完成報(bào)警，存檔，打印等信息處理。上位機(jī)組態(tài)軟件采用組態(tài)王（Kingview6.5）。組態(tài)王是目前國內(nèi)比較廣泛用于工業(yè)控制的組態(tài)軟件。組態(tài)王能實(shí)現(xiàn)對所有PLC內(nèi)存單元的讀寫。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過讀取PLC內(nèi)存單元中的內(nèi)容，上位機(jī)可以將系統(tǒng)的運(yùn)行過程用畫面的形式顯示，對之進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)，通過向PLC的內(nèi)存單元寫入數(shù)據(jù)，可以下發(fā)命令給PLC，控制系統(tǒng)的運(yùn)行。開發(fā)工業(yè)PC機(jī)程序時(shí)，充分利用了軟件系統(tǒng)提供的資源，使開發(fā)過程快速便捷。

圖一 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

PLC與上位工業(yè)PC機(jī)的通信采用西門子專用的Profibus或Ethernet通信模塊，通過Profibus或Ethernet網(wǎng)與上位機(jī)、觸摸屏通訊，PLC向上位機(jī)、觸摸屏傳送設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及狀態(tài)，接收并執(zhí)行上位機(jī)、觸摸屏的實(shí)時(shí)控制指令；在上位機(jī)、觸摸屏上可以修改各單元機(jī)的工藝參數(shù)及各單元機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

四、PLC的配置

1、1PLC及2PLC：紡絲機(jī)PLC
大容量滌綸短纖維紡絲機(jī)電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)采用西門子2臺(tái)S7 PLC、模擬量輸入模塊對紡絲箱體溫度、組件壓力等對象進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)通過Profibus現(xiàn)場總線控制計(jì)量泵及油濟(jì)泵傳動(dòng)變頻器；現(xiàn)場智能I/O采用ET200模塊，通過Profibus現(xiàn)場總線與CPU完成數(shù)據(jù)高速傳輸，現(xiàn)場I/O模塊對環(huán)吹小車升降、進(jìn)退及計(jì)量泵起停進(jìn)行控制。ET200作為從站，通過IM153-2與CPU完成。紡絲箱體ET200從站歸紡絲PLC。通過CP340通訊模塊與聯(lián)苯爐溫度控制器RKC-D系列儀表進(jìn)行通訊; 在紡絲層設(shè)有一個(gè)現(xiàn)場操作臺(tái)，在操作臺(tái)上設(shè)設(shè)置一個(gè)Siemens HMI觸摸屏，可在現(xiàn)場修改計(jì)量泵及油劑泵變頻器的頻率。

2、3PLC：卷繞牽引喂入PLC
卷繞機(jī)電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)采用西門子S7 PLC通過數(shù)字I/O模塊卷繞機(jī)吸絲、切絲、牽引輥、導(dǎo)入棍、喂入輪、上油泵等對象進(jìn)行控制，同時(shí)經(jīng)過PROFIBUS現(xiàn)場總線控制牽引輥、導(dǎo)絲輥、喂入輪、上油傳動(dòng)變頻器速度或頻率，并在牽引喂入機(jī)處設(shè)有一個(gè)操作臺(tái)，在操作臺(tái)上設(shè)置一個(gè)Siemens HMI觸摸屏，可設(shè)定牽引喂入機(jī)的速度。

3、4PLC：盛絲桶往復(fù)機(jī)PLC：
盛絲桶往復(fù)機(jī)電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)單獨(dú)采用一套西門子S7 PLC，通過PROFIBUS現(xiàn)場總線控制盛絲桶往復(fù)機(jī)縱向、橫向傳動(dòng)伺服變頻器以及現(xiàn)場I/O，盛絲桶往復(fù)機(jī)主機(jī)橫動(dòng)小車及縱動(dòng)小車傳動(dòng)采用了西門子CUMC伺服控制系統(tǒng)，對橫動(dòng)小車及縱動(dòng)小車進(jìn)行定位控制。精確控制盛絲桶往復(fù)裝置的定位及往復(fù)運(yùn)動(dòng)。盛絲桶往復(fù)裝置的操作臺(tái)上設(shè)置一個(gè)Siemens OP操作面板，可進(jìn)行定時(shí)控制。

五、軟件設(shè)計(jì)
PLC的軟件設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)部分：
1、S7-300PLC與變頻器之間的PROFIBUS通訊：
S7-300PLC與變頻器之間的PROFIBUS通訊可以設(shè)定變頻器的頻率，讀取變頻器的運(yùn)行頻率，電流和電壓。軟件設(shè)計(jì)框圖見<圖二>,在進(jìn)行硬件組態(tài)時(shí)就要確定PROFIBUS通訊的PPO通訊類型，根據(jù)PPO的類型和要通訊的變頻器的數(shù)量，生成一個(gè)相對應(yīng)的DB塊，西門子變頻器的50Hz對應(yīng)的頻率代表值為16384，根據(jù)我們要設(shè)定的頻率換算成相對應(yīng)的頻率代表值、命令字、控制字等，送入通訊用的DB塊中，通過西門子提供的功能塊FC21、FC22、FC23進(jìn)行編程，在OB100中調(diào)用功能塊FC23對PROFIBUS通訊進(jìn)行初始化。調(diào)用



圖二 PLC與變頻器通訊框圖 圖三 PLC與溫控表通訊框圖

功能塊FC21對變頻器進(jìn)行頻率設(shè)定，調(diào)用功能塊FC22讀取變頻器的運(yùn)行頻率代表值，電流和電壓。頻率代表值換算成相對應(yīng)的頻率。通過上位機(jī)和HMI觸摸屏與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，就可以在上位機(jī)和HMI觸摸屏上修改變頻器的設(shè)定頻率，在上位機(jī)和HMI觸摸屏上顯示變頻器的運(yùn)行頻率、電壓、電流等參數(shù)。

2、S7-300PLC與RKC-D系列儀表進(jìn)行通訊：

S7-300PLC采用CP340與RKC-D系列儀表的RS485通訊，軟件設(shè)計(jì)框圖見<圖三>,根據(jù)RKC-D系列儀表提供的RS485通訊協(xié)議，在S7-300PLC編程時(shí)生成兩個(gè)DB塊，設(shè)定RKC-D系列儀表的設(shè)定值，讀取RKC-D系列儀表的測量值，通過調(diào)用S7-300PLC的FB2、FB3發(fā)送和接收組織塊，與RKC-D系列儀表的RS485通訊，設(shè)定值轉(zhuǎn)換成ASCII碼后，送至DB塊中，通過調(diào)用FB2發(fā)送組織塊，通過調(diào)用FB3接收組織塊, 把測量值送至DB塊中的ASCII碼轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，即可完成設(shè)定值的發(fā)送和測量值接收。

3、PLC與上位機(jī)、SIEMENS HMI操作屏進(jìn)行通訊

紡絲、卷繞部分的PLC通過總線與操作員站工控機(jī)PC通訊，上位機(jī)提供友好的人機(jī)操作界面。人機(jī)界面以簡潔、清晰的風(fēng)格組態(tài)各個(gè)操作畫面，畫面上準(zhǔn)確明了地以圖形方式表示出當(dāng)前生產(chǎn)線設(shè)備工況，如停止、運(yùn)行、速度和故障等信息并以不同顏色、圖形和文字表示。通過界面上的操作，可對計(jì)量泵、牽引輥、導(dǎo)絲輥、喂入機(jī)及盛絲桶往復(fù)機(jī)的速度進(jìn)行設(shè)定和修改；可對卷繞油濟(jì)泵的速度進(jìn)行設(shè)定和修改；牽引、喂入機(jī)系統(tǒng)設(shè)置中速和工藝速二檔速度。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的工藝參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行控制、工況顯示、報(bào)警顯示、運(yùn)行和報(bào)警數(shù)據(jù)記錄和查詢、打印等功能。

六、結(jié)束語

通過PROFIBUS或Ethernet網(wǎng)使PLC與上位工業(yè)PC機(jī)、HMI操作屏進(jìn)行通訊，通個(gè)PLC的PROFIBUS網(wǎng)對變頻器和現(xiàn)場I/O及現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通訊，通過網(wǎng)絡(luò)傳送過程數(shù)據(jù)，這種基于現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)(FCS) 減少了現(xiàn)場布線工作量和維護(hù)工作量、規(guī)范了軟件程序的編制、同時(shí)系統(tǒng)具有易于擴(kuò)展并對整個(gè)生產(chǎn)線的工藝參數(shù)進(jìn)行集中管理的優(yōu)點(diǎn)?？傊?，F(xiàn)CS在滌綸紡絲生產(chǎn)線中的應(yīng)用降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、安裝、維護(hù)的成本，并提高了系統(tǒng)的控制精度和系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用在我公司的日產(chǎn)150噸大容量滌綸短纖紡絲生產(chǎn)線上。


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