西门子6ES7231-0HF22-0XA0全年质保
1 引言
基于现场总线的PLC控制系统以其结构紧凑、功能简单、可靠性高和价格低廉等优点，获得了广泛应用。近年来，随着计算机信息网络技术的飞速发展，以PLC为核心的工业控制系统也向大规模、网络化发展。它已成为与DCS并驾齐驱的主流工业控制系统。
山铝水泥厂是山东铝业公司的下属分公司，有着50余年的历史。而今由于生产工艺相对落后，导致生产成本偏高。公司于2003年建立了新型干法烧制水泥的生产线，原有的几条老线面临着改造。本文介绍的3#旋窑改造后应具备生产氧化铝熟料、水泥熟料的两条工艺流程。
2 系统要求
3#旋窑监控系统要将整条生产线的近70多处压力、温度、流量、料位等模拟量，再加上所有电机、变频器、执行机构、软启动器的开关量和模拟量等测控点在生产调度中全集中监控,并将监控结果传送到中央控制室的计算机中;要求中央控制室内安装工业大屏幕一块，负责读取显示3#旋窑的一些重要工艺参数。
要求所有电气设备实现中控/本地两地控制;要求各控制站间采取分布式I/O方式进行设计，减少系统的线缆敷设，减少系统故障的发生，易于检修和维护。
3 系统设计
3.1 方案论证
我们着重研究了目前工业控制比较流行的PLC控制系统、集散控制系统DCS、现场总线控制系统FCS三大控制系统。
由于属于老设备改造，一些原有的现场仪器仪表不具备现场总线接口，具备也难以达成统一的通讯协议标准，如全部更新，投资太多，论证初期就放弃了现场总线控制系统FCS。
PLC与DCS的基本结构是一样的。PLC发展到，已经全面移植到计算机系统控制上了，传统的编程器早就被淘汰，大型PLC与DCS的界线已经逐步淡化。经过比较二者的优缺点，从实现的可能性、性价比、维护的方便程度(本厂有PLC维护人员)等多方面考察，后决定选择SIEMENS(西门子)的S7-300及S7-200系列产品组成PLC控制系统。
3.2 系统结构
3#旋窑监控系统包括:煤磨系统、篦冷机系统、回转窑系统、电收尘系统及电收尘降温系统(电收尘降温系统为工程后续添加部分)。
根据采取分布式I/O方式进行设计的思想，并充分考察了现场环境，后决定现场站采用两台SIEMENS的S7-300CPU314-2DP作为主站，分别命名为窑前控制站和窑尾控制站。窑前控制站和窑尾控制站，分别配置SIEMENS标准以太网模块CP343-1,利用工业以太网，采用标准TCP/IP协议与控制管理层操作员站及工程师站进行通讯，通讯速率可达100M。采用PROFIBUSDP通讯标准与现场I/O站ET200M进行通讯，波特率可达12M。系统还配置了两台SIEMENS的S7-200CPU226作为从站。其中一台CPU226通过以太网模块CP243-1连接到网络中，负责从管理计算机读取现场重要工艺参数并传送到工业大屏幕，以方便操作人员直观读取重要工艺参数(刷新速率小于1秒);另一台CPU226为工程后续添加部分,作为电收尘降温系统从站，通过通讯模块EM277，采用PROFIBUS DP通讯标准与窑尾控制站通讯。
系统网络结构如图1所示:
图1 系统网络结构
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3.3 标准化编程
大型的自动化控制系统很难一个人完成，需要很多人的分工与合作。标准化编程就是要使软件工程师编写的程序整齐划一，通用性和可读性强，除了作者本人,阅读者也能轻而易举地理解作者的编程思想和工艺要求。这样不但可以使编程人员不再纠缠编程的枝节问题，缩短编制程序的时间，集中精力解决更加困难的工艺上的问题;有利于维护人员对程序的理解，为生产保驾护航提供了更加宝贵的经验。
(1) 根据设计图纸编制各系统的点号表。
(2)根据点号表编制STEP7符号表(SYMBOL);再根据点号表找出各控制设备的输入/输出点号，据此定义下列STEP7使用的中间线圈点号:模拟手/自动转换选择开关;启动按钮、停止按钮(对单线圈的泵或电磁阀);开启按钮、关闭按钮、停止按钮(对双线圈的电动阀);手动输出值、给定值、比例系数、积分时间(对PID调节阀)。
(3)根据各控制设备的输入/输出点号和中间线圈点号编制各控制设备的手动程序;后根据设计说明书编制各控制设备之间的逻辑连锁程序，即自动程序。
部分STEP7程序如图2所示:
图2 STEP7程序示意
3.4 工业过程监控
两台上位机采用西门子组态软件WinCC进行工业组态，且运行在bbbbbbs2000操作系统上实现流程图显示、操作面板显示、控制回路显示、历史曲线显示、历史记录显示、报警信息显示、实时操作记录显示、工艺数据、电量数据及报表打印。用户操作界面为图形界面，所有操作风格为“所见即所得”，操作方式为鼠标操作，也支持键盘快捷键操作。更新数据快，所有工艺数据更新时间小于一秒。可方便扩展Internet或Intranet远程监控功能。系统数据库为全局数据库，两个操作员站之间数据及画面完全可以共享，互为冗余备份。过程监控操作画面如图3所示。
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图3 过程监控操作画面
3.5 系统调试
在实验室完成所有软硬件组态后，利用信号发生器等工具实现部分功能调试，经过多次修改，后去现场调试。调试中也遇到了一些问题，主要有CPU226如何读取上位机中WinCC的组态数据及现场调试时部分数据有干扰。通过西门子公司的技术支持解决了个问题;在现场通过加信号隔离放大器和做标准接地等方法解决了干扰问题。
4 系统评估
4.1 硬件评估
SIMATICH1网是德国西门子公司开发的一种基于TCP/IP协议的标准以太网，它的优点是连接简单、便于扩展、速度快、兼容性好。3#旋窑监控系统采用光缆作为SIMATICH1网的连接介质，有效地实现了工业以太网数据传输过程中的抗干扰功能，保证了系统运行的可靠性;SIMATIC ProfibusDP网是西门子公司开发的一种基于现场总线技术的设备网，它的特点是可以在PLC与现场设备(如变频器、工业键盘、智能仪表、分布式I/O站等)之间交换数据。3#旋窑监控系统采用屏蔽双绞线作为ProfibusDP网的连接介质。SIMATIC300站是西门子公司的产品，无论在控制速度、控制精度还是抗干扰性、灵活性各方面讲都处与PLC产品的地位。戴尔(DELL)工业微机在工业控制中应用的也很好。
4.2 软件评估
bbbbbbs2000是美国Microsoft微软公司出色的产品之一，也是世界上应用为广泛可xinlai的软件平台，3#旋窑监控系统选用bbbbbbs2000操作系统。西门子公司的WinCC的组态软件广泛应用于世界各大工厂，它的数据库、画图、显示、历史趋势、配方紧密结合，不但可以画出逼真的图形，还能将现场数据快速显示在屏幕上;它可以在屏幕上制造出按钮来取代真正的按钮完成对现场设备的操作;它能将数据库的数据按时间存放在数据文件里供历史趋势文件调用显示，这样就能把几小时、几天、甚至几个月前的数据用数据曲线的形式展示给工程师们，以便分析事故和改进工艺;它可以利用WinCC的报表功能，方便的实现报表打印和数据查询功能。STEP7是西门子公司为S7-300系列PLC设计的编程软件，它能完成庞大的逻辑控制和复杂的调节控制;它的组织块、功能块、数据块相结合的编程思想可以随心所欲地实现各种控制要求;它的时间中断组织块可以实现短到10ms长到5s的快速中断请求;它的符号表(Symbol)可以输入中文方便进行程序注释。
5 结束语
本系统通过工业以太网可方便扩展Internet或Intranet远程监控，实现工业自动化设备网与上层管理、监控网之间的无缝集成，既所谓的“E(EtherNet)网通”，有利于企业综合自动化、信息化进程。没有纳入到企业局域网中实现管控一体化，也许是这套系统的美中不足吧。
本文结合SIEMENSS7-200型PLC的特点以及电厂输煤系统的特殊要求，介绍了PLC在电厂输煤系统中用于联锁控制的程序设计及应用。
可编程逻辑控制器（PLC）是八十年代发展起来的新一代工业控制装置，是自动控制、计算机和通信技术相结合的产物，是一种专门用于工业生产过程控制的现场设备。
由于控制对象的复杂性，使用环境的特殊性和运行的长期连续性，使PLC在设计上有自己明显的特点：可靠性高，适应性广，具有通信功能，编程方便，结构模块化。
在现代集散控制系统中，PLC已经成为一种重要的基本控制单元，在工业控制领域中应用前景极其广泛。在笔者参与开发的某电厂输煤自控系统中，系统要求在远离输煤廊的主厂房控制室里，对两条输煤线的18台设备进行控制，并实时监测设备的运行状态及皮带跑偏的情况。
鉴于电厂输煤系统的重要性，我们采用PLC实现输煤设备的联锁控制以保证其可靠性和特殊性，工业控制计算机则作为上位机与PLC互相配合，共同完成输煤系统的监控功能。本文将主要介绍PLC的控制应用。
1输煤系统控制要求
输煤系统有两条输煤线，包括给煤机、皮带机、振动筛、破碎机等共18台设备，在电厂中有着极为重要的地位，一旦不能正常工作，发电就会受到影响。为了保证生产运行的可靠性，输煤系统采用自动（联锁）、手动（单机）两种控制方式，自动、手动方式由开关进行切换。由于输煤廊环境恶劣，全部操作控制都在主厂房的主控制室里进行，仪表盘上设有各个设备的启、停按钮，还有为PLC提供输入信号的控制开关。输煤设备控制功能由PLC实现，设备状态监测和皮带跑偏监测以及事故纪录功能则由上级工业控制计算机完成。
为了保证输煤系统的正常、可靠运行，该系统应满足以下要求：
? 供煤时，各设备的启动、停止必须遵循特定的顺序，即对各设备进行联锁控制；
?各设备启动和停止过程中，要合理设置时间间隔（延时）。启动延时统一设定为12s。停车延时按设备的不同要求而设定，分为10s、20s、30s、40s、60s几种，以保证停车时破碎机为空载状态，各输煤皮带上无剩余煤；
?运行过程中，某一台设备发生故障时，应立即发出报警并自动停车，其前方（指供料方向）设备也立即停车。其后方的设备按一定顺序及延时联锁停车；
?各输煤皮带设有双向跑偏开关，跑偏15度时发出告警信号，跑偏30度时告警并自动停车；
?可在线选择启动备用设备。在特殊情况下可由两条输煤线的有关设备组成交叉供煤方式；
?可在线选择启动备用设备。在特殊情况下可由两条输煤线的有关设备组成交叉供煤方式；
?可显示各机电设备运行状况，并对输煤过程有关情况（报警、自动停机等）做出实时纪录。
2 PLC控制系统设计
2.1PLC选型
根据输煤系统的自控要求，我们选用了德国SIEMENS公司新推出的S7-200型PLC，具有可靠性高、体积小、扩展方便，使用灵活的特点。基本CPU单元选用的是CPU214，性能如下：2048程序存储器；2048数据存储器；14点输入，10点输出；可扩展7个模块；128个定时器；128个计数器；4个硬件中断、1个定时器中断；实时时钟；高速计数器；可利用PPI协议或自由口进行通信；3级密码保护。扩展模块选用EM221,8个输入点；EM223,16个输入点，16个输出点。
2.2 系统关系 系统关系如图1所示。
图1 系统关系
在输煤自控系统中，工业控制计算机作为上位机和输煤控制PLC进行通信，对皮带跑偏信号和设备的运行状态进行实时采样，并在屏幕上显示输煤系统仿真画面，可以直观地察看设备的状态。当皮带跑偏（跑偏15度）时，在屏幕上显示报警画面；当设备发生故障或皮带严重跑偏（跑偏30度）时，在屏幕上显示报警画面并向PLC发送事故停车信号。
输煤控制PLC则根据控制开关的输入信号，执行对应程序块，控制电机实现对应的功能：向上级工业控制计算机发送工作组态信息，接收上级工业控制计算机发送的事故停车信号，实现事故停车处理功能并启动报警设备。二者配合共同实现输煤系统的监测和控制功能。
上级工业控制计算机实现对电厂其他系统的监控，由工业控制计算机、输煤系统PLC和其他系统的现场设备（PLC、监控仪表）共同构成分布式系统（DCS）。
2.3 运行模式
根据输煤过程的要求，本系统设计了两种运行模式。在一般情况下，采用并行模式，可根据需要单独选用或运行输煤一线和输煤二线。交叉模式是由输煤一线和输煤二线的有关设备组成的，仅在特殊情况下选用。
2.3.1并行模式
并行一线：
联锁开车顺序：10＃皮带机→8＃皮带机→6＃皮带机→2＃破碎机→2＃振动筛→4＃皮带机→2＃皮带机→2＃（3＃）给煤机→4＃给煤机。
联锁停车顺序：与开车顺序延时时间按上述要求设定。2＃、3＃给煤机某中一台备用。
并行二线
联锁开车顺序：9＃皮带机→7＃皮带机→5＃皮带机→1＃破碎机→1＃振动筛→3＃皮带机→1＃皮带机→1＃给煤机。
联锁停车顺序：与开车顺序延时时间按上述要求设定。
2.3.2 交叉模式
交叉线
联锁开车顺序：9＃皮带机→7＃皮带机→6＃皮带机→2＃破碎机→2＃振动筛→4＃皮带机→2＃皮带机→2＃（3＃）给煤机。
联锁停车顺序：与开车顺序延时时间按上述要求设定。2＃、3＃给煤机其中一台备用。
2.4 PLC程序设计
针对输煤系统的控制要求以及具体控制方案的实现，设计程序流程如图2所示。
图2 主程序流程
2.4.1程序说明
?子模块0：初始化子程序。在PLC加电时根据各个开关的位置设立标志位。仅在个扫描周期执行。
?子模块1：并行一线联锁启停控制程序。根据启动标志位1实现并行一线的联锁启动、联锁停车，并判断事故停车信号以实现事故停车。
?子模块2：并行二级联锁启停控制程序。根据启动标志位2和实现并行二线的联锁启动、联锁停车，并判断事故停车信号以实现事故停车。
?子模块3：交叉线联锁启停控制程序，根据启动标志位3实现交叉线的联锁启动、联锁停车，并判断事故停车信号以实现事故停车。
?PLC的输出信号控制电机的接触器，启动送高电平，停止送低电平。1＃破碎机功率达90kW，2＃破碎机功率达110KW，需要降压启动，启动时PLC送一个正脉冲，停车时PLC送一个负脉冲。
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2.4.2 程序特点
?特殊标志位的使用：使用特殊标志位SM0.1，使得初始化子程序（子模块0）仅在个扫描周期执行，而在以后的扫描周期不再执行。这样，个别标志位在PLC加电后不受开关变化的影响。例如，并行模式和交叉模式对应标志位仅在关掉主控开关后才能改变。
?内部标志位的使用：在程序中，利用标志位来表示不同的现场情况和程序状态，增加了程序的可靠性和灵活性。
?程序模块化：程序由不同子模块构成，各子模块独立完成各自功能，互不干扰，程序结构清晰，便于修改。
?定时器的使用：程序中，利用不同的定时器来设定不同设备的延时时间，可以灵活地根据控制要求进行延时时间的设定。
2.5 部分程序梯形图
图3部分联锁起停控制梯形图
图3所示为部分联锁启停控制梯形图，T37用于控制设备的启动延时，T40～T46用于控制相应设备的停车延时，接收到停车信号时，经过相应的延时，对应定时器置位从而实现联锁停车。Q0.3是1#破碎机的启动控制输出通道，启动1＃破碎机时送出一个宽度为2s的正脉冲。Q0.7、Q1.0分别是2＃给煤机、3＃给煤机的控制输出通道，M0.1、M0.2是内部标志位，用于保证2＃、3＃给煤机始终为一台工作，一台备用。
本系统中，PLC作为现场控制设备，能够可靠、准确地完成控制操作，并且可以通过与上级工控机通信，组成分布式系统共同完成输煤系统的监测、控制要求，是现代工业控制中比较先进的控制方案，应用前景广泛。
目前，本系统已经在内蒙古伊化集团苏尼特碱矿电厂投入运行，能够可靠、准确地完成控制操作，实时监测和记录输煤过程运行状况，并且能对现场出现的各种突发事件及时做出响应，取得了良好的效果。