1、引言

西門子S7系列PLC以其可靠性高、軟件功能豐富、編程簡便，尤其是其組網(wǎng)能力強大等優(yōu)點而越來越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，從S7-200、S7-300至S7-400，西門子PLC提供了PPI、MPI、Profibus、Industrial Ethernet及AS-i等系列網(wǎng)絡(luò)解決方案，從而滿足了管理層、客戶層、現(xiàn)場層到傳感器/執(zhí)行器等各種層面的通訊需求。本文以我廠炭素成型連續(xù)混捏機改造為例，闡述了PLC如何實現(xiàn)混捏機調(diào)速控制、混捏過程的實時監(jiān)控、顯示、操作等功能。保障了生產(chǎn)過程的連續(xù)性，降低了勞動強度，改善了勞動條件，實現(xiàn)少人或無人巡視的目標，達到了對大型、關(guān)鍵設(shè)備的安全、可靠運行的目的。

2、被控對象

中鋁青海分公司炭素連續(xù)混捏機是八十年代中期從德國BUSS公司引進的鋁電解預(yù)焙陽極專用大型設(shè)備。其混捏方式采用動、靜攪刀相對運動和攪拌軸前后移動實現(xiàn)糊料混捏目的。其混捏機總控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 混捏機控制及輔助裝置的系統(tǒng)控制圖
3、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

一個設(shè)計良好、性能優(yōu)越的控制系統(tǒng)，必須有高質(zhì)量、高性能的硬件配置才能保障最佳控制目的實現(xiàn)。由于混捏機控制系統(tǒng)的實際控制量較少，采集的參數(shù)種類較多的特點，采用S7-200 PLC能完全滿足其控制要求。另外S7-200 PLC是以Profibus-DP為通訊模式，其高速（數(shù)據(jù)傳輸率高達12Mbps）且優(yōu)化的通訊方式，適合現(xiàn)場級控制系統(tǒng)與分布式I/O及其它設(shè)備之間的主從通信。其PLC的主要配置分別為：處理器選用CPU315-2DP；數(shù)字輸入模塊6ES7 321-1FH00-0AA0 6塊；模擬輸入模塊6ES7 331-7NF00-0AB0 2塊；數(shù)字輸出模塊6ES7 322-1FH00-0AA0 4塊；模擬輸出模塊6ES7 332-5HD01-0AB0 1塊；模塊前連接器6ES7 392-1BJ00-0AA0 13塊；IM365本地擴展模塊（6ES7 365-0BJ01-0AA0）1塊；電源模塊PS307 5 1塊；DP總線連接器（6ES7 972-0BB50-0XA0）2塊；監(jiān)控裝置為觸摸屏TP270（10寸帶Profibus接口）。其原理如圖2所示。

圖2 PLC控制混捏機及其輔助系統(tǒng)原理圖
由于數(shù)字輸入模塊具有各組之間、組與數(shù)據(jù)總線間均設(shè)為相互隔離，其輸入信號可直接接至模塊上，也可用繼電器隔離后接入模塊，其輸入模塊內(nèi)部原理如圖3所示。

圖3 PLC數(shù)字信號輸入模板接線圖
另外，由于模擬輸入模塊各通道之間、通道與數(shù)據(jù)總線間隨具有隔離功能，但因混捏機調(diào)速系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)以及現(xiàn)場各信號采樣傳感器電源回路、電壓高低不同，為使PLC系統(tǒng)工作安全、可靠，一般要求其各輸入信號必須隔離。此外對于遠程采樣信號，為提高測量準確性，其輸入信號均采用電流信號輸送。對于無源輸入信號，而且傳輸距離短的傳感器信號，可直接輸入。其模擬輸入模塊的內(nèi)部原理如圖4所示。

圖4 PLC模擬量輸入模板接線圖
在模擬模塊輸入接線中，要考慮實際采用的傳感器的引線根數(shù)，對于多數(shù)4芯傳感器接線，則采用圖5接線方式；對于2芯傳感器接線，則采用圖6接線方式。

圖5 熱敏電阻與模擬輸入模塊的四線連接

圖6 熱敏電阻與模擬輸入模塊的兩線連接
3.1 混捏機控制及保護系統(tǒng)的設(shè)計

在混捏機調(diào)速控制系統(tǒng)中，除調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)有過壓、過流、限速、短路、可控硅擊穿等保護措施外，還設(shè)置了多個PLC軟件保護功能。如速度給定最大速率限制（設(shè)置以5r/s變化；防止升、降速過快問題），最高、最低速度限制設(shè)置，緊急停車機及失誤操作等其它不正常操作。通過嚴密的邏輯關(guān)系和軟件監(jiān)測，實現(xiàn)了混捏機操作互鎖、運行監(jiān)控及故障報警功能；特別是對混捏機瞬間過電流的監(jiān)控，解決了混捏料中因金屬硬質(zhì)物混入導(dǎo)致的攪刀被打斷的問題，避免了混捏機的重大故障的發(fā)生或故障擴大的問題。

保護系統(tǒng)是設(shè)備應(yīng)具備的基本功能，尤其是重大關(guān)鍵設(shè)備，其這方面的要求更加重要。在實際中，根據(jù)設(shè)備的運行安全的要求、現(xiàn)場復(fù)雜性以及對操作人員產(chǎn)生的可能傷害等要求，采取可靠的保護措施和防止手段，是設(shè)備控制必須的性能。為此，在混捏機電控系統(tǒng)中，應(yīng)用PLC實現(xiàn)如下保護措施，完全滿足了混捏機實際運行要求。

（1）電樞電流的上限設(shè)置。根據(jù)混捏機的實際工作要求，對其電機電樞電流的上限設(shè)置為兩種保護功能：對于較小范圍的過流（如負載擾動引起的過流），設(shè)置電樞電流達到設(shè)定的電流值360A（相對于混捏量為16T/h而言。由于混捏料量多少不同，其電機電樞電流相應(yīng)的也不等，應(yīng)根據(jù)實際混捏料量確定；如混捏量為17.2T/h，其工作電流上限設(shè)為380A較為適合），允許過流時間設(shè)定為45秒（可在10～300秒內(nèi)選擇），超過設(shè)定時間，電樞電流仍然處于過載范圍，則PLC給混捏機調(diào)速裝置發(fā)出故障信號，系統(tǒng)立即封鎖主整流可控硅觸發(fā)脈沖，使電樞主電路輸出中斷，并啟動報警器工作；第二種保護設(shè)置是防止混捏機突發(fā)故障，引起主電機電樞電流超過一定值（如410A對應(yīng)的混捏量為16T/h；若混捏量為17.2T/h，則動作電流值設(shè)為435A才能滿足實際要求）的特殊情況，則設(shè)置立即啟動保護功能（由于PLC掃描周期為100ms，故系統(tǒng)實際會延時100ms后才動作）。在實際中，導(dǎo)致這種大電流出現(xiàn)的原因一般有以下幾種情況；如電機電樞繞組絕緣損壞、可控硅擊穿、閉環(huán)控制系統(tǒng)出現(xiàn)大的振蕩、電機集電器或炭刷等處短路、混捏機傳動機構(gòu)工作異常、混捏筒體內(nèi)有螺栓或金屬硬質(zhì)物混入等異常故障，引起混捏機瞬間大電流出現(xiàn)。由于這類突發(fā)故障會造成混捏機整體機構(gòu)嚴重的破壞和損害，故其控制系統(tǒng)要有靈敏的、高可靠的保護措施。例如2005年6月1#混捏機發(fā)生的11付動、靜攪刀被混入混捏料中的螺栓打斷的故障，造成數(shù)百萬元的經(jīng)濟損失。另外又必須避開混捏機正常實際生產(chǎn)中小負載波動的情況。

（2）自動爬行速度和最高速度的設(shè)置。混捏機屬重負載設(shè)備，其啟動后必須設(shè)置自動爬行速度功能。即混捏機啟動后，其調(diào)速系統(tǒng)自動進入速度從零加速到一定的轉(zhuǎn)速運行狀態(tài)。另外對于減速操作，換設(shè)置了當(dāng)進行減速操作時，電機速度下降到爬行速度時，會自動停止速度遞減，保持最低速度運行，直到停止按鈕按下后系統(tǒng)才會停車，這種設(shè)置是為了防止混捏機工作在堵轉(zhuǎn)大電流異常狀態(tài)。