摘要：本文介紹了SIMATIC S7-300可編程控制器在加氣混凝土生產(chǎn)自控系統(tǒng)中的設(shè)計與應用。可編程控制器除了用于對現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)采集和處理以外，還用來完成對現(xiàn)場的自動化設(shè)備的控制。此外，工控組態(tài)軟件作為一種標準的人機界面被用于監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)的動態(tài)過程。本系統(tǒng)中基于軟件和硬件的執(zhí)行情況將在文中作進一步的詳細闡述。
關(guān)鍵詞：粉煤灰 加氣混凝土 可編程控制器 組態(tài) 通訊

1 引言

為落實節(jié)能減排方針，保護耕地，逐步淘汰粘土實心磚。根據(jù)國家墻改政策，研制開發(fā)粘土實心磚的替代產(chǎn)品，采用新型建筑材料作為墻體，已成為形式發(fā)展的必然。加氣混凝土砌塊作為一種新型建筑材料，已在我國建筑工程領(lǐng)域得到廣泛應用。

青島魯能加氣混凝土建材有限公司作為一家成立較早的生產(chǎn)加氣混凝土砌塊的新型環(huán)保建材企業(yè)，主要利用華電青島發(fā)電有限公司排放的粉煤灰為主要原材料進行蒸壓加氣混凝土砌塊的生產(chǎn)與經(jīng)營。為進一步滿足企業(yè)持續(xù)快速發(fā)展的要求，提高生產(chǎn)效率和管理水平，公司在生產(chǎn)中積極實施生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)，為逐步實現(xiàn)現(xiàn)場級、控制級、企業(yè)級的信息化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境奠定基礎(chǔ)。

2 加氣混凝土生產(chǎn)自控系統(tǒng)介紹

2.1工藝設(shè)計要求

該生產(chǎn)線主要由破碎系統(tǒng)、粉磨系統(tǒng)、制漿系統(tǒng)、打漿系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)、切割系統(tǒng)及蒸養(yǎng)系統(tǒng)來構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)需要對其中的破碎、粉磨、制漿、打漿、澆注、蒸養(yǎng)過程進行監(jiān)測與控制。根據(jù)生產(chǎn)工藝設(shè)計要求，生產(chǎn)自控系統(tǒng)采用典型的兩級監(jiān)控方式。上位機以標準的工業(yè)控制計算機（IPC）作為主要的人機界面（HMI），為生產(chǎn)管理級，完成對下位機的監(jiān)控、生產(chǎn)操作管理等，主要面向操作人員；下位機由可編程控制器（PLC）構(gòu)成，為基礎(chǔ)測控級，完成生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集及過程控制等，面向生產(chǎn)過程。

（1）在生產(chǎn)過程中，存在大量的物理量，如壓力、溫度、稱重等模擬量參數(shù)。需要通過PLC對這些參數(shù)進行實時采集和處理。
（2）加氣混凝土生產(chǎn)的自動控制，即實現(xiàn)原料制備、配料、澆注、蒸養(yǎng)等過程的自動控制。在監(jiān)控畫面上顯示各工況參數(shù)并控制設(shè)備運行狀態(tài)的同時，進行故障診斷。
（3）根據(jù)各原材料稱重設(shè)定參數(shù)進行稱重配料過程控制；根據(jù)各溫度參數(shù)，調(diào)節(jié)澆注、靜養(yǎng)、蒸壓的進汽壓力。
（4）自控系統(tǒng)通過加入時間日程表的控制，實現(xiàn)一天當中不同環(huán)境溫度對應不同的生產(chǎn)周期。
（5）在符合生產(chǎn)條件的情況下，對整個生產(chǎn)過程可實現(xiàn)手動/自動切換。
（6）對調(diào)節(jié)部分可采用手操器控制，確保進汽的溫度、壓力準確穩(wěn)定，使蒸汽溫度達到加溫要求，并對其故障實現(xiàn)實時報警和聯(lián)鎖啟停切換控制。
自動控制系統(tǒng)配料部分流程圖，如下：

2.2 控制系統(tǒng)選型及特點

為了滿足上面提到的蒸壓加氣混凝土砌塊生產(chǎn)自控系統(tǒng)的設(shè)計要求，我們選用西門子公司SIMATIC S7-300可編程控制器（PLC）和研華公司IPC-610工控機（IPC）構(gòu)成的自控系統(tǒng)，再配以先進的WinCC監(jiān)控軟件，來實現(xiàn)換熱首站自控系統(tǒng)的各項功能。

當前可編程控制器（PLC）是專為工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計的工業(yè)控制計算機，已經(jīng)成為電氣控制系統(tǒng)中應用最為廣泛的核心位置，它不僅能實現(xiàn)復雜的邏輯控制，還能完成各種順序或定時的閉環(huán)控制功能，并且抗干擾能力強、可靠性高、穩(wěn)定性好、體積小，能在惡劣環(huán)境下長時間、不間斷運行，且編程簡單，維護方便，并配有各類通訊接口與模塊處理，可方便各級連接。

S7-300采用模塊化結(jié)構(gòu)、適合密集安裝，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計使得各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合以用于擴展。在一塊機架底板上可安裝電源、CPU、I/O模板、通信處理器CP等模塊，并且可以通過接口模塊實現(xiàn)多個機架的擴展工作方式。

3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 控制系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)設(shè)計要求本系統(tǒng)所選用的硬件產(chǎn)品，如下所示：
（1）工業(yè)控制計算機（IPC）
ADVANTECH IPC-610，Pentium Ⅳ 2.8GHz處理器，512Mb內(nèi)存，80Gb硬盤；
（2）中央處理單元 （CPU）
CPU 313C，2DP；
（3）信號模塊 （SM）
SM 321，數(shù)字量輸入模塊3塊；
SM 322，數(shù)字量輸出模塊1塊；
SM 323，數(shù)字量輸入/輸出模塊1塊；
SM 331，模擬量輸入模塊1塊；
SM 332，模擬量輸出模塊1塊；
（4）通訊處理卡 （CP）
CP 5611通訊卡2塊；
（5）負載電源模塊 （PS）
PS 307，電源模塊1塊。
可編程控制器硬件組成結(jié)構(gòu)，如下：

3.2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，如下：

3.3 軟件組態(tài)過程與效果

工控組態(tài)軟件WinCC（Windows Control Center）是一個集成的人機界面（HMI）和監(jiān)控管理系統(tǒng)，它是西門子公司在過程自動化領(lǐng)域中的先進技術(shù)和微軟公司強大軟件功能相結(jié)合的產(chǎn)物，是世界上第一個集成的人機界面（HMI）軟件系統(tǒng)。它真實的將工廠控制軟件集成到自動化過程中。HMI人機界面系統(tǒng)作為基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)重要組成部分，用于控制系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)的設(shè)定、顯示、故障報警，以及相應操作和設(shè)備的在線調(diào)試及維護，發(fā)揮越來越重要的作用。換熱首站HMI系統(tǒng)信息以友好方式與用戶交互。通過自動化控制系統(tǒng)接收過程計算機（PCS）和操作人員通過HMI輸入的數(shù)據(jù)進行處理，處理后再將過程數(shù)據(jù)信息、機組狀態(tài)信息和各種測量值以符號、數(shù)值、曲線、圖表及歷史記錄的形式在HMI畫面上顯示。最終實現(xiàn)了在HMI操作站（上位機）上以最少的設(shè)備數(shù)量提供最大可能的信息，幫助操作人員和設(shè)備維護人員快速準確的了解系統(tǒng)當前狀態(tài)及其相關(guān)信息的設(shè)計目標。

在上位機上用WinCC組態(tài)軟件設(shè)計了標準的人機界面，主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：

（1）工藝流程圖：在畫面中通過編程實現(xiàn)模擬顯示整個加氣混凝土生產(chǎn)現(xiàn)場的全過程，并且在設(shè)備本體上實時顯示了相關(guān)狀態(tài)或參數(shù)，以便于操作者能及時準確的掌握設(shè)備的運行情況，能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備的故障進行實時診斷。
（2）手操器的操作與對現(xiàn)場儀表的監(jiān)控：手操器有手動和自動兩種工作方式，在設(shè)備安裝調(diào)試階段一般用手動操作方式，進入正常運作時常用自動方式，以實現(xiàn)對一些重要的模擬量數(shù)據(jù)的精確控制，自動調(diào)節(jié)程序由PID閉環(huán)控制回路完成。
（3）報警記錄：對于如稱重、釜壓、釜溫等一些重要的模擬量輸入?yún)?shù)進行實時報警，當處于監(jiān)控下的任何一個變量超出預先設(shè)定的安全值時，報警燈就會立即閃爍，同時通過報警一覽表對話框可以檢查報警超出的范圍以及錯誤的出處，并對此采取相應的措施。
（4）歷史趨勢：在此畫面中除了實時顯示變量的變化趨勢，操作員還可以檢查過去的過程數(shù)據(jù)記錄，通過對過去歷史趨勢的比較進而可以對變量未來的發(fā)展趨勢做進一步的預測。另外，還具有報警或變量記錄檔案庫數(shù)據(jù)的運行報表。
（5）班次生產(chǎn)報表：通過對實事數(shù)據(jù)的記錄，對各生產(chǎn)班次原材料的用量進行記錄并進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，形成班次生產(chǎn)報表及月度報表，為生產(chǎn)管理提供可靠依據(jù)。
（6）攝像監(jiān)控：通過攝像及圖像采集設(shè)備對圖像的處理，使操作人員通過視頻窗口實時監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備運行狀況。

3.4 網(wǎng)絡(luò)通訊方式

為了滿足在單元層、現(xiàn)場層及其它方面的不同要求，有多種通信網(wǎng)絡(luò)及國際標準可供我們選擇，主要有Industrial Ethernet（IEEE 802-3和802.3u）、PROFIBUS（IEC 61158/EN 50170）、AS-I（EN 50295）、EIB（EN50090、ANSI EIA 776）、MPI及Point-to-point connections等。根據(jù)本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊要求和特點，我們選用了PROFIBUS-DP通訊方式，其優(yōu)點是CPU可以同時與多個設(shè)備建立通訊聯(lián)系，如編程器、HMI設(shè)備和其它可編程控制器可以連接在一起同時運行，無需多次編寫通訊程序。由于PROFIBUS-DP只使用ISO模型中第一層和第二層及用戶接口層，所以可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚傩?，傳輸速率可達12Mbps。PROFIBUS-DP憑借傳輸速度快、數(shù)據(jù)量大以及良好的可擴展性等特點，成為目前廣大用戶普遍采用的通訊方式。我們利用PLC的DP接口與上位機CP5611插卡的DP接口進行數(shù)據(jù)交換，它們均采用RS485物理接口實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。同時，在系統(tǒng)中預留了與企業(yè)MIS的接口，為提升企業(yè)信息管理水平奠定了基礎(chǔ)。

4 系統(tǒng)功能

4.1 控制中心數(shù)據(jù)采集功能

上位機將可編程控制器中傳出的數(shù)據(jù)信息直接采集，通過軟件功能將信號以文字、圖像、報表等方式形成人機界面。操作人員通過此界面進行監(jiān)控操作。

4.2 控制中心控制信號發(fā)送功能

控制信號由上位機經(jīng)通訊模塊送入控制器，由控制器來實現(xiàn)各控制指令。

4.3 監(jiān)控中心控制及集中管理功能

在上位機的監(jiān)控畫面上點擊相關(guān)控制設(shè)備均可對其進行控制，對相關(guān)參數(shù)及設(shè)備運行狀態(tài)實現(xiàn)實時顯示、報警和歷史記錄并形成報表。特別是對各班次的生產(chǎn)配料情況進行記錄、統(tǒng)計，為相關(guān)生產(chǎn)管理部門提供可靠的生產(chǎn)分析與決策依據(jù)。通過攝像監(jiān)控功能實時監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備運行狀況，可及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備及管路的異?，F(xiàn)象，最終實現(xiàn)設(shè)備無人值守、控制室集中管理的目標與要求。

4.4 系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制功能

主要包括澆注前加溫控制、蒸壓釜升溫、恒溫、降溫控制等功能。通過以上控制功能的實現(xiàn)，最終完成對整個生產(chǎn)過程的順序、調(diào)節(jié)控制及聯(lián)鎖保護等控制。

5 結(jié)論

本文討論了基于SIMATIC S7-300系列可編程控制器的加氣混凝土生產(chǎn)自控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，充分發(fā)揮了該系列可編程控制器配置靈活、控制可靠、編程方便及可現(xiàn)場調(diào)試的優(yōu)點，使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性有了可靠保障。同時，在生產(chǎn)現(xiàn)場需要采用大量一次儀表元件及執(zhí)行機構(gòu)等設(shè)備，為進一步提高整個系統(tǒng)可靠性我們選用了相應的傳感器及電動執(zhí)行機構(gòu)，從而解決了相關(guān)系統(tǒng)接口及現(xiàn)場通訊問題，進一步提高了系統(tǒng)可靠性，最終實現(xiàn)了設(shè)計目標與要求。

2006年12月該系統(tǒng)投入試運，2007年1月正式投入運行。在一年多的實際應用中,該系統(tǒng)對提高企業(yè)生產(chǎn)效率和管理水平發(fā)揮了積極作用，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟效益和良好的社會效益。同時，該項目也得到了相關(guān)行業(yè)專家的廣泛認可，認為值得進一步推廣應用。