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    S7-300 PLC在步進(jìn)式加熱爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用
    • 企業(yè):控制網(wǎng)    
    • 點(diǎn)擊數(shù):3379     發(fā)布時(shí)間:2006-07-24 00:48:08
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    摘 要:本文主要介紹了西門子 S7-300 PLC 在步進(jìn)式加熱爐自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。
    一、       前言
           萊蕪鋼鐵股份有限公司軋鋼廠熱軋窄帶鋼生產(chǎn)線加熱爐步進(jìn)梁PLC系統(tǒng)核心控制部分為西門子S7-300系列PLC,通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議連接主控室、液壓站、操作輔臺(tái)、控制室各ET200M分站,組建分布控制網(wǎng)絡(luò),同時(shí)利用成熟的MPI總線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)連接加熱爐主控室、液壓站、操作輔臺(tái)3臺(tái)人機(jī)界面,組成完整、高效的HMI網(wǎng)絡(luò),這種集散控制方式大大提高了系統(tǒng)功能。
    二、硬件配置與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
    1、硬件配置:

            統(tǒng):包括1臺(tái)編程器,3臺(tái)人機(jī)界面(HMI);第二部分為過程控制核心,也可稱為主站,是由一套S7-300系列PLC,包括相應(yīng)的I/O模塊、通訊處理模塊、計(jì)數(shù)模塊等;第三部分由3個(gè)ET200M組成,采用現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP進(jìn)行連接,主要包括加熱爐外圍設(shè)備所有開關(guān)量、模擬量輸入/輸出控制信號(hào)的采集、處理和控制。
    1)編程器及各HMI操作站
    編程器:采用Dell 170L商用機(jī),CPU為P4-3.0G,256RAM,軟件平臺(tái)Microsoft
            Windows 2000,采用西門子STEP7編程軟件完成PLC程序編寫工作,采用西門子窗口控制中心WinCC建立人機(jī)界面。
    HMI操作站:分別為主控室、液壓站、操作輔臺(tái)。其中主控室HMI正常作為爐區(qū)設(shè)備狀態(tài)顯示、故障診斷、爐內(nèi)鋼坯跟蹤,以及部分功能選擇;液壓站HMI主要用于步進(jìn)梁的手動(dòng)操作控制以及正常的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控,操作輔臺(tái)HMI主要作為爐區(qū)上料端設(shè)備狀態(tài)顯示、故障診斷。
    2)PLC硬件參數(shù):
    主站:SIMATIC S7-300 CPU:314-2DP 128K RAM
                       I/O :  64K數(shù)字量或4K模擬量     
    從站:3套ET200M分布式I/O站分別安裝在液壓站、操作輔臺(tái)、控制室。ET200M是一個(gè)模塊化的I/O站,采用擴(kuò)展總線可連接8個(gè)S7-300 PLC的信號(hào)模板和功能模板,通過IM153接口模板把ET200M連接到PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線上,最大傳輸速率是12Mbps. 操作輔臺(tái)ET200M主要完成裝爐端上料輥道、推鋼機(jī)、裝料爐門等設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與通訊;液壓站ET200M主要完成液壓站泵閥的啟停及順序控制信號(hào)的采集與通訊;控制室 ET200M主要完成各種輥道、推鋼機(jī)、出鋼機(jī)等設(shè)備的控制信號(hào)的采集與輸出,中央處理器通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)訪問I/O模塊。

    2、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與工作原理:
            本系統(tǒng)設(shè)有一條MPI總線和一條PROFIBUS-DP總線,采用雙絞線纜,最大傳輸速率12Mb/s (與傳輸距離有關(guān)),MPI用于主站與HMI之間的數(shù)據(jù)傳輸;PROFIBUS-DP用于主站與3個(gè)ET200M之間的數(shù)據(jù)傳輸。
    1)PLC通訊網(wǎng)絡(luò)分為兩部分:MPI, PROFIBUS-DP。
    (1)MPI(多點(diǎn)通訊接口)
           MPI多點(diǎn)通訊接口,主要用于連接主站S7-300 PLC和編程器之間的數(shù)據(jù)通訊以及連接主站S7-300 PLC和上位機(jī)、HMI之間的數(shù)據(jù)通訊,包括將上位機(jī)的設(shè)定值送到PLC或HMI進(jìn)行控制,PLC將I/O信號(hào)模板采集到的數(shù)據(jù)送到上位機(jī)進(jìn)行處理。 數(shù)據(jù)傳輸率為187.5kbps,相鄰站之間的距離無中繼器可達(dá)50m。
    (2)PROFIBUS是按照DIN19245來進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的。采用三種協(xié)議模型:PROFIBUS-FMS(現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范)、PROFIBUS-PA(過程自動(dòng)化),PROFIBUS-DP(分布式的I/O)。
    2)工作原理:在總線系統(tǒng)里,每個(gè)站共享傳輸介質(zhì),當(dāng)一個(gè)站接受到傳輸介質(zhì)的訪問信號(hào),通道訪問控制就確定了。PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線使用一種混合式的訪問方法(具有低層的主-從站用令牌傳送),在PROFIBUS-DP上,當(dāng)主站接受到令牌,它獲得訪問總線系統(tǒng)的權(quán)力,當(dāng)規(guī)定時(shí)間過去后,它把令牌傳到網(wǎng)絡(luò)上的下一個(gè)站,從站并不接受令牌,它們是由所屬的主站來直接尋址。它允許少量數(shù)據(jù)的高速循環(huán)通訊,具有高度的容錯(cuò)性、數(shù)據(jù)的完整性、標(biāo)準(zhǔn)信息幀結(jié)構(gòu)、在操作過程中可自由的訪問每個(gè)站等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)12Mbps,可用雙絞線和光纜傳輸數(shù)據(jù),可自動(dòng)識(shí)別從站的數(shù)據(jù)傳輸速率。
    二、       系統(tǒng)完成的主要功能:
            加熱爐PLC改造完成的主要功能有:加熱爐步進(jìn)梁各種運(yùn)行過程的自動(dòng)控制;裝料端、出料端自動(dòng)控制;出鋼機(jī)行程自動(dòng)定位;預(yù)測(cè)出鋼;換步距控制;爐內(nèi)鋼坯位置跟蹤;雙步距控制;步進(jìn)梁自動(dòng)復(fù)位;步進(jìn)梁升降曲線設(shè)定等。其中技術(shù)難度在于:如何確定爐內(nèi)鋼坯的具體位置,而最終影響到能否自動(dòng)出鋼。而實(shí)現(xiàn)推鋼機(jī)、步進(jìn)梁、出鋼機(jī)、裝出料輥道、裝出料爐門的全過程自動(dòng)屬于邏輯順序控制,既要充分滿足工藝上的各種連鎖要求,又要所有設(shè)備都保留手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制,手動(dòng)主要用于調(diào)試和單機(jī)試車,完成各種設(shè)備的單體動(dòng)作,自動(dòng)用于正常生產(chǎn)。下面就各個(gè)主要功能進(jìn)行詳細(xì)介紹:
    1、    加熱爐步進(jìn)梁各種運(yùn)行過程自動(dòng)控制
            步進(jìn)式加熱爐步進(jìn)梁正循環(huán)為正常生產(chǎn)狀態(tài),逆循環(huán)主要用于倒鋼,踏步是為了避免爐內(nèi)鋼坯在生產(chǎn)中斷時(shí)防止加熱不均造成黑印而設(shè)計(jì)的。正循環(huán)分為上升上段、前進(jìn)段、下降上段、下降下段、后退段、上升下段六個(gè)時(shí)段,每個(gè)時(shí)段都是先加速、后勻速、最后減速的過程。在步進(jìn)梁正循環(huán)過程中,關(guān)鍵是步進(jìn)梁?jiǎn)?dòng)的各種工作條件要充分考慮清楚:首先正常情況下推鋼機(jī)推鋼到位,啟動(dòng)步進(jìn)梁;如果步進(jìn)梁在“自動(dòng)啟動(dòng)”狀態(tài)下,遇到空步標(biāo)志,且推鋼機(jī)到達(dá)后極限,此時(shí)步進(jìn)梁自動(dòng)啟動(dòng);在雙步運(yùn)行中,雙步第一步步進(jìn)梁自動(dòng)啟動(dòng)。步進(jìn)梁六個(gè)時(shí)段順序控制中,前一個(gè)時(shí)段的停止點(diǎn)是下一個(gè)時(shí)段運(yùn)行的必要條件
    2、    出鋼機(jī)行程自動(dòng)定位
            加熱爐原先設(shè)計(jì)中是利用安裝在不同位置限位開關(guān),確定出鋼機(jī)前限位、后限位、超前限位、超后限位,從而確定出鋼機(jī)停止的位置。由于出鋼機(jī)行程不可調(diào)節(jié),經(jīng)常出現(xiàn)挑不到鋼、挑到一半鋼坯而出現(xiàn)鋼坯掉下來砸爐頭或一次挑兩支鋼的情況。在此次PLC改造中,出鋼機(jī)行程采用兩種定位方式:固定位置和自動(dòng)定位。所謂固定位置即行程設(shè)定值確定出鋼機(jī)行程;自動(dòng)定位即利用編碼器和計(jì)數(shù)模塊準(zhǔn)確記錄出鋼機(jī)的行程,將當(dāng)前準(zhǔn)備出鋼的那一只鋼到出鋼線的距離作為出鋼機(jī)的前進(jìn)行程設(shè)定,編碼器采集的脈沖信號(hào)通過計(jì)數(shù)模塊傳輸給PLC作為出鋼機(jī)行程的反饋值,為了避免出鋼機(jī)啟動(dòng)后對(duì)步進(jìn)梁的沖擊,在程序中作了P調(diào)節(jié)器控制出鋼機(jī)的運(yùn)行速度曲線。在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn),由于步進(jìn)梁的誤差,有時(shí)會(huì)造成出鋼機(jī)行程設(shè)定與當(dāng)前出鋼的實(shí)際位置存在偏差,因此在3#操作臺(tái)上設(shè)置了“出鋼機(jī)設(shè)定行程加(減)”按鈕開關(guān),每個(gè)執(zhí)行周期加減5mm,根據(jù)開關(guān)執(zhí)行時(shí)間的長(zhǎng)短來控制加減行程的多少,用來修正出鋼機(jī)自動(dòng)定位的設(shè)定值。
    3、    位置點(diǎn)信號(hào)處理
            帶鋼加熱爐最初設(shè)計(jì)中采用接近開關(guān)檢測(cè)各個(gè)時(shí)段的減速點(diǎn)和停止點(diǎn),由于步進(jìn)梁的運(yùn)行誤差,實(shí)際運(yùn)行曲線是一個(gè)不規(guī)則的平行四邊形,經(jīng)常出現(xiàn)找不到原點(diǎn)及各個(gè)減速停止點(diǎn),影響加熱爐的正常運(yùn)行。在此次加熱爐PLC改造中,除了保留原先的接近開關(guān)外,還分別在加熱爐控制升降和平移的缸體上安裝位置傳感器,采用國(guó)際先進(jìn)的位置檢測(cè)元件―德國(guó)巴魯夫BTL5位置傳感器對(duì)加熱爐的升降和平移位置進(jìn)行檢測(cè),精確度達(dá)微米級(jí),從而提高了控制精度。在位置點(diǎn)的處理上,程序中是這樣作的:在水平距離6cm,垂直距離5cm范圍內(nèi)就認(rèn)為是原點(diǎn);將位置傳感器檢測(cè)到的反饋值與設(shè)定值進(jìn)行比較,當(dāng)反饋值小于等于設(shè)定值時(shí)就認(rèn)為到達(dá)減速點(diǎn)或停止點(diǎn)。程序中是采用限位開關(guān)還是位置傳感器確定減速停止點(diǎn),由操作工在3#臺(tái)上的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行選擇。
    4、    爐內(nèi)鋼坯位置跟蹤及預(yù)測(cè)出鋼
            爐內(nèi)鋼坯位置跟蹤是加熱爐PLC改造中的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn),能否得到每支鋼坯的準(zhǔn)確位置,將會(huì)直接影響到能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出鋼。在原先的設(shè)計(jì)中,鋼坯跟蹤是靠理論計(jì)算的,步進(jìn)梁每走一步,鋼坯位置累加一個(gè)步距,而在實(shí)際情況中,由于步進(jìn)梁平移存在誤差,理論計(jì)算就會(huì)將每一步的誤差累計(jì),這樣一支鋼從入爐到處出爐,理論計(jì)算位置與實(shí)際位置相差甚遠(yuǎn),根本無法實(shí)現(xiàn)真正意義上的自動(dòng)出鋼。在此次改造中,為了準(zhǔn)確跟蹤爐內(nèi)每一只鋼的位置,一是在硬件上安裝了位置傳感器,精確測(cè)量步進(jìn)梁走過的每一步步距,二是在程序上人為的將加熱爐縱向分為85個(gè)區(qū)域,定義每個(gè)區(qū)域的指針地址及其地址所對(duì)應(yīng)的鋼坯屬性,包括空步標(biāo)志、坯首標(biāo)志、鋼坯步距,進(jìn)入爐內(nèi)的第 i支鋼的地址記為p,那么它的屬性是否是坯首,是否是空步,以及走過的步距都記錄下來,當(dāng)步進(jìn)梁走下一步時(shí),這支鋼的地址自動(dòng)加為p+1,相對(duì)應(yīng)的屬性坯首和空步標(biāo)志自動(dòng)傳遞到p+1地址中來,步距則是已走過的步距加上當(dāng)前步進(jìn)梁所走的步距之和,從而實(shí)現(xiàn)了每一支鋼坯位置的在線跟蹤。判斷累加步距是否大于推鋼線到出鋼線的距離,如果大于,將出鋼緩沖區(qū)置位,并將累計(jì)步距加上設(shè)定執(zhí)行步距,如果大于推鋼線到出鋼線的距離,則預(yù)測(cè)有鋼信號(hào)置位,步進(jìn)梁再走下一步時(shí),自動(dòng)啟動(dòng)出料端出鋼;如果不大于,則預(yù)測(cè)有鋼信號(hào)不置位,只是步進(jìn)梁再走一步,而出料端不動(dòng)作。
    5、步進(jìn)梁自動(dòng)復(fù)位功能
            在原先加熱爐控制中,如果出現(xiàn)了步進(jìn)梁回不到原點(diǎn),就到爐底手動(dòng)操作升降與平移,使其到達(dá)原點(diǎn),在這次加熱爐PLC改造中,增加了“步進(jìn)梁自動(dòng)復(fù)位”功能?!安竭M(jìn)梁自動(dòng)復(fù)位”按鈕同樣也是設(shè)置在3#臺(tái)的計(jì)算機(jī)上,步進(jìn)梁復(fù)位時(shí),先將步進(jìn)梁動(dòng)作的六個(gè)時(shí)段全部復(fù)位,然后執(zhí)行從下降下、后退到上升下段程序,一般情況下,一個(gè)循環(huán)就可使步進(jìn)梁回到原點(diǎn)。
    6、加熱爐各段曲線設(shè)定
      加熱爐原控制系統(tǒng)中各時(shí)段運(yùn)行速度是通過調(diào)節(jié)比例閥放大板來實(shí)現(xiàn)的,由于比例閥放大板是由分立元件作成的,有時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)參數(shù)偏移等故障,而且速度的調(diào)節(jié)是由工程技術(shù)人員完成的,操作工調(diào)節(jié)時(shí)只不過是憑感覺,沒法測(cè)量。在這次加熱爐PLC改造中,去除了比例閥放大板,而直接采用曲線設(shè)定,由工程技術(shù)人員或操作工直接在計(jì)算機(jī)上設(shè)定各個(gè)時(shí)段的減速點(diǎn)和停止點(diǎn)。
    7、雙步距控制:
            為了適應(yīng)市場(chǎng)的發(fā)展和初軋車間的轉(zhuǎn)產(chǎn),帶鋼車間的原料規(guī)格發(fā)生了變化,不止是360mm和400mm規(guī)格,有些規(guī)格超出了最大步距,在此次改造中,新增加了雙步距控制功能,以便適應(yīng)企業(yè)長(zhǎng)足發(fā)展的需要。具體內(nèi)容是:輸入設(shè)定步距,判斷設(shè)定步距是否大于最大步距設(shè)定值,如果大于,就將雙步標(biāo)志置位,同時(shí)也將雙步第一步標(biāo)志位置位,步進(jìn)梁走第一步時(shí),推料端與步進(jìn)梁動(dòng)作,出料端不動(dòng);當(dāng)步進(jìn)梁走第二步時(shí),推料端不動(dòng),步進(jìn)梁走一步空步,出料端動(dòng)作出鋼。

    8、加熱爐運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控:
            分別在主控室、液壓站、操作輔臺(tái)設(shè)立了3個(gè)人機(jī)界面,進(jìn)行加熱爐各種運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控及故障報(bào)警。每個(gè)人機(jī)界面設(shè)立了主畫面、參數(shù)設(shè)定、操作輔臺(tái)、液壓站、鋼坯跟蹤等畫面。

            主畫面顯示顯示步進(jìn)梁設(shè)備各種運(yùn)行狀態(tài),六個(gè)運(yùn)行時(shí)段及各段時(shí)間顯示,步進(jìn)梁的各種功能選擇,如步進(jìn)梁復(fù)位、出鋼機(jī)自動(dòng)定位等;
            參數(shù)設(shè)定畫面可以對(duì)步進(jìn)梁六個(gè)運(yùn)行時(shí)段的減速點(diǎn)、停止點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定,進(jìn)行步距選擇:360步距、400步距、雙步距;鋼坯跟蹤畫面主要完成爐內(nèi)每一支鋼坯的位置跟蹤。


    液壓站畫面顯示加熱爐手動(dòng)操作及液壓站各類泵閥運(yùn)行狀態(tài);

    操作輔臺(tái)畫面對(duì)裝料端操作臺(tái)各種操作及指示進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控;
    二、       幾點(diǎn)體會(huì):
             本系統(tǒng)軟件編程量特別大,同時(shí)在編程中,結(jié)合Step7軟件編程的特點(diǎn),運(yùn)用了大量技巧,使得程序結(jié)構(gòu)明朗清晰、簡(jiǎn)潔易讀。
    1、       本系統(tǒng)中,硬件方面采用集散控制思路,減少控制電纜,采用區(qū)域間數(shù)據(jù)通訊傳輸,減少故障點(diǎn),增加了傳輸速度與系統(tǒng)的可靠性。
    2、       軟件編程方面運(yùn)用了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思路,將相對(duì)獨(dú)立、集中的控制放到一個(gè)程序功能或功能塊中,例如FC10(自動(dòng)正循環(huán)時(shí)序控制)、FC11(裝料端程序)、FC22(傳步距設(shè)置)、FB10(加熱爐數(shù)據(jù)計(jì)算)、FB12(加減速曲線設(shè)定)等。
    3、       在主程序中,只是滿足各種條件下的功能及功能塊的調(diào)用,使得程序的可讀性強(qiáng)。
    4、       編程中采用了大量的過程數(shù)據(jù),使得程序的修改簡(jiǎn)單,即程序中定義了大量的過程數(shù)據(jù),將所有經(jīng)常使用的I/O點(diǎn)傳輸給過程數(shù)據(jù),這樣使用的優(yōu)點(diǎn)一是如果修改了I/O點(diǎn)地址,只是修改定義過程數(shù)據(jù)一個(gè)地方,不必將程序中所有涉及到此I/O點(diǎn)的地方都進(jìn)行修改;二是過程數(shù)據(jù)的使用大大縮短了程序的運(yùn)行時(shí)間,過程數(shù)據(jù)屬于程序的中間變量,不必每次使用都從外部I/O地址中調(diào)用,提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度。
    三、       運(yùn)行效果
            本系統(tǒng)運(yùn)行效果良好,各項(xiàng)指標(biāo)及控制功能均達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo),實(shí)現(xiàn)了加熱爐全過程自動(dòng)控制,S7-300 PLC和PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,在控制相對(duì)集中的地點(diǎn)設(shè)立ET200M從站,減少了大量控制電纜,降低了故障隱患,減少了改造的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了改造的技術(shù)含量與步進(jìn)式加熱爐自動(dòng)控制水平。加熱爐全過程自動(dòng)控制的應(yīng)用大大降低了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度。在主電機(jī)室設(shè)立加熱爐HMI界面實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控,取消了1KZ值班室,優(yōu)化了值班人員的組合配置,充實(shí)了日常點(diǎn)檢定修的力量,提高了維護(hù)檢修效率。特別是步進(jìn)梁雙步距的成功開發(fā),在軋制超寬規(guī)格鋼坯時(shí),雙步距控制方式比之以前的走一步空一步控制方式,每支鋼節(jié)省9秒鐘,大大提高了軋制節(jié)奏,為提高帶鋼的產(chǎn)量做出了突出貢獻(xiàn)。
     
     
     
     
    參考文獻(xiàn):
    1、《STEP 7 V5.1 編程使用手冊(cè)》  西門子電氣傳動(dòng)有限公司  2003
    2、《SIMATIC WinCC組態(tài)手冊(cè)》  西門子電氣傳動(dòng)有限公司  2001
    3、《SIMATIC S7-300可編程序控制器產(chǎn)品目錄》  西門子電氣傳動(dòng)有限公司 2001



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