发布于：2007/8/28 8:52:07 | 3131 次阅读
摘要： 使用倍福总线端子系统，通过PROFIBUS-DP网络，改造旧的干冰膨胀烟丝生产线控制系统。改造后的控制系统充分利用了总线端子的优势，通过合理、优化的选型配置，达到了生产线控制要求，提高了设备运行效率及控制。
关键词：膨胀烟丝控制系统、PROFIBUS-DP、Beckhoff总线端子
引言：一些卷烟厂原使用的干冰膨胀烟丝（DIET--Dry Ice Expanded Tobacco）生产线的控制系统采用GEM 80系列可编程控制器。由于原生产线电控系统配置陈旧、关键件（主要指PLC，输入、输出模块等）老化，同时软件系统设计灵活性较差，监控界面不直观、友好等因素，致使控制系统无法适应生产线顺畅运行。因此控制系统需要更新，以提高生产效率及工艺参数控制。
一、系统总体设计思想及设计方案
根据原生产线使用的具体情况，必须为新系统量身定做先进可行的电控系统，因为一条生产线电控系统的设计是为机械设备及工艺服务的，但是控制系统的可靠与否将直接影响着工艺参数的控制。
如何在构建新型控制系统时，既能采用当今的计算机技术、信息技术、网络技术，而又能使原有设备充分利用、各设备接口连接通畅，是系统设计所考虑的要点之一。
另一个要点是控制系统在设计时能充分考虑经济实用性，即指良好的性能价格比。
根据施工现场的实际使用情况，本着先进性、可靠性、实用性、经济性的设计原则，确定新系统设计采用西门子公司S7-400系列PLC，原控制面板上的指针式显示仪表及拨码开关全部改为触摸屏或操作员终端显示及控制。采用先进的现场总线和分布式控制技术，由上位机进行统一实时监控，使操作更加直观，系统更加灵活。采用集中监控方案，可限度的减少人为干预，提高各项工艺参数的控制，保持系统的稳定性，提高自动化程度。
考虑到干冰膨胀线控制系统要求较高安全性的特殊性，其对网络产品的性能要求较高，例如：通讯速度、通讯可靠性以及总线器件的稳定性等要求都较高，因此控制层与工艺段设备操作层之间的通讯采用PROFIBUS-DP 网络，该网络是一种经过优化的高速的通讯连接，它的设计专门为自动控制系统与分散的I/O设备级之间通讯使用，使用PROFIBUS-DP 可取代24V或4-20MA 的并行信号传输。而现场总线产品的关键器件选用了德国Beckhoff公司产品。
新型控制系统设计将原CP1，CP2，CP3控制系统全部淘汰，采用西门子公司S7系列PLC与分布式远程I/O控制系统。同时应用工业以太网与监控机通讯，另外为增加网络传输速度与稳定性，远距离通讯采用光纤进行传送。整个车间的控制和管理系统网络结构共分为2层，即设备控制层和监控管理层，其示意图见下图所示的《网络结构图》。
二、控制范围及工艺简述
整个控制系统改造范围包括：
A、进料端 CP3
进料端设备从进料皮带开始到双速皮带机结束，包括喂料机、计量管、皮带、振槽、超级回潮筒、水分仪、寸动车、贮柜（FIFO先进先出式，两组）、贮柜（对顶式，两组）、皮带秤、双速皮带机等设备。回潮筒要求出口水分控制。
B、冷端 CP1
冷端设备从往复皮带机开始到开松器结束，包括可逆皮带机、伸缩槽、左右传输槽、工艺罐加热器、过滤泵、空气压缩机（2台）、液压泵（2台）、CO2补给泵、CO2压缩机，CO2干燥器、主制冷机、停机制冷机、冷却塔风机、冷却水泵、CO2传输泵、贮存皮带机及开松器等设备。
C、热端 CP2
热端设备从电子皮带秤起到回潮筒后出料振槽结束，包括焚烧炉、电子皮带秤、废气风机、主工艺风机、进料气锁、出料气锁、旋风除尘气锁、带罩皮带机及回潮筒等设备。
三、Beckhoff现场总线端子简介
德国倍福（BECKHOFF）公司是德国一家的自动化公司。其主要产品包括现场总线端子、高性能的工业计算机和控制面板及控制软件。
BECKHOFF公司的现场总线端子可支持目前市场上几乎所有的现场总线。高性能的各种总线端子可满足不同现场信号的要求，特别是其新推出的电机启动器端子KL8001，安装西门子的3RT10系列接触器构成全新的高性能电机启动器，可对5.5KW以下的电机实现完全的控制。它不仅具有其它电机启动器的由总线控制电机启动、停止和返回电机状态的功能，而且对电机具有很强的诊断、检测和保护功能。
BECKHOFF现场总线端子的主要特点是性价比高、质量可靠、结构紧凑、坚固耐用，而且安装和接线非常方便。
其特点如下：
1、控制电机的电流到9.9安培（旋转开关设置）。
2、实时的每相电流、电压测量；
3、有效功率测量；
4、接触器开关次数和电机运行时间测量；
5、电机诊断可达5.5KW;
6、通过总线对电机实现控制；
7、非常紧凑的设计(120 x 45 x 72)。
通过总线的方式不仅实现电机的正反转和限度的保护，而且对电机的运行状态一目了然。由德国倍福公司的电源端子KL8001和西门子公司的3RT10系列接触器组成高性能的电机启动器，通过KS2000软件对KL8001进行参数设定。另外KL8001所测的参数都有其实际意义，每个参数都反映的是电机的运行状况或现场设备的运行情况。
例如：KL8001可做如下操作方式和自动保护设定，
操作方式的设定：设定此电机允许的操作方式。
1、允许电机左转；
2、允许电机右转；
3、看门狗时间激活；
4、允许单相分析(单相电机用）。
自动保护功能设定：KL8001在下列故障下能自动快速切断电机，无需控制器的干预。
1、三相负载不对称；
2、相出错； 3、过压；
4、欠压； 5、过载；
6、欠载。
四、系统配置及功能
4.1 硬件设计
采用德国倍福总线系统的分布式I/O机箱，作为电控柜的基层控制站，安装于现场。I/O控制站与PLC之间通过PROFIBUS-DP现场总线相连，每个分布式I/O 机箱控制电机5-7台（包括双向电机，变频器等），开入/开出或模入/模出点20-24个，在机箱内配各种电源保护开关、空气开关、软启动器等。
系统采用分布式I/O机箱结构后，主控柜只需配电柜和PLC柜，主配电柜提供分布式机箱所需380V三相交流动力线（每箱按40A）、220VAC电源（每箱按2A）和24VDC电源。配电柜上设主电源开关，急停开关及指示灯等，PLC柜配S7-400 PLC机架和人机操作界面--CP65系列平板工控机操作员显示终端。
4.2 与ProfiBus-DP网络通讯设计
4.2.1 主站硬件连接：首先配置好S7-400 CPU主站，并连接好ProfiBus-DP网络（略）。
4.2.2 倍福总线端子子站的软件设置：
1)电源端子KL8001需要设置PROFIBUS-DP地址，通过耦合器（BK3120）上的2个“ADDRESS”旋钮开关实现，十进制为1-99。
2)电源端子KL8001需要设置额定电流，通过耦合器上的2个电流旋钮开关实现，十进制为0.0A-9.9A，额定电流也可以在软件上设置（此时要求硬件设置为0.0A）。
3)用倍福公司的串口电缆连接好PC机与倍福耦合器（BK3120），打开KS2000设置软件。
4)点击在线浏览按钮，上载好与实际物理连接一致的配置，使用setting选项调整好模拟量配置，数字量一般不需要调整。
5)点击KL8001\setting选项，打开KL8001组态表单，可以组态操作模式、关断模式、寄存器数据，例如：⑴额定电流，⑵过载电压，⑶负载，⑷欠载电压，⑸最小负载，等等，注意需要首先设置“左转允许”、“右转允许”，才能通过控制命令进行编程控制电机的左右转向。
4.2.3 在STEP7中做好硬件配置：
1）配置好S7-400主站和PROFIBUS-DP网络。
2）添加正确的GSD文件：b312bece.gsd或者b312bece.gse。
3）硬件配置添加顺序：AI、AO、KL8001、DI、DO，模拟量和电源端子按照模板型号逐个添加，数字量综合起来按照总I/O点数（区分输入、输出模板）添加。模拟量模板输入信号的4-20ma对应0-32768。
在PROFIBUS-DP网络上连接BECKHOFF控制端子，能够做到网络完全兼容，性能稳定。
4.2.4 软件编程
用STEP7软件编制专用的功能块，通过PROFIBUS-DP网络就可读取倍福总线端子采集的相关设备基础数据，然后通过SCADA监控软件（系统采用WINCC6.0）即可实时检测设备运行参数。
4.3系统功能
4.3.1控制系统具有手动和自动两种控制方式。在手动方式下，操作员可以在现场通过操作站完成电机的启停、电磁阀的通断。在自动方式下，操作员可通过监控操作站或上位监控管理机上的功能键按工艺要求自动启动各段的设备。一般，系统正常运行时为自动控制状态。为便于设备的调试和生产维护，每组PLC划分为具有独立手/自动启停功能的控制段，每段可分别操作运转，工艺段的手/自动功能的切换在相应控制段的监控操作站实现。
4.3.2电机保护功能。对每台电机都提供过流、过热、缺相和短路保护功能。
4.3.3紧急断电功能。电控系统提供紧急断电功能，在主要设备附近设置紧急按钮，以备在意外情况下能迅速切断整个控制电源。
4.3.4故障报警功能。电控系统具有对故障检测和故障状态的声光报警及消除声光报警功能。
4.3.5 PID控制功能。采用PID 软件模块自动控制。PID参数在段监控操作站上设置，有手动和自动两种控制模式。在手动控制模式时，输出由手动调节，在自动控制模式时，输出由PID软件自动调节。
4.3.6变频控制功能。整个工艺设备段需要调节转速的电机均采用变频器进行控制。对变频调速电机启停控制通过现场总线实现，频率在段操作监控站上设置。采用变频器控制后，电机的转速连续可调，并且调节方便；另外电机缓慢启动，降低了启动电流。减少了启动冲击，延长了电机和设备的使用寿命。
五、结束语
此项目已正式投入生产运行，通过实施此项目，可以发现倍福产品有许多独特的地方，比如倍福总线端子系统支持几乎所有的现场总线系统，占用空间较小，其输入/输出模块有1, 2, 4, 8 各种通道组合，用户可根据项目预算情况在标准型、紧凑型、经济型、经济增强型、带CPU 和不带CPU 等各种类型中选择最适合的总线接口，使项目设计达到的性价比。同时由于通过总线端子可以提取大量的基础参数，对于控制系统提前预测设备故障及故障诊断有很大帮助，提高了设备运行效率。
参考文献：
1、BECKHOFF KL8001用户手册
2、STEP7 编程手册
3、崔坚，2005，5 西门子工业网络通信指南
作者简介：杨桂清，女，1968年2月28日出生；1990年7月毕业于哈尔滨工业大学工业自动化仪表；现任北京达特公司信息与自动化控制技术部部门经理，主要从事烟草行业自动化控制系统集成工作。
工作单位：北京达特烟草成套设备技术开发有限责任公司
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