揭阳西门子PLC总代理商
1 引言
氧化铝车间现场石灰或矿土粉尘环境恶劣，车间的自动化控制显得尤为重要。上位机的数据记录及趋势显示功能为车间工作人员积累工艺经验提供了良好的条件，有助于提高生产工艺技术，为管理提供依据，促进企业管理的规范化和设备故障的自动监测，确保工厂的安全生产。
氧化铝生产自动监控系统以工业控制计算机、可编程逻辑控制器及现场仪表构成三级监控系统。可编程逻辑控制器选用西门子公司的s7-300系列plc，根据工艺流程在电控室设立3个控制站。工业机采用wincc作人机界面，通过mpi协议与各站进行数据通信，完成数据采集、处理、监测及控制功能。中央控制室分为服务器和客户机，客户机主要完成系统组态及控制参数的在线修改、监控、报表显示及打印等功能；服务器主要完成对整个氧化铝厂的数据处理。本系统的服务器采用冗余设计，两个服务器互为备用。
2 工艺流程
氧化铝厂的工段主要有原料磨、溶出、赤泥沉降、控制过滤、分解分级及种子过滤、蒸发、成品过滤、焙烧及氧化铝包装堆栈工段等。而各个工段中所要实现自动化控制的设备具有很大的类似性。我们选取其中比较有代表性的原料磨车间的短路上料、石灰消化工段与氧化铝包装堆栈工段来说明整个plc控制系统的构成。
短路上料与石灰消化工段的距离较近，短路上料工段是为其它工段运送原料，通过三通留子将生石灰运到石灰消化工段，而在石灰消化工段中，将生石灰与热水在化灰机中混合、搅拌，生成石灰乳。氧化铝包装堆栈相对其它两个工段是独立的，与其它两个工段相距较远，在氧化铝包装堆栈工段，主要是对贮存在氧化铝大仓里的后产品——氧化铝粉末进行打包处理。
3 自动化方案设计
3.1 设计思想
选用siemens公司s7-300plc作为现场控制单元。根据氧化铝生产各个工艺流程在电控室设置了三个控制主站，通过mpi将现场监测仪表采集的信号送到电控室的服务器。整个自动化监控系统构成scada(superv-isory control and dataac)系统，完成数据采集、处理、监视及对现场设备进行控制的功能。系统结构如图1所示。
图1 plc控制系统结构图
(1)设备层。设备层主要是指现场车间的设备、仪表等被控对象。在氧化铝厂的工艺流程中用到的设备种类繁多，动力执行机构如化灰机、板式给料机、脉冲控制仪、鼓风机、皮带机、气动调节阀等，现场仪表如温度传感器、雷达物位计、流量计等。
(2)下位机plc。下位机plc的主要作用体现在两方面。
一是对现场某些重要变量进行监视，对现场被控设备进行远程控制。需要监视的重要变量如某些大罐大仓的液位、物位，管道压力、流量，焙烧炉温度，以及动力设备的上电状态等；而对现场设备的控制包括对脉冲控制仪、鼓风机等动力设备的远程启停控制，对皮带的变频调速，对调节阀开度的控制等。
二是与上位机人机界面(hmi)软件的连接。将设备层的有关信息和数据传入上位机，使得操作员通过人机界面软件实现对现场设备参变量的集中监视，实现对现场设备的远程控制。
(3)上位机hmi软件wincc。wincc是按照客/服(c/s)系统设计的。本系统采用三个客户机和两个冗余的服务器组成。客户机通过访问服务器中的数据，并将这些数据结合在一起显示，使得多画面任务的系统得以轻松解决，提高了系统的可靠性。
3.2 分布式控制站设计
本系统共设三个plc分布控制站。plc1站对短路上料工段进行监控；plc2站对石灰消化工段进行监控；plc3站对氧化铝包装堆栈工段进行监控。
3.3 现场控制柜功能设计
各现场控制柜具有两部分功能，一是进行现场的手动操作，二是与各个远程rio站连接，将各设备状态信号传送到plc。现场手动操作具有比远程更高的优先权，只有将状态开关打到自动状态，自动控制才起作用。所以在接入自动监控系统前，首先要完成对现场各控制柜的状态转换。
4 系统硬件实现
4.1 中央控制室
中央控制室设有两台冗余服务器和三台客户机、一台彩色激光打印机等。服务器均采用研华工控机配置为inbbb p4cpu/2.8ghz/512m ram/80g，客户机均采用研华工控机配置为inbbb p4 cpu/1.6ghz/512mram/40g，服务器和客户机均装有bbbbbbs2000 sever/professional操作系统和step75.4和wincc 6.0软件。
4.2 plc系统配置
plc是该控制系统的核心，控制过程中全部的输入输出量都要经过plc的处理，所有继电器的动作都由plc的输出控制来完成。现场三个西门子s7-300plc站的详细配置内容如附表所示。
每个s7-300plc都只有一个机架，水平安装在控制柜中。各模块的安装顺序为电源模块ps、cpu模块、数字量输入模块di、数字量输出模块do、模拟量输入模块ai从左到右依次排列。
5 系统软件设计
整个系统软件分为上位机监控软件和plc编程软件。
5.1 上位机监控软件
本系统采用1024点的siemenswincc组态软件对系统进行监控。三台客户机的主画面分别显示三个工序的主画面，主画面动态显示车间的整个工艺流程，包括显示所有的开关量状态和模拟量的实时值。各个工序阶段形象逼真。在工艺流程画面的上方是一排系统功能按钮，用鼠标点击就可进入相应的画面。分画面还包括报警表格和各模拟量趋势图，整个系统的所有开关量和模拟量都在各个画面中体现出来，监控系统还具备了实时故障报警和历史数据归档功能。
图2 短路上料工段工艺流程
短路上料工段主要实现对于分布在现场的皮带机、风机、板式给料机、三通留子等各类电机的远程控制，以及石灰大仓的物位在上位机上的显示。
图3 石灰消化工段工艺流程
石灰消化工段主要实现车间里各个电机、气动调节阀的远程控制；各个流量计、液位雷达、物位雷达数据在上位机上的显示；相关电机启停、液位、物位的报警及趋势在上位机上的显示；上位机操作人员操作级别的划分。
氧化铝包装堆栈工段主要实现对现场皮带、风机、电动风阀、脉冲控制仪等各类电机的远程控制；现场仪表数据在上位机上的显示；相关电机启停操作以及氧化铝大仓物位的报警记录在上位机上的显示；现场仪表数据趋势图在上位机上的显示。
5.2 plc编程软件
本系统plc的编程使用step75.4编写，实现plc对过程数据的初步处理。在step7中，有三种编程语言可用来编程，分别是梯形图(lad)、语句表(stl)、功能块(fbd)。plc的程序主要由块组成，他们存放在block目录下，cpu中的程序就是具有特定功能和特定结构的块。主要包括组织块ob，数据块db，功能fc与功能块fb。主程序中调用其它功能块程序，主程序的编写只能在ob1、ob85等块中，程序编写采用功能块的形式，比较容易阅读和修改。fc功能块之间可以相互调用，但是它执行时必须在主程序中被调用，如图4所示。
图4 step7编程所含块结构图
根据信号表分配的输入输出点的不同，将程序的编写分为数字量和模拟量两种。主程序中编写数字量的逻辑控制，子程序中编写模拟量的转换和储存(并在主程序中调用)，数字量控制为逻辑控制，为便于上位机控制，在每个逻辑输出之前都串联一个m位，此位由上位机控制其状态。模拟量需要的是状态显示，在子程序中编写它的a/d转换。aiw作为输入端，将后数据保存在db块。
fc1块主要是模拟量的转换，现场的传感器将模拟量实际值转换成4～20ma信号，而ai模块将4～20ma信号经过a/d转换，变成一个内码数0～27648。plc读取的端口数字仅仅是一个内码值，这就需要编程将此内码数变成实际值送上位机显示。公式如下：
实际值=
×(实际值上限-实际值下限)+实际值下限。
图5 fc1模拟量部分程序
图5是fc1块的部分程序，网络1是将模拟量首先存入temp4；网络2是判断temp4值的大小，如果大于27648将27648赋予它，如果小于0将0赋予它，保证数在0-27648之间，并存入temp5；网络3是将temp5的整数格式转换变为双整数，然后将双整数变为实数。
为了防止石灰乳过满后在无人操作的情况下产生溢出，我们在控制系统中加入了连锁功能，当两个石灰乳槽中有任何一个液位高于3.65m时，系统会自动停止石灰仓下的定量给料机，定量给料机停止6分钟后自动关闭热水槽电动阀，热水停止4分钟后自动停止化灰电机。
6 结束语
本系统已投入实际运行，自投入运行以来，控制系统运行稳定可靠，设备工作状况良好，使用及维护简捷方便，各项指标均达到了设计要求，操作人员的工作量和劳动强度大大降低，能源和设备的利用率得到提高，解决了氧化铝生产环境差，设备分散、复杂、难以控制的难题，同时实现了节约能量、降低能耗，受到厂方的好评。
变频控制系统设计工作原理：
本系统可实现开/闭环运行：
1.引风控制：
通过炉膛上的负压变送器将炉膛压力标准电信号送入引风变频器PID 控制器的反馈通道, 经处理后与设定炉膛负压力比较, 经过PID控制器产生运算信号, 此信号控制引风变频器调节电机转速, 使炉内负压稳定在设定值,从而达到自动跟踪鼓风保持炉膛负压恒定目的。引风电机速度随着炉膛负压值的变化而变化。即保证锅炉燃烧部分的自动运行。
2.鼓风控制：
通过蒸汽管道上的压力变送器将所需蒸汽压力标准电信号送入鼓风变频器PID 控制器的反馈通道, 经处理后与设定蒸汽压力值比较,经过PID 控制器产生运算信号, 此信号控制鼓风变频器调节电机转速, 使蒸汽管道上压力基本稳定在设定值,从而达到自动跟踪蒸汽管道上压力。
3.由于原锅炉为非节能型燃烧方式，控制风量靠人工操作风道挡板，蒸汽压力单靠人工控制燃烧不好。因此电机全速运转产生的风量不能全部使用，采用挡板截流造成约30%的电能损耗。使用变频器可根据生产需求任意调整电机速度，使输出风量可以调节，提高生产工效并且节能降耗。
变频器采用西门子MM430系列。控制系统的起动方式为外部远程人工控制。
调速方式：
1: 为操作工人根据生产情况由外部远程升速/降速按钮实现对电机的速度控制。
2：变频器通过端子BICO连接切换为自动PID运行方式。
3：系统还可实现全开环运行，通过控制柜或现场操作箱上的启停按钮和电位器实现人工控制和调速。
系统的主要连锁：
1.鼓风机运行条件：只有当引风机投入运行后，鼓风机才允许启动运行。
2.变频和工频连锁。变频运行与原旧工频运行，连锁控制系统。
3.当变频系统在运行过程中出现故障时,发出声、光报警信号,提醒值班人员适时处理。
系统构成：
1、 锅炉变频改造控制系统原理
配置：GGD控制柜体2200×1000×600 一台
鼓风变频功率: MM430-7.5 KW 引风变频功率MM430-22KW
见下图:
变频控制柜技术参数及性能特点：
1.主要技术参数：
（1）主回路电源：三相五线制。380V+10%。
（2）控制回路电压：220V
（3）负压压力传感器调节范围：以保证建立充分燃烧系统为准。
（4）蒸汽压力传感器调节范围：以生产所需实际为准。
2.系统性能特点：
（1）具备运行方式选择开关：实现变频和工频互锁，工频运行为原控制系统，变频与工频由转换开关转换，并具有互锁保护功能。
（2）具备变频方式下的——本地/远程——选择开关：实现本地电位器人工调速。变频器PID闭环调速方式。
（3）变频软启动：电机通过变频器启动，电机电压采用数字自动斜坡补偿技术， 电机缓步升速时系统机械冲击小，能显著延长电控元件及风机机械的寿命。
（4）具有完善的电机，及变频器自身保护功能：电机欠电压、再生过压、过流、过载、短路、过热保护等。
（5）具有电源电压、电机电流等柜体仪表显示功能。变频器运行工作状态指示灯显示功能。并能将变频器速度和电机运行电流以0—20mA标准模拟量形式传输给DCS监控系统。
（6）变频器故障报警指示及开关量传输、远程复位功能。
变频器的主要调试参数：
一．系统设计
在某工厂的自动控制项目中，需要将相隔3公里的两台西门子S7-300控制系统设备实现数据交换。由于两设备相距甚远，而且间隔山脉，采用以太网光纤传输并不现实，鉴于BANNER公司的超远距离无线传感产品，设计采用其surecross系列中的DataRadio无线电台DX80DR2M。同时，由于两台S7-300控制系统均为带有Profibus-DP主站接口的CPU315-2PN/DP控制器，而无线电台DX80DR2M支持RS485ModbusRTU协议，因此设计选用赫优讯公司的NT30-DPS网关（ModbusRTU转Profibus-DP从站）来实现数据交换，系统结构设计如下：
二．功能描述
如图1所示，两个远程站的NT30-DPS均通过其Profibus-DP接口挂接到CPU315-2PN/DP的Profibus-DP总线上作为DP从站运行，同时其RS485引出线连接到DX80DR2M电台的通讯引出线上，为了实现ModbusRTU的主从数据交换，其中一个NT30-DPS设计为ModbusRTU主站运行，而另一台NT30-DPS设计为ModbusRTU从站运行。在系统运行时，ModbusRTU主站网关根据预先配置的通讯命令表（ModbusRTU命令FC1-FC16）自动读写ModbusRTU从站网关的寄存器数据，然后每个网关又通过Profibus-DP输入输出映像区与各自的CPU315-2PN/DP主站实现数据交换，从而实现CPU315-2PN/DP之间的数据交换，数据交换的实现如下图所示：
如上图所示，两个NT30-DPS与各自的CPU315-2PN/DP实现64个字节的输入输出数据交换，通讯机制如下：
1．来自右侧CPU315-2PN/DP的输出数据通过Profibus-DP机制被自动传送到作为ModbusRTU从站的NT30-DPS的30001-30032输入寄存器中，然后被作为ModbusRTU主站的NT30-DPS通过FC4功能号读取到输入端寄存器Register1-32中，后通过Profibus-DP机制被自动传送到左侧CPU315-2PN/DP的IW0-IW62输入映像区中，从而实现了右侧CPU的输出数据到左侧CPU的输入数据的传送。
2．来自左侧CPU315-2PN/DP的输出数据通过Profibus-DP机制被自动传送到作为ModbusRTU主站的NT30-DPS的输出端寄存器Register1-32中，然后通过功能号16将数据写入到作为ModbusRTU从站的NT30-DPS的40001-40032保持寄存器中，后通过Profibus-DP机制被自动传送到右侧CPU315-2PN/DP的IW0-IW62输入映像区中，从而实现了左侧CPU的输出数据到右侧CPU的输入数据的传送。
如上所述，CPU315-2PN/DP与网关的数据交换是靠Profibus-DP机制自动完成的，而作为ModbusRTU主从站的两个网关之间的数据传送是通过主站的配置命令预先设定的，因此对于两端的CPU315-2PN/DP来说，整个数据交换的实现是不需要编写任何程序的。
三．NT30-DPS的参数配置
NT30-DPS的参数配置通过赫优讯SYCON.net软件实现，对于作为ModbusRTU主站的NT30-DPS，其配置参数如下：
1．MODBUS表
Interface and RTS RS485 RTS ON
Baudrate 19200 Bits/s
Stopbits 1
Parity none
ModeMaster / address:40001-49999
Modbus address 1
2．MODULES表
inbyte con 64
outbyte con 64
3．COMMAND表
SlaveFunction Address Register .Coil Write
2 430001 32 1 0 Cycle
2 1640001 32 1 0 Cycle
4．SUPERVIS表
Supervision Mode SlaveError
以上未列出的参数均采用默认参数。
对于作为ModbusRTU从站的NT30-DPS，其配置参数如下：
1．MODBUS表
Interface and RTS RS485 RTS ON
Baudrate 19200 Bits/s
Stopbits 1
Parity none
ModeSlave / address:40001-49999
Modbus address 2
2．MODULES表
inbyte con 64
outbyte con 64
3．COMMAND表
无命令
以上未列出的参数均采用默认参数。
注意点：
1．无论主从站均应采用ModbusRTU标准地址格式，即address:40001-49999；
2．主从站的MODULES地址分配空间必须一致，上面分配的为64个字节的输入和64个字节的输出；
3．对于主站，其SupervisionMode参数不能选择off，否则在多从站网络通讯中如果某一从站通讯故障（如断开网络），那么主站网关将不会自动跳过有故障的从站（始终尝试与故障从站的通讯直到其恢复通讯）；
四．STEP7中的配置
要将NT30-DPS连接到CPU315-2PN/DP的Profibus-DP网络中必须要在西门子STEP7软件中进行网络硬件配置。首先，为了能够在STEP7的HardwareCatalog中找到NT30-DPS网关，必须安装NT30-DPS的GSD文件：
1．将NT30-DPS网关的随机光盘插入光驱；
2．关闭STEP7的Hardware窗口中的当前所有项目，然后选择菜单Options->Install GSDFile，在弹出的对话框中选择光盘中的GSD文件（在GSD\PROFIBUS目录下），后点击Install按钮；
安装完GSD文件后即可进行Profibus的从站配置：打开STEP7项目的Hardware窗口，从右边Catalog中选择NT30-DPS网关（在PROFIBUS-DP\AdditionalFieldDevices\Gateway下），然后拖拉到左面CPU的Profibus总线上，后设置NT30-DPS的Profibus地址和输入输出映像区；
STEP7的硬件配置如下图所示（采用了CPU313C-2DP）：
五．应用时的注意点
1．NT30-DPS的RS485引出线中有+5VDC电源，因此除了粉色线和灰色线（RS485的P和N）以及黄色线（地线）外其他所有引线之间不应短路，否则会影响通讯甚至烧坏通讯口，具体请参阅光盘盒中的硬件手册；
2．如果NT30-DPS的STA指示灯亮说明NT30-DPS已经和Profibus-DP主站建立了连接；
3．修改NT30-DPS的Profibus地址后（通过NT30-DPS上的地址盘码设定）需要重新上电；
4．新出厂的NT30-DPS在使用前需要下载固件（在SYCON.net软件中下载）；
六．结束语
德国赫优讯自动化系统有限公司为全球工业网络通讯领域的专家，除了有丰富的协议转换网关产品外还提供各种协议和接口的计算机通讯板卡CIF、嵌入式通讯模块COM以及目前全球高端的网络通讯协议芯片netX，无锡市北辰自动化技术有限公司为德国赫优讯在中国的华东区经销商，我们乐意为工业自动化领域内的任何网络通讯项目提供优的解决方案。本案例在调试中得到了上海BANNER公司和上海赫优讯办事处技术人员的支持，在此表示感谢。