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三暢創新研發儀表、助力工業自動化升級

基于PLC控制系統的擴容及新增溫變變送器設計

來源: 作者: 發布日期:2020-05-02

 

    摘 要:以儲存煤炭料倉溫度的監控為背景,介紹了基于 S7- 300 PLC的擴容及溫變控制系統,針對新增溫度的控制系統無空余的模擬量點位的情況,通過對新增模塊根據實際需要進行選型、添加硬件組態、重新編寫控制程序、底層溫度變送器的選型、組態程序及畫面的更改等步驟,實現了對新增溫變的實時監控。

    引言
    自動控制是能自動調節及檢測加工的機器設備及儀表,按規定的程序或指令自動進行作業的技術措施。其目的在于增加產量、提高質量、降低成本和勞動強度、保障生產安全等。為了加強儲煤料倉溫度的監控,防止溫度過高引起的自燃,特為儲煤料倉新增溫度變送器,并在控制系統的監控畫面上新增報警等設置,為安全生產提供可靠保證。

    1 設計思路
    經過長期實地觀察與研究發現,儲煤料倉里的煤由于空間密閉、通風條件不好,很容易發生自燃,針對上述情況,為料倉設計新增溫度變送器,實時監控出料料倉溫度,防止出料溫度高,堆積后發生自燃的情況。由于現新增溫度的控制系統無空余的模擬量點位,在原有的控制系統上擴容并新增溫變程序以及畫面。

    2 設計內容
    2.1 新建內容
    1)給料倉的中部以及下部開孔安裝溫度變送器。
    2)原系統無空余模擬量點位,新增模塊 6ES7331- 7KF02- 0AB0 兩個并添加硬件組態和編寫 300控制程序。
    3)新增安全柵以及系統接線工作。
    4)添加組態畫面以及報警。

    2.2 新建實施步驟
    2.2.1 場溫度變送器的選型安裝以及系統接線
    溫度傳感器按其傳感器材料及元件特性分為熱電偶和熱電阻兩類,是一種能夠把所感受到的溫度轉換為所需輸出信號的檢測裝置。在所有類型的溫度傳感器中,由于熱電偶結構簡單,安裝不復雜,使用比較方便,測量范圍寬,同時還具有比較高的準確度。所以在環境比較惡劣的加熱爐系統中,常選用熱電偶作為溫度檢測裝置,能夠更好地反應出溫度變化。

    2.2.2 熱電偶工作原理
    熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合回路,當兩端存在溫度梯度時,回路中就會有電流通過,此時兩端之間就存在電動勢———熱電動勢,這就是所謂的塞貝克效應(Seebeck effect)[1]。兩種不同成分的均質導體為熱電極,溫度較高的一端為工作端,溫度較低的一端為自由端,自由端通常處于某個恒定的溫度下。

    2.2.3 熱電偶分類
    常用熱電偶可分為標準化熱電偶和非標準化熱電偶兩大類。我國標準化熱電偶按其分度號分為 S、 B、E、K、R、J、T 七種類型。根據現場情況,溫度變送器采用型號為WRN- 240G的熱電偶,測量范圍:0~1 200℃;分度號為 K 型。現場溫度變送器為法蘭盤式安裝,所以在料倉中下部以及下部焊接相應的對接法蘭,安裝溫度變送器。把信號線放入控制室內,通過兩入兩出安全柵接入系統,以防止現場有大電流信號對控制系統造 成 沖 擊 。 并在導軌上安 裝新增的 6ES7331- 7KF02- 0AB0 模塊兩個,調節量程卡為 C 型。

    2.3 PLC 的選型
    通過對現場實際情況的分析,本設計選擇西門子 S7- 300 系列的 PLC。根據本系統設計的控制要求我們選用的 CPU為帶有 DP 口的 315- 2DP CPU,它具有 48 kB的 RAM,80 kB的裝載存儲器,而且其可以擴展的存儲容量達到 512 kB,可以擴展 1 024 點的數字量或者 128 點的模擬量[2]。

    S7- 300 CPU模塊有以下類型 CPU313、CPU314、CPU315/315- 2DP、CPU318- 2DP 等不同的 CPU可以去選擇。編程梯形圖可以使用 LAD、FBD或 STL 進行編程所需的程序。

    2.4 硬件組態以及改編程序
    STEP7 是用于西門子可編程控制器組態和編程的一個編程軟件,它用于 SIMATIC S7、C7 和基于 PC的 WinAC中,其基本功能包括:硬件和參數的設置、硬件組態、編程、啟動和維護、運行和診斷功能等[3]。STEP7 利用項目來管理一個自動化系統的軟硬件,用 SIMATIC管理器對項目進行集中管理,可以很方便地瀏覽 SIMATIC S7、M7 、C7 和 WinAC 的數據。實現各種功能所需的 SIMATIC軟件工具都集成在 STEP7 中。

    本設計是利用 S7- 300 的 PLC對加熱爐系統進行控制的,當 PC機上安裝好 STEP7 軟件后,需要對它進行設置。其中不能忽略的是要對 PC機的接口參數進行正確的設置,以保證 PC機和 PLC之間能夠進行通信。

    STEP7 的基本編程語言包括:語句表(STL)、梯形圖(LAD)和功能塊(FBD),其中,梯形圖使用非常為普遍。

    2.4.1 梯形圖
    梯形圖是在傳統的電氣控制系統電路圖的基礎上演變而來,在形式上類似于電氣控制電路,由觸點、線圈和方框表示的功能塊等組成。梯形圖編程具有形象、直觀的特點,為廣大電氣工程技術人員熟悉、使用,特別適用于開關量邏輯控制,是 PLC的主要編程語言。

    2.4.2 語句表
    PLC的指令稱作語句,由若干條指令構成的程序成為語句表。這種編程語言類似于計算機的匯編語言,用助記符來表示各種指令的功能,是 CPU直接執行語言。梯形圖語言程序和其他編程語言一樣需要轉換成語句表指令后才可被 CPU執行。由于其他的圖形語言必須遵循一些特定的規則,因此語句表語言可以實現一些其他圖形語言不能實現的功能,是 PLC編程的基本要素。

    2.4.3 功能塊圖
    功能塊圖程序設計語言采用功能塊來表示所具有的功能,不同的功能塊代表著不同的功能。它有若干的輸入和輸出端,通過軟連接的方式分別連接到所需的其他端子,完成所需的運算或控制功能。由于采用軟連接的方式進行功能塊之間及功能快于外部端子的連接,因此控制方案的修改、信號連接的替換等操作可很方便地實現。

    不同的編程方式各有自己的優點和缺點,STEP7 支持這三種語言之間的相互轉換。通常 LAD和 FBD編寫的程序段可以轉換成 STL 語句程序,多數情況下,STL 也可轉換成 LAD 和 FBD,但并非所有的 STL語句都可以轉換成 LAD和 FBD。 在 Step7 軟件中打開工程項目,點擊 PLC300中的硬件組態,添加新增的模塊 6ES7 331- 7KF02-0AB0 進入機架并把信號改為 4~20 mA四線制,量程卡為 C 型 (要求與實物組態對應)。在工程的FC150 塊中添加如圖 1 程序(共添加 12 個其他的同理),把采集的數字量信號通過 FC105(模擬量采集塊) 轉化成與現裝溫度計相匹配的溫度值,顯示出來,圖中 IN引腳為輸入硬件組態中的地址,HI_LIM和 LO_LIM引腳為實際溫度計的量程 0~150 ℃,OUT 引腳為輸出到數據塊的地址。再在 DB201 數據塊中添加 12 個溫度變量信號為組態王監控軟件提供傳輸信號。

 

模擬量采集模塊程序圖

    2.5 組態畫面編寫以及在全廠 PIMS 系統中顯示 報警
    打開組態王軟件中對應的組態工程,在軟件的變量中新建變量如圖 2,連接設備為S7_300_204,寄存器地址為 DB201.92,數據類型為 FLOAT 型同理等 12 個溫度信號值,再在畫面中打開組態畫面,添加變量顯示框,點擊后出現如下頁圖 3 所示,在模擬值輸出中點擊問號選擇相應的變量。通過 PIMS 采集系統把數據采集到 PIMS 系統中,非常后在 PIMS 系統中添加報警顯示如下頁圖 4 所示。

新加溫度變量點位截圖

3.jpg

4.jpg

 

    3 結語
    在現代化工業生產中,自動化、智能化的產品使用越來越廣泛,本次改造通過使用溫度變送器實時監測料倉溫度,再通過 PIMS 生產管理系統,將其直觀地顯示在監控頁面,控制室的監控人員可實時監控料倉溫度,從而保障生產系統能安全運行,為安全生產保駕護航,避免火災等危險情況的發生。

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