摘要：
本文詳細介紹了採用SIMENS公司S7－300型PLC、分散式遠程I/O控制器ET200M以及WinAC實現連續硫化機組控制的詳細設計與實施方案，並針對系統的特點，對溫度控制策略、系統可靠性設計、WinAC軟體設計思想進行了闡述。
關鍵詞：
PLC 遠程I/O WinAC
1 設計背景
橡套電線電纜是我國煤炭、礦產、鐵路、海底通信等傳輸的主幹線，其生產工藝極其複雜，最為關鍵的一個工藝便是將混煉好的生橡膠擠制在電線電纜上，作為電線電纜的絕緣或外護套（俗稱擠橡工藝）。這一工藝需要在一定的溫度和壓力下，經過一定的時間硫化，因此，在這一工藝中溫度、壓力、時間這三個工藝參數需要根據工藝特性實時控制。以往，電線電纜生產廠家擋車師傅們主要根據以往經驗加以控制，硫化效果往往欠佳，導致電線電纜存在欠硫或過硫等質量問題，極大影響了其使用壽命。為了提高其工藝執行率，我們採用Siemens公司的s7-300型PLC、分散式測控模塊ET－200M以及基於PC的測控系統WinAC為山東韓譽電線電纜股份公司（中韓合資）根據該電線電纜生產工藝的特點，對整個硫化過程實施實時監控，對各段的溫度、鹽浴壓力進行PID調節，使生產的電線電纜的合格率大幅上升，並實現了少人值守、工人勞動強度大幅度下降，深受工廠喜愛，該套系統后又在山西某電纜廠投入運行，效果較好。本文主要從系統結構、溫控策略、系統可靠性設計等方面對橡套電纜擠橡工藝溫控系統闡述。
2 系統體系結構
系統採用德國西門子S7-300 PLC可編程式控制制器、分散式I/OET200M和工控機（裝載WinAC和Profibus－DP適配卡CP5611）構成DCS系統，系統結構框圖見1所示。PROFIBUS－DP 作為設備控制層網路平台；WinCC、MPI網作為監控層的人機介面及系統維護（網路編程、人機介面備用站）平台；乙太網作為數據管理、生產及設備管理層的網路平台。
其中四台S7-300PLC可編程式控制制器作為下位來實現所有信號的採集、運算、調節，分別為：溫度控制、牽引控制、壓力控制以及輔助控制現地單元，S7－300的特點是：模塊化、無排風結構、易於實現分佈、運行可靠、性價比高。工控機主要安裝WinAC適配器以及機組狀態監視、工藝數據存取、機組系統控制、與車間級的工藝控制伺服器和生產計劃伺服器相連，以便與廠級的MIS系統無縫連接。其中CP5611卡為 S7－300型PLC與工控機的通訊介面卡。同時，為便於與車間級以及廠級的MIS系統相連，在WinAC控制器（工業控制計算機）內安裝了D－LINK的網卡，通過Ethernet與車間級的工藝控制伺服器、生產計劃伺服器以及車間伺服器相連。
在生產線上，需要控制的參數與量為：
· 牽引電機：包括牽引前電機、牽引后電機、張力控制電機以及六台熔岩電機泵。其中牽引前電機、牽引后電機、張力控制電機由牽引控制PLC的D/A模塊為MicroMaster420變頻器提供模擬輸入信號，然後由變頻器控制三相非同步電機的運行，同時由繼電器輸入/輸出模塊控制各台電機的起與停。
· 溫度控制：電纜連續鹽浴硫化機組共要監測32點溫度信號，同時還要控制10台工業電爐為無機物加溫並使之熔化。硫化管上安裝由熱電偶以及溫度變送器，將1800～2200℃的溫度信號轉換為標準的0～10V信號，備PLC的AI模塊採集，同時利用繼電器輸出啟動無觸點功率模塊開關，使電爐通電升溫，同時實時監測熔鹽溫度，構成一溫度閉環控制系統，其中電爐的電流採用PID控制方法。
· 壓力控制：橡膠經過橡膠擠出機組機制在電纜上后，經過牽引前電機、后電機以及張力控制電機的配合，進入熔岩硫化管內，硫化管內的熔岩的多寡決定了其壓力的大小。管壁上安裝了20各壓力感測器和變送器，其輸出信號供壓力控制PLC的AI模塊採集。
· 在連續硫化機組中，還有許多的數字計量表和電氣開關狀態需要實時採集和控制，因此，這些量的採集與控制由輔助控制PLC完成。
· 電控櫃中需要實時監測單元信號、櫃內溫度信號（防止個別繼電器短路而引起著火）、濕度信號、煙霧度等信號，因此採用SIEMENS的新型分散式I/O產品ET－200M作為機櫃現地監控單元。
四個現地控制單元的基本配置與模塊為：
· 電源模塊：PS307－lK，120／230VAC， 24VDC／10A；
· CPU318—2：512K位元組I／0可擴展至l024點。可設定第2個Profibus—DP介面。它完成運行狀態參數的實時監測監測，實時進行邏輯判斷，CPU318有4種操作選擇：RUN—P、RUN、STOP和MRES運行方式；
· 模擬量輸入模塊：SM331(8路輸入)。它把溫度、壓力變送器輸出的模擬量轉換為數字信號，並將數字信號送到PLC的控制單元，供PLC做出狀態參數的邏輯判斷；
· 數字量輸入模塊：SM321。16路輸入2個，32路輸入1個，完成電機運行狀態監測和PLC電機分批自啟動系統運行、調試狀態監側，電機運行狀態信號通過電機操作迴路中的接觸器輔助接點接至該模塊；
· 數字量輸出模塊：SM322(輸出8路)。接受PLC控制單元的指令，完成電機驅動信號輸出，通過出口中間繼電器，驅動電機操作迴路，完成電機分批自啟動；
· 模擬量輸出模塊：SM332（AO 2 x 12 位），主要給變頻器提供0～10V控制信號，實時控制三相非同步電機的運行。
· 分散式IO使用ET200M，包括以下部件： 電源PS307，Profibus模塊ET200M，數字量輸入，數字量輸出，模擬量輸入。
PLC採用了四個框架，在RTU信號櫃內有三個，其中一個為備用擴展框架；另一個在操作台內，通過IM361擴展連接，這樣簡化了接線，大大地提高可靠性。
3 系統實施策略
3.1 溫度控制策略
電纜橡膠硫化的溫度、壓力由有機物熔化並作載體實現，而熔鹽的熔化由工業電爐控制，實時控制工業電路的電流也就實現了溫度的實時控制。溫控採用PID調節時，在進行PID調節時，比例調節反映系統偏差的大小，只要有偏差存在，比例調節就會產生控制作用，以減少偏差。微分調節根據偏差的變化趨勢來產生控制作用，它可以改善系統的動態響應速度。積分調節根據偏差積分的變化來產生控制作用，對系統的控制有滯后的作用，可以消除靜態誤差。增大積分時間常數可提高靜態精度，但積分作用太強，特別是在系統偏差較大時會使系統超調量較大，甚至引起振蕩。因此，本系統中，我們採用如下溫控策略，組成智能控制系統
· 實際溫度低於Ｔ1時，為加快響應速度，全功率加熱。
· 實際溫度位於[Ｔ1～Ｔ2]範圍內時，為避免積分飽和，分離積分項，採用ＰＤ控制。
· 實際溫度位於[Ｔ2～Ｔ3]範圍內時，採用PID控制。
· 實際溫度位於[Ｔ3～Ｔ4]範圍內時，採用自適應PID控制。
· 當實測溫度Ｔ>Ｔ0+ξ且在採樣周期中，溫度持續上升，則繼電器斷開
· 在採樣周期中，溫度持續下降，則繼電器接通，其它情況實行PID控制。(死區閥值ξ本系統取為1℃)。這種控制方法不僅考慮了實測溫度和設定溫度的偏差，而且考慮了實測溫度的變化趨勢，可減少超調和波動，具有自適應的效果。
· 實測溫度大於Ｔ4時，接通風扇電源，強制製冷。Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3的選擇為：
Ｔ1=Ｔ0×87％，Ｔ2=Ｔ0×95%，Ｔ3=Ｔ0－20℃，Ｔ4=Ｔ0＋20℃。(Ｔ0：設定溫度)
3.2 系統可靠性設計
3.2.1 PLC輸出端的可靠性措施
PLC輸出模塊內的小型繼電器的觸點很小，斷弧能力很差，不能直接用於廠級AC220V～380V電路中，必須用PLC驅動外部繼電器，用外部繼電器的觸點驅動DC220v的負載。同時較多的AC220V～380V電磁閥內部有與其線圈串聯的限位開關常閉觸點，電磁閥線圈通電，閥芯動作后，是用閥內部的觸點來斷開電路的。在這種情況下，要選用觸點較小的小型繼電器來轉接PLC的輸出信號。
3.2.2 安裝與布線的注意事項
由於本系統PROFIBUS－DP要完成所有數據通信，因此對通信電纜要求可靠性高應選用SIEMENS推薦並提供的專用電纜。
由於本系統中用到了大功率可控硅裝置，PLC應遠離強幹擾源。PLC不能與高壓電器安裝在同一個開關櫃內，在櫃內PLC應遠離動力線(二者之間的距離應大於200mm)。與PLC裝在同一個開關櫃內的電感性元件，如繼電器、接觸器的線圈，應並聯RC消弧電路。PLC的I/O線與大功率線應分開走線，如必須要在同一線槽中布線，信號線應使用屏蔽電纜。交流線與直流線應分別使用不同的電纜，開關量、模擬量I/O線應分開敷設，後者應採用屏蔽線。不同類型的線應分別裝入不同的電纜管或電纜槽中，並使其有儘可能大的空間距離。
4 系統軟體設計
測控軟體是本系統的關鍵核心所在，同時也是難點。包括上位機測量軟體及PLC 控制軟體2 大塊，測量軟體主要由人機界面程序模塊、數字信號處理程序模塊、資料庫程序模塊等組成，均採用Visual C＋＋編程，在控制過程中，主程序可隨時通過DAO 利用SQL 查詢語句讀寫資料庫中的相關數據。在生產結束之後，可以進行工藝闡述數據統計操作，可以任意選擇統計開始時間和結束時間，計算機自動對該時間段的所有測量數據進行分類統計。並可以用條狀圖或者餅狀圖的形式直觀的顯示出來，相關數據可以進行備份、刪除、導出、列印報表等操作，以利於廠家了解產品質量狀況並採取有效措施改進生產工藝。
在上位機上，以WinCC 為人機介面的WinAC 系統，通過WinCC將時間取樣數據和事件記錄在資料庫,可通過趨勢曲線的形式反映溫度、壓力的歷史記錄。它具備完善的監控功能。包括設備運行狀態、檢測與執行器件工作狀態、網路工作狀態、過程參數、故障診斷及定位、各類報警信息、設備/器件狀態信息等等。同時配置SQL Server 2000 資料庫服務系統，是系統數據存貯、處理、分析及服務中心。資料庫伺服器向上連接生產管理部門（如工藝部、生產部），向下連接各個WinAC 系統，實現了生產任務、工藝指標的下發調度及實際過程參數的採集、歸檔，並最終生產出生產報表和質量分析報表，為車間、生產管理部門及決策部門提供可靠、真實的數據服務。實際上，SIMATIC WinAC－基於PC的自動化套件非常適合於有大量或快速的數據處理與控制相集成，有複雜的控制演算法、數據採集與信息集成、快速的通訊和I/O處理、集成運動控制、集成視頻控制的自動化系統。它充分利用日新月異IT革命的技術成果，滿足自動化用戶不斷增長的提高生產率、降低成本和企業信息化的需求，迎接電子商務時代的到來。
WinAC採用與SIMATIC S7系列控制器完全相同的編程工具STEP 7、現場匯流排Profibus－DP及和分散式I/O系統ET200，SIMATIC基於PC的自動化套件便於工程師針對不同用戶需求和應用場合靈活選擇PLC或PC的解決方案，無需對程序進行任何修改。實際上，WinAC是S7－300的實時模擬系統，且集成了Microsoft的OPC Server。
同時利用WinAC對四台下位機進行實時控制，我們採用梯形圖語言進行編程。由於本溫控系統中每一迴路採用的控制策略及所完成的功能均相同，為使程序清晰、簡潔，易於修改、調試，我們通過結構化方法將每一迴路的編程模塊化，通過FB模塊封裝各加熱段控制功能：我們首先設計一個比例調節功能塊FB20，它主要由功能塊FB10和功能塊FB43組成，由FB10根據溫度偏差進行PID運算，計算出被控量，再由FB43將其轉換成脈衝信號，完成脈寬調製功能。程序中通過在一個採樣周期中8次調用功能塊FB20來實現10個迴路溫控調節。本系統中比例調節功能塊FB20應用在一個固定間隔循環的組織塊(OB35)中，當允許循環中斷時，OB35以固定的間隔(本系統設為10秒，等於採樣周期)循環運行。
通過這個項目可以發現：隨著PC 機及網路技術在工業現場的快速發展，基於PC 的自動化產品解決了傳統PLC不足之處，它的大容量實時數據處理，大容量的系統資源，方便的網路聯接，強大的可視化功能，快速的指令處理等能力，會使該類產品在工業自動化領域中得到越來越多的應用。
5 結束語
目前，該項目已正式在國內兩大電纜廠運行，控制效果及各項功能指標均滿足生產工藝要求。系統充分體現了分散控制、集中管理的設計思想。系統的監控功能、數據管理功能在同類控制系統中處於較為領先水平；WinAC系統配以S7－300、ET200分散式I/O以及Profibus，達到了預期的目標。SIEMENS公司為我國的工業自動化不僅提供了全面的硬體解決方法，更為我國企業實現生產自動化提供了全面的解決方法，使得系統的開發、集成時間大大縮短，節約了投資費用。
