西门子PLC-S7系列在双复合挤出生产线上的应用

［摘要］：
［关键词］： 西门子PLC S7 系列在双复合挤出生产线上的应用 ,机器视觉
一、系统概况和控制要求
2 0 0 5 年初，上海新时达传动技术有限公司开始改造上海双钱载重轮胎公司的一台双复合挤出生产线（见图1 ）。该线是德国TROESTER公司9 0 年代初期的产品，系统组成如图1 所示。

该线总长20 0 m，控制元件比较分散，现场所有的传感器、电磁阀、电机、电源线都通过各类电缆连接到电器控制室，电气系统是采用德国西门子公司S5 系列PLC 和6RA22 系列直流调速器来控制的，由于S5 和6RA2 2 的配件早已不生产，配件已无法购买，所以到了该升级换代的时候了。
整个控制系统要求达到以下功能：
1、速度同步：在上坡段、冷却段、吹干段、下坡段到卷取段及4 个卷取都配置了速度调节辊，通过速度调节辊调节各段的速度，完成速度的同步控制。
2、配方输入功能：根据不同的配方要求，自动选择适合的运行参数。
3、胎面定长裁断功能。
4、胎侧卷取速度自动控制。
二、控制系统硬件设计
新设计的双复合挤出生产线电气控制系统由1 个PLC 主站、3 个PLC 从站、2 个远程I /O、3 4 台西门子直流驱动器和1 台工控机组成。控制系统如图2 所示。

1、人机界面系统
在生产线的运行过程中需要变换大量的配方、更改工艺参数以及实时监控系统的运行状态，有2 种方案可以选择：一是触摸屏用MP I 电缆与P L C 通过串行通讯进行数据交换，二是通过工控机配以P R O F I B U S - D P 接口卡，通过PROF I BUS 现场控制总线，与PLC 进行数据交换。考虑到现场数据传输量大，有上千种配方工艺，所以选用了研华工控机，配以C P 5 6 1 1PROFIBUS-DP 接口卡，来采集和发送各种数据信息。
工控机作为人机界面， 用来进行配方输入，实时显示各工段的工艺参数、各运行电机的运行速度、运行电流、电压，报警信息。生产状态历史曲线查询，故障报警记录，故障分析及简明维修指南，以及各种数据报表的产生及打印，并为工厂以太网提供接口。
2、 PLC 主站系统
P L C 作为整个控制系统的核心部分，处理本系统中的各种工艺参数和逻辑控制，各速度调节辊、光电开关和主令电器等信号，通过网络发出现场设备的状态要求，经过P L C 处理并将控制指令传递给各执行元件（如驱动器、电磁阀等），同时将各驱动器的运行状态、运行参数， 各电磁阀的工作状态采集回来。
由于PLC 的重要性及现场有2 000 多个数字量I /O 点及200 多个模拟量I /O 点以及34 台模拟量直流驱动器，我们选用了西门子S 7 - 4 0 0 的PLC，CPU 采用414-2DP，具有256K 工作内存以及2 5 6K 程序内存，并考虑到掉电不至于丢失程序，配以2M 存储卡，既减轻了C PU 的工作内存， 又解决了不丢失程序的问题。
3、从站系统
从站设备分为以下2 类。
1) 直流驱动器
选用了西门子的6 R A 7 0 系列的直流驱动器，共34 台，采用CBP 2 板同PLC 通讯，它具有以下特点： ① 单台装置输出额定电枢电流15~2 200 A，额定励磁电流3~85 A，装置并联后输出额定电枢电流可达12 000 A；②输入电压分为5 个等级：400V/460V/575V/690V/830V；③强大的通讯能力。有SIMOLNK 高速直接的装置-装置通讯，还可支持PROFI BUS 、CAN-BUS 、De vi c eNe t、USS 协议等；④所有工艺板、通讯板及OP1S 操作面板都可与新一代的SIMOVERTMASTERDRIVES 矢量控制交流调速产品通用。
2) 分布式I/O 模块
选用ET 200 M，共3 个远程I /O 站，它具有以下特点：① ET 20 0M 是模板化I /O 站保护等级为IP 20；②采用S7-300 PLC 的信号模板和功能模板可进行扩展； ③ 由于模板的种类众多，ET 20 0 M 尤其适用于复杂的自动化任务；④可将远程的I /O 数据采集到PLC 进行控制；⑤ ET200 M 是PROFIBUSDP 现场总线的从站，最大传输速率为12 Mbi t/ s；⑥ ET 200 M 也可采用有源总线模板进行配置，这样在运行过程中即使带电也可更换S7-3 00 I /O 模板，其他模块仍可运行。
三、控制系统软件设计
1、人机界面
工控机监控软件采用西门子公司的WINCC组态软件，共设计了实时报警画面、历史报警画面、挤出画面、压延画面、冷却画面、卷取画面、裁刀画面、配方选择画面、配方编辑画面、D P 诊断画面、数据显示画面、挡丝菜单画面、服务菜单画面，通过组态画面可以方便的进行状态查询， 故障维护。
2、PLC 软件
本系统所有电机的速度是以接取电机的速度为准，根据生产需要，设定各段的运行速度，P L C 根据各段不同的速比计算出各台驱动器的初始速度，通过PROF I BUS 现场控制总线传给每一台驱动器。
由于胎面胎侧收缩的原因，使得每一段的线速度均有变化，加上其他原因，就可能使胎面胎侧拉伸或松弛，因此我们采用了以下典型的控制理论。
在上坡段及以后的各段，当速度调节辊的信号（0~10 V）大于5 V 时，后段电机减速，当速度调节辊的信号（0~10 V）小于5 V 时，后段电机加速。在P LC 中我们采用P ID 算法来保持前后运输带的同步。
在胎侧卷取部分，采用卷径计算的方法，配合速度调节辊的信号来实现卷取的功能。
在胎面裁断部分，采用高速计数模块采集胎面实际传送的长度，通过PLC 的运算，进行定长裁断。
四、应用体会
S5 改为S 7 后的系统优点：
1、通讯速度快：由于采用了S 7 - 4 0 0 的PLC，我们将现场的34 台驱动及3 个分布式I /O模块均联接在1 个DP 口上（CPU 的DP /MPI 口须预留），为此我们将通讯速度设定在1 . 5 M。
2、应用灵活，编程方便： 由于采用了PROFIBUSDP 现场总线，各驱动器的控制字、状态字、设定值、实际值、故障报警信息均可直接读写。
3、接线简单：所有的驱动器只有1 根D P通讯线， 大大降低了故障率。
4、扩展性强：如果现场需要增加驱动器，只需1 根D P 通讯线与D P 总线连接即可。
5、维护简单：由于PROFIBUS 现场控制总线的监视和检测都可以通过P L C 编程后通过工控机显示。可以迅速了解故障，及时解除故障。
6、备件更换方便：S7-400PLC 及6RA70 是西门子新一代产品，是目前及将来的主流控制元器件。
7、可节省大量的工期，由于S5 同S7 的产品是西门子升级换代的产品，其硬件的接线有相近性，可节省配线周期，其软件有相通性，可节省大量的调试周期。
对于正常生产缺少备件的用户来说，S 5 升级S 7 是一种切实可行的方法。
五、应用效果
双复合挤出生产线根据以上方法，通过对电气系统的改造，取得了良好效果：
1、系统稳定性明显提高；
2、设备运行精度明显提高；
3、设备故障率明显降低，提高了生产能力；
4、设备维护成本明显降低，且消除了停产的风险（缺备件）；
5、生产的部件质量明显提高，提高了产品质量；
6、提高了生产的自动化程度，有效防止人为的质量波动。
因此，通过电气系统的升级改造，以尽可能低的费用，提升老设备的运行性能，使之发挥出原有的设计性能乃至更佳，生产出优质的产品来赢得市场的竞争，不失为一条较好的出路。