西门子S7系列PLC在甜菜制糖工业自动化中的应用分析与展望

一、前言
    中粮屯河伊犁糖业有限公司是一家甜菜制糖企业，公司生产线上的关键工序都从德国引进了世界上最先进、自动化程度最高的糖机设备。经过几年的使用、维护、维修、保养，我公司逐步掌握、消化并吸收的这些装备的先进技术性能，确保了公司日处理甜菜8000吨以上，各项经济技术指标居全国甜菜制糖行业首位的良好形势。这些糖机设备都采用了西门子S7系列的PLC控制系统，该系统运行稳定，数据可靠，加之优化的程序设计，强大的通讯功能，使其成为了制糖工业中单机自动化的主控装置。
二、西门子PLC简介
    德国西门子公司是世界上研制PLC最早的少数几个公司之一。欧洲第一台PLC是由该公司在1973年研制成功的，1975年推出了SIMATIC S3系列PLC，1979年推出了SIMATIC S5系列，20世纪末又推出了SIMATIC S7系列的 PLC。
    西门子公司目前最新的PLC产品是SIMATIC M7、C7和S7三个系列。M7系列PLC是嵌入式的高档机，用于解决对时间要求非常高的的技术问题，它既可作为CPU，也可以作为功能模块使用，目前国内引进比较少；C7系列PLC往往在一个单元中集成一个PLC和一个控制操作面板（OP），由于PLC和OP同是SIMATIC系列产品，因此，C7控制系统的扩展也很容易，并可简便的在SIMATIC自动化网络中进行集成； S7系列又分为S7-200、S7-300、S7-400几个子系列，分别为小型、中型和大型PLC，这个系列的PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高，因此，应用最广泛，遍布各行各业。
三、西门子S7系列PLC的性能及特点
    西门子S7系列PLC更接近于现场要求：高可靠性，减少了中间接口，具有多中断、现场总线口、集成电位器、定时器、 计数器、码盘接口等高级成功能，以及强大的网络功能：RS232／485接口及多种现场总线标准、远程I/O，还可以作为DCS的下位站和PC机的下位机。同时支持多种编程语言，多种编程环境和可配套的集成软件。S7系列PLC系统结构如图1所示。

图1 S7系列PLC系统结构
    西门子S7-200 PLC是小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。它可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用，成为当代各种小型控制工程的理想控制器，并且可以十分方便地组成不同规模的控制器。其控制规模可以从几点到几百点。S7-200PLC可以方便地组成PLC-PLC网络和微机-PLC网络，从而完成规模更大的工程。它的编程软件：STEP7-Micro/WIN32。该编程软件可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控。使得PLC的编程更加方便、快捷。可以说，S7-200也可以完美地满足各种小规模控制系统的要求。
    西门子S7-300是模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.6～0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。
    西门子S7-400 PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。它采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。
四、西门子S7系列PLC在制糖工业自动化中的应用
    制糖工业是高度机械化、连续化的现代化生产工业，它的生产品就是我们通常说的食糖。它的生产过程几乎包括了所有主要的化工单元，是具有综合化工单元生产过程的食品生产企业，而它的生产规模却是其它食品生产加工企业无法与之相比的，糖厂每天生产用的原料、材料以及产品与副产品都是以千吨计算的。
    德国于1802年在库内恩建成了世界上第一座甜菜糖厂，并创建了甜菜制糖工业。经过200多年的发展，随着制糖工业的科技要求及工艺指标要求越来越高，对制糖装备的要求也越来越高。我国由于制糖工业基础薄弱，技术投入不足，使生产技术水平及装备水平与发达国家相比，还有一定差距，特别是在规模化生产、装备开发和自动化水平方面差距较大。
    由于制糖工业的生产线跨距较长，工序较多，控制点比较分散，但又是一个连续的，相互关联的整体流水线，每个工序又有各自的特点，因此，目前小型S7200/300系列PLC的在这些工序的生产自动化中应用很多，并收到了非常好的效益。它的灵活、可靠、耐高温、耐潮等特点正好适应了部分工序的现场环境。
    我公司有一台丹麦制造的DDS渗出器连续渗出器，使用了近20年，其仪表控制系统原件都已老化，并且无法购买，该系统故障率高，严重影响了生产的连续进行。后我公司对其控制系统进行了改造，选用S7-200PLC控制系统来控制油泵开度、工作压力及回油压力向四个液压马达供油，并保证四路马达的同步转速，及两根搅拢的同步转速，顺序控制废粕轮和连续渗出器的启停。改造后的系统运行正常，几乎无故障停机，并且操作非常简便。
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