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。
　　在碳酸法清净工艺的预灰、主灰等工序里，S7-300PLC应用到了比例加灰装置中，其要求是在渗出汁加入石灰以调节糖汁的PH值。该系统配置了1个操作站，通过西门子MPI网连接，为以后网络扩展奠定基础，下位与S7-300PLC相连，现场的液位、流量、PH值、阀门开度等模拟量信号和其它开关量信号通过模块进入S7-300PLC控制器内运算、比较后输出控制加灰泵，达到调节PH值的目的。该系统的投入大大提高了加灰的效率，还减轻了劳动力。在有些糖厂S7200/300系列PLC还应用到了蒸发罐、结晶罐单台及多台同时控制系统中。而单台自动包装秤的PLC控制已经遍布各个加工厂了。
　　我公司自上世纪90年代末至今先后从德国PUTSCH公司引进了用于切丝工序的TSM1800、TSM2200转鼓切丝机，用于清净工序的PKF140压滤机、HKF80过滤机，从BMA公司引进了用于分离工序的B1750间歇式分离机、K2300连续分离机，以及由西门子公司给我公司提供的结晶罐自动煮糖系统。这些装备的控制系统都是由西门子S7系列PLC组成的。
　　PUTSCH公司的TSM2200转鼓切丝机是目前世界上最先进，加工能力最大的切丝设备，它的最大加工能力是日处理甜菜10000吨。该设备控制系统由S7-300PLC控制器、三台电机、两台变频器、一个液压系统、和一些按钮、限位开关、指示灯等组成，完成主电机无级调速、自动定位更换刀框、自我保护等功能。它的控制点较多，结构比较复杂，下图2是该设备S7-300PLC控制单元的系统配置图。图中CPU通过输出模块控制变频器，再由变频器驱动电机，带动主轴旋转，并给CPU提供相关信号。当安全装置或者硬件限位开关动作后，变频器都会停止驱动电机。编码器用来反馈位置、方向等信息给CPU，以便继续执行PLC内固化的应用程序，并达到自我保护的作用。 PG/PC用来组态CPU功能及参数，对CPU来说，我们可以使用用户程序直接执行程序系统的功能模块。TSM2200转鼓切丝机自动化程度高，故障率非常低，并有故障显示。操作简单、维护方便。为我公司带来了非常大的经济效益。

图2 TSM2200转鼓切丝机控制单元的系统配置图
　　BMA公司的分离机广泛用于食品、药品等行业，国内进口的也非常多，种类也很多。它们的控制系统大多选用S7-300PLC控制器。在制糖行业中，大多选用的是该公司生产的G1250、B1750等型号的间歇式分离机和K2300、K2400等型号的连续分离机，分别用于一砂和二、三砂分离，它们的自动化程度高，工作效率高。
　　B1750型分离机全过程由程序控制，工作过程中一般不需要人操作。它也采用了S7-300PLC控制器及OP17操作面板，能随意监查、修改工作过程中的各个技术参数，比如转速、分离时间等参数，充分发挥设备能力，保证产品质量，并有良好的安全保护设施。设备出现故障时，它能显示故障点及原因，并可储存备查；同时使用2台以上设备时，当一台分离机在降速过程中，它可以把机械能转化成电能，反馈补充给另一台正在升速的分离机，起到稳定电网，节约用电的作用。
　　结晶罐自动化煮糖多年来一直是制糖行业研究的主要项目之一，煮糖煮的好坏直接影响成品糖的质量。BMA公司、西门子公司及国内一些厂家都研发了自己的自动煮糖控制系统。下图3是西门子公司为我公司提供的一套由S7-300控制器组成的自动煮糖系统。

图3 S7-300控制器组成的自动煮糖系统
　　煮糖是用加热蒸发水分，继续浓缩糖浆的方法，使糖液达到一定的过饱和度而析出蔗糖晶体，并将其培养长大到一定大小。它对管体内的真空度、温度、液位、锤度要求非常高，并且伴随着很多化学反应，糖煮的好坏直接影响产品质量。西门子公司为我公司设计的由S7-300控制器组成的自动煮糖系统将过程分为了四个阶段：入料蒸浓、起晶、养晶、最终浓缩。S7-300控制器通过锤度、液位的实时信号来调节罐内的真空度、温度、进料量等参数，最终控制锤度、液位连续、逐步的升高，使糖浆达到一定的过饱和度析出完整的蔗糖晶体。该系统由于是自动、连续又是实时监控，因此较人工煮糖时间缩短，效率大大提高，并且产品质量稳定。
五、未来展望
　　制糖工业未来的发展将朝着规模化、过程自动化控制、机械自动化方的向发展。根据制糖生产线跨距较长，工序较多，控制点比较分散的生产特点，其控制管理理念必将向着“分散控制，集中管理”模式发展。DCS系统、总线控制系统将会大量应用到制糖工业中来。该系统基于PLC控制系统作为现场基础控制器，着重强调整体的连续性、安全性的概念，主要特点为系统的离散性、灵活性、快速性和开放性。S7系列PLC的灵活、可靠、耐高温、耐潮等特点适应制糖工业现场环境，而它的体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能强，可靠性高等特点非常适应DCS系统、总线控制系统。下图4为西门子公司最新设计的用于甜菜制糖行业的DCS过程自动化控制构架图。从图中可以看出全过程分为甜菜预处理、渗出、清净过滤、蒸发、结晶分离五个部分，整体分成了三级管理控制站，即S7200/300PLC控制站（操作员站）、工程师站和最终的管理员站（经理人管理站），其中最关键的环节，也是最主要的现场控制站还是由太网联接的第三段S7200/300系统。

图4 S7-300控制器组成的自动煮糖系统