S7—300在电子铜箔行业工艺控制系统上的应用

王同

摘 要：S7-300是卓越的中、小型模块化PLC系统，能够满足各种性能要求，适用于无论是简单的还是复杂的系统，简单实用的分布式I/O结构和强大的通讯能力，使得应用十分灵活。文章介绍了S7-300PLC在电子铜箔生产中电解液的制备中实行数字化和联网监控，并从控制系统结构、主要功能特点、软硬件配置等几个方面分别进行了阐述。

关键词：现场总线；PLC；WINCC视窗控制中心；分布式I/O

引言

电子铜箔的生产工艺为：溶解铜和生箔等，尤其是电解液设备和供液设备作为电子铜箔生产设备的重要构成，保证了整个生产环节中电解液的流量、压力等参数值，确保这些参数值符合生产规定，从而生产出性能优异的铜箔。

因为整个生产环节涉及到的设备比较多，而且生产不集中，生产工艺繁冗复杂，而铜箔又属于强腐蚀性化学品。因此为了保证生产安全和生产品质，利用自动化控制平台在生产工艺方面就非常重要。

1 工艺及控制功能

电子铜箔的生产环节可以分成电解液制造、毛箔制造等。在文章中重点描述了PROFIBUS-DP在生箔和表面处理中关于控制设备的设计。

电解液制备：包括下料、溶解铜等。被操控的工具主要包括：循环槽、高位槽等，实现对电解液温度、电解液流量和电解液浓度等操控和管理。

供液系统：CuSO4溶液制作好之后，接下来的工作就是关于生箔和表面处理，会利用到生箔机和表面处理机等设备。生箔机利用电解液来制成毛箔，表面处理机主要是对毛箔表面进行处置，会涉及到酸洗、防氧化等操作。主要涉及到温度、酸碱度等参数上的设置和管理。

2 控制系统设计

利用三层结构的电脑检测平台，第1层代表的是监督层，西门子ET200S和变频器作为检测设备，实现对生产设施的监管；第2层是控制层，西门子S7-300可编程逻辑控制器作为控制层的重要构成，实现了对整个生产流程的自主监管；第3层是监视层，通过三台电脑设备，加上监控系统，实现了对整个生产设备的自主监视和生产管理，比如生产工艺参数管理、生产总量计算、自动生成报告等。

在这3层中利用了PROFIBUS-DP等3种互联网通信设备，远程站点利用的是PROFIBUS-DP通信；变频器的监控利用的是USS通信，由于变频器容易出现谐波，并且受到其他条件影响，因此对变频器利用USS通信网并将其和远程PROFIBUS-DP分开，进一步提高了操控系统的可执行性。

2.1 现场监测层

现场监控层利用的是ET200S，属于西门子远程I/O分站，现场设备一共有四十台，主要是对现场的温度、流量、压力等进行参数模拟，并且对生产现场的设备进行操控。所有远程分站的工作都是在Profibus-DP Slave方式下进行的，任何一个远程分站都设有相应的DI等。所有的变频器全部都是西门子MM430系列，利用变频器的自由接口，通过在变频器中设置USS，实现变频器和可编程逻辑控制器之间的通信，完成对生产设备的现场管理。

2.2 控制层

通过六套可编程逻辑控制器PLC完成了对整套控制设备的管理，这些可编程逻辑控制器属于西门子S7-300系列产品，对Profibus-DP的CPU 315-2 PN/DP有兼容性，利用Profibus-DP的总线和USS设备，完成对控制系统的过程管理和逻辑管理。利用Ethernet网络来完成局域网之间的数据传送。任何一个站都设有DO等设备，实现对生产现场的管理，利用CP340和MM430变频器实现通信功能。

2.3 监控层

监控主站使用的是戴尔电脑，其中两个工作站是管理员平台，一个工作站是工程师平台。这三台电脑和六套可编程逻辑控制器构成了S7-300可编程逻辑控制器局域网，利用西门子系列的WinCC视窗控制体系完成对生产流程的管理和监控，主要涉及到工艺参数监控、参数分析和参数保存，而且能自动改变参数值，提高生产技术；在参数运算公式上输入多套铜箔生产参数值，提高了生产技术；同时对所有的生产设备实现报警保护、运行故障监控等，将生产设备在运行过程中的故障发生率降到最低。

3 硬件组态

三台上位机，六个Profibus-DP主站、多个Profibus-DP从站加上生产设施；利用Profibus-DP总线实现了对全部主站和从站之间的链接，构成了一整套控制体系。

六个Profibus-DP主站分别是电解液生产设备，电解液供应设备等，这些生产设备之间互不影响，Profibus-DP从总站将这些生产设备区分，这些设备是监控网络的现场生产设施。

利用USS协议完成了变频器和所有主站的通信，实现变频器和主站之间的数据互换；变频器因为对安全性和数据准确性要求比较苛刻，因此变频器在响应和自我检测方面的性能非常卓越，加上CP340，建立了一套功能齐全的即时通讯网。CP340板块在传动设备和主站这三者之间，利用屏蔽双绞线技术来完成信息的传递，而且传递距离影响传递速度的快慢。

4 软件构成及组态

可编程逻辑控制器控制平台和上位机人机界面平台构成了整套操作软件，其中STEP7-5.4及WINCC6.2为动态系统，利用STEP7-5.4实现软件组态和代码编写，利用WINCC6.2实现对系统设备的监管，完成人机界面自动化运行。

4.1 控制层下位机PLC控制软件

在该系统中下位机涉及到了和SIMATIC S7-300系列的代码编写对象STEP7，实现了对硬件组态、数据设置、文件测试等操作。一般情况下，组织版块、功能板块和数据版块三者构成了用户端程序。组织版块来实现系统操作程序和应用程序的链接，对整个程序的执行起到了管理作用；功能板块主要是子系统；数据版块实现了数据的存取。当可编程逻辑控制器在上位机完成代码编写之后，这些代码会自行下载到到CPU 315-2 PN/DP，并且由CPU 315-2 PN/DP对这些编码来保存。所有从站的代码都是由主站来管理的，主站负责从站的执行情况。在Profibus-DP网络中，上位机和主站可编程逻辑控制器构成了DP，通过STEP7软件对所有从站进行编码设定，其中主站可编程逻辑控制器的编号为2；从站占号最小从3开始；其他占号分别是4、5……。假如从站的状态显示为ET200S，那么就不需要对从站进行任何代码操作，只需要将模块中的BUS开关跟从站编号设置成一致就可以了。

关于变频器的操作，首要任务就是对功能块的参数设置。主要包括：模块类型、通信模块等。利用对变频器通信参数的设置，实现了从站跟主站之间的相互通信和数据传递功能。

4.2 上位机人机界面软件

通过组态系统WINCC6.2提供的驱动代码，利用以太网和下位机可编程逻辑控制器完成数据传递，主要包含数据信息搜集、数据传递等，这种模式的通信组态形成了一套完善的系统，提高了平台的可运行性。利用人机界面，完成了对整个平台的实时监控、参数设置等。

5 结束语

该系统实现了自动化操作，在数据搜集方面可行性强，管理的站点也比较多，系统运行稳定，安全性能高。利用主站对从站的通信管理，完成了电子铜箔溶液设备和供给设备的自动化管理。与此同时，在生产现场，DP总线的使用量并不大，降低了投资资金。通过实践证明，西门子S7-300系列产品和技术在电子铜箔行业的生产线设备上，有着非常强的安全性能、使用性能等，同时该产品安装方便，操作简单。

参考文献

[1]张运刚，宋小春，郭武强.从入门到精通：西门子S7-300/400PLC技术与应用[M].

[2]西门子（中国）有限公司.西门子MM430变频器使用手册[S].