西门子S7-400 PLC在冶金配料系统上的应用

张浩 赖敏

摘 要：从系统组成、系统结构、网络结构、系统程序和上位监控等方面，对西门子S7-400 PLC在冶金配料系统上的应用进行了分析，实践应用显示，采用了S7-400 PLC系统的冶金配料系统具有功能强大、可靠性高、易于维护等优点，可为企业创造更高的经济效益。

关键词：冶金配料系统;S7-400 PLC;系统结构;网络结構

0 引言

在冶金配料过程中，通常需要对多种原材料进行一定比例的配比。在纯人工操作过程中，工艺人员会根据工艺需求人工计算每种材料的配方比例，然后根据比例计算每种材料的理论量，并单独设置机械设备以满足生产要求。当生产状况发生变化且需要更改物料数量时，需要再次计算每种物料的设定值并再次进行设定，整个过程消耗大量人力和精力。而采用基于西门子S7-400 PLC控制方式和变频调速理念的冶金配料系统能够很好地实现人机对话，轻松完成物料输送、配料控制、配方设计、生产数据管理等功能。在自动冶金配料过程中，多种物料按一定比例进行配比，电子皮带秤用于测量皮带输送机输送的物料。PLC主要负责输送设备和称重过程的实时控制，并完成系统故障检测、显示和报警，同时变频器输出信号起到调节皮带和下料系统速度的作用。

1 系统组成

冶金配料系统由称量仪表、上位工控机、S7-400 PLC、变频器等组成。

（1）进料部分：进料部分是从料仓（或储罐）到称重设备的进料执行器。根据物料的不同特性，可以选择不同的给料设备，如电磁振动给料机、螺旋给料机、电磁阀。

（2）称重部分：称重部分由传感器、接线盒和称重二次显示器组成，称重仪器用于称量物料并检测误差。

（3）卸料设备：卸料可以用称重设备或卸料设备，通常由空阀、电磁振动给料机、螺旋给料机、电动（气动）阀组成。所有设备应根据现场的工艺条件和材料性质进行设计和选择。

（4）配料控制系统：配料控制系统由称重仪表、可编程序控制器、上位机等控制设备组成。

（5）校秤系统：应定期调整计量系统传感器，以确保系统计量的准确性。

冶金配料系统工作原理：下料闭环控制过程主要是通过电子皮带秤对振动给料机输送的物料进行计量，由PLC接收现场的称重信号和下料变频器的速度信号，经处理后转化为瞬时物料量，并将瞬时物料量信号由以太网络传送给工业上位机，PLC同时以程序计算出理论下料量，经过AO模块进行转化，以电流信号传送给下料变频器，再由变频器调节振动给料机的转速，当流量增大时，降低振动给料机的转速，反之提高振动给料机的转速，从而使得物料的流量和阶段累计量均保持在设定范围内，进而得到可靠的产品质量。

2 系统结构

冶金配料系统为S7-400H系列冗余控制系统，控制器冗余系统可以实现双控制器冗余切换功能，当主控的CPU出现故障时，另一个CPU自动接替主控CPU工作，切换时间为毫秒级。

冶金配料系统完全采用基于PROFIBUS-DP网络的分布式I/O系统，克服了传统方案的缺点。远程I/O站通过冗余的IM153-2模块用两条冗余PROFIBUS-DP现场总线把经济性更好的S7-300 I/O模块整合到整个DP网络系统，所有I/O模块选用有源背板总线，可支持模板在线更换，保障网络上其他模块不受影响。

冶金配料系统的电机管理模块选用西门子SIMOCODE_pro作为控制模块，它集成了电机馈电回路所需要的所有功能，并提供了大量操作、维护、诊断数据，使电机馈电回路的功能更加透明。利用SIMOCODE_pro电机管理模块自带的Profibus-DP通信接口，调试人员可方便地将整个电机馈电回路通过西门子Y-LINK总线连接器集成到一个冗余自动化系统中。

该冶金配料系统硬件配置的部分硬件型号为：控制器CPU417H、电源模块PS407、以太网通信卡CP443、I/O通信接口卡IM153-2、普通型I/O卡SM321/SM322/SM331/SM332。

冶金配料系统的下料电机采用ABB系列变频器（型号ACS550-01-023A-4），该变频器是由西门子公司生产的一种具有基本功能的多用途工业变频器。ABB系列变频器经济实用，使用简便，具有鲁棒性和适应性，适合我国复杂的电网环境。

上位机部分设置了一台工程师站、一台操作员站，工程师站与操作员站配置Dell工控机，工程师站和操作员站安装西门子STEP7工程软件，工业以太网以MOXA工业级交换机进行环网组态等。

3 网络结构

冶金配料系统通过以太网通信处理模块CP443将S7-400H站连接到工业以太网中。整套冶金配料系统工厂总线配备了MOXA工业级EDS-516A系列的网管型交换机，用于构建冶金配料系统以太网络环状网络架构，可使个环形网络通信速率达到100 Mbit/s。

冶金配料系统终端总线配备了西门子工业级以太网交换机，用以连接工程师站及操作员站，操作员站保存所有的历史数据记录、事件顺序记录、报表、料比更改记录等。工程师站配置了西门子专用通信网卡CP1613和通用网卡，用于与现场控制站通信。

4 系统程序和上位监控

4.1    系统程序

冶金配料系统通过西门子S7-400系统实现全自动控制，整套系统的主程序采用LAD语言编写，用于实现主流程的步序控制，LAD语言比较容易理解，方案维护人员后期解读和升级优化控制逻辑。

冶金配料系统运行联锁条件多，工艺控制要求高。系统程序中大量使用了安全程序，标准程序与安全程序之间相互调用，确保了I/O模块采集各个工艺过程值的准确性及各个数据及通过模块都在安全状态下运行。

4.2    上位监控

冶金配料系统采用西门子S7-400系统的WinCC作为HMI上位监控软件，该软件与PLC控制系统结合紧密，是简单、高效的组态工具。冶金配料系统主画面可以监控現场电机、变频器、秤等设备的运行状态。通过该操作画面可以快捷地远程对现场各个设备进行单机或全自动状态下的控制，该HMI软件还配有完善的报警程序，可在报警信息栏中实时提示现场设备状态以及显示故障信息，为维护本套设备提供了可靠依据。

应用冶金配料系统，操作人员能连续监视生产过程中各个相关附机设备的运行状态及相关参数，并且进行逻辑运算和判断，使附机设备按照既定的合理程序完成必要的操作，保证整个冶金配料系统的安全。

5 主要控制

物料由加料设备传送到配料皮带秤，称重传感器和速度传感器将称量和速度信号发送到皮带秤仪表，输送物料的皮带秤仪表显示瞬时流量和累计量数据，同时将模拟的瞬态流量以标准电流形式发送到PLC系统，其内部单回路程序块通过设备定值和实际值比较进行PID调节，调节器根据测量值和设定值的偏差，通过变频器调整皮带秤的驱动电机速度，使进料流量精确，由用户设定下料速度，达到恒定物料流量的目的。冶金配料系统大量使用了单回路调节，当物料下料量短时间发生变化时，其影响到多个物料的配比，这时调节器及时进行控制，改变下料电机变频器的频率，通过改善单个回路控制的参数整定，可大大提高控制质量。

关于各种物料的配比，编程人员将配比方案设置在上位画面，对比不同的物料配比就不同的方案，操作人员只需要在上位画面中选定一种配比方案，系统就可以按照程序进行物料下料处理。针对生产过程中需要添加特殊的物料，操作人员可以进行人为的配比参数设定，满足不同冶金工况对配比的要求。

6 结语

冶金配料系统与传统静态配料装置相比，其系统具有功能强大、可靠性高、易于维护等优点，S7-400 PLC系统采用面向对象的编程方法，极大地方便了系统的后期维护，大大提高了配料精度，实现了智能网络化管理，整套控制系统的程序可在线修改、下载，减少了系统的非故障停机时间，获得了良好的经济效益。

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[3] 郑群英，龙小保.粉末冶金配料系统的PLC控制[J].电气应用，2008，27（12）：20-23.

收稿日期：2020-01-02

作者简介：张浩（1984—），男，云南普洱人，工程师，从事现场电气自动化设备的技术工作。