基于西门子S7200和WINCC电加热烘箱的温控系统

2020-10-10尹江飞

制造业自动化 2020年9期

尹江飞

（中国船舶重工集团有限公司第七一〇研究所，宜昌 430000）

0 引言

高强度浮力材料在深海作业系统中起到极为关键的作用，并已在民用、商业及军事领域得到了广泛的应用，如声学多普勒流速剖面仪平台、零浮力拖体、无人遥控潜水器、载人潜航体等等。而浮力材料的粘接固化质量，决定了产品的吸水率、密度以及耐压，进而影响这个系统或平台的可靠性。为了浮力材料的保证粘接固化质量，通过对前期的粘接固化工艺进行了研究，我们开发了一套电加热烘箱的温控系统，用于产品的粘接固化。

1 控制系统的硬件设计

1.1 控制原理及流程

控制部分的核心是S7-226CN，另外还有热电阻PT100、EM231温度采集模块以及数显仪CH6的温度保护；通信部分的关键是DTU无线通信模块和触摸屏SMART 700，其中DTU无线通信模块通过RS485通讯协议与PLC的PORT0进行通讯，实现远程实时监控和控制指令的收发，触摸屏SMART 700通过PPI协议与PLC的PORT1进行通讯，实现设置参数和显示数据的相互传递；执行机构主要包括电加热系统、风机循环系统，它是在PLC控制下，根据设置的不同参数实现相应的温度控制功能。

图1 温控系统的硬件原理图

控制器CPU为西门子S7-226CN，具体的型号为CPU226DC/AC/Relay，它的输入模块采用DC24V供电，输出模块采用AC220V供电。为了确保系统的稳定新，PLC的输出到加热系统和风机循环系统的控制信号，都采用隔离处理，提高负载的驱动能力，通过中间继电器进行转换。控制柜的界面上设计急停和准备按钮，以及各种工装状态的指示。

1.2 硬件安全性设计

硬件上设计急停按钮，在紧急情况下按下此按钮，一键停机，系统自动断开加热系统的主回路，停止加热。

数显仪采样另外一个PT100的温度，设计单独一套温度保护系统，进行温度上限的设定，并与加热系统的控制主回路串联，当温度超过上限设定值，系统自动断开加热系统的主回路，停止试验，风机依然继续运转。

2 PLC程序的设计

本系统的软件组态、软件设计、程序烧写、在线监测及离线仿真均在西门子Step7 MicroWIN软件中进行。

2.1 主程序设计

Step7 MicroWIN软件中用户的主程序写在组织块OB1中，用户的六段子程序分别定义为温度曲线1～温度曲线6，主程序根据触摸屏设定的温度值和时间，进行自动调用各子程序。

图2 软件流程图

主程序中设定非正常停机（工作中按急停或停止），风机系统也将继续运行15分钟，同时加热过程中不风机必须处于运行状态；主程序中对PT100的温度值采集后，通过设计连续5分钟温度值不变和温度值为3276.7时，自动识别出系统故障和热电阻PT100故障，则系统停止加热，同时风机循环系统还将继续运行15分钟，防止加热系统中的电热管由于温度散不出去而影响寿命；主程序中将运行剩余时间、当前运行设定值、风机状态、完成状态、故障状态等信息通过PPI通讯协议传递至触摸屏并显示；当烘箱内温度超出软件设定的上下限，系统自动停止加热系统；为了保证固体浮力材料的固化质量，主程序中设计只有当烘箱温度冷却至室温的2℃以内，输出控制信号点亮开箱指示灯。

2.2 分段曲线程序设计

六段温度曲线子程序的设计，确保系统可以自动运行于六个不同温度段，满足不同体积的固体浮力材料固化要求。每段温度曲线采用死区控制方法，当温度达到设定温度值的5℃内，PLC中断系统自动响应，并输出控制信号，停止加热系统运行，由于加热系统中的电热管还存在余温，随着风机系统的自动运行，烘箱内的温度还将继续上升，造成超调现象；当系统温度再次降到设定温度以下时，PLC输出控制信号，启动加热系统运行。通过设置0～5℃的死区，确保系统超调量得到有效控制，减少温度的大幅波动。试验运行示意图如图3所示。

图3 系统运行图

六段子程序之间是互锁的关系，只有当系统完成当前这段曲线后才能执行下一段温度曲线。同时系统根据设定值，自动判温度断曲线是处于升温还是降温环节，若是下一个段是降温环节，则当前温度曲线结束之后，风机系统继续运行15分钟后停机，这样可以保证浮力材料慢慢自然冷却，当温度值降到死区区间时，则继续启动加热和风机系统，确保冷却过程中大体积的浮力材料的中心温度能得到释放，防止出现龟裂现象。