烟草制丝电气控制系统模拟平台的构建与应用

张兆丰

（贵州中烟工业有限责任公司毕节卷烟厂，贵州毕节 551700）

0.引言

随着我国科学技术不断发展，以PLC（可编程逻辑控制器）为代表的工控技术在实际应用过程中取得了良好效果，进一步推动了工业生产自动化的发展。制丝车间作为烟草工业企业重要的组成部分，随着电气技术的发展，其在线制品的生产模式已经基本实现了自动化。随着电气故障的发生，容易造成流水线整体停线或工艺参数超出控制范围，会对烟草制丝线在线制品质量造成严重影响。在电气故障排查和维修上往往要耗费大量时间，对生产效率及工序衔接造成很大影响。

1.烟草制丝设备常见的电气故障及处理分析

烟草制丝主要加工设备按结构和功能不同，分为切片机、切丝机、滚筒类设备（烘丝机、加香机、加料机）等；辅助设备按功能不同，主要包括对在线制品的温度、水分、流量等进行监测和控制，相应设备一般为红外或铂电阻测温仪、水分仪、流量计、电子皮带秤等。

制丝车间生产过程中，常见的电气故障如观察到红外测温仪显示的温度与在线制品温度参数误差较大，可以视为单一功能电气设备故障，常用的处理方案一般是检查红外测温仪探头安装位置是否偏移、探头表面是否脏污、传输线路是否完好、温度变送器供电是否正常，并对相应检查诊断结果进行处理。如果叶片加料机出现故障，就可能需要从系统性的角度去分析和判断故障发生的原因。要检查判断是加料机滚筒运转还是滚筒内在线制品的温度、水分控制异常，或是加料系统出现故障。如果是机械运动部分不能正常启动或是转速异常，则要检查设备网络控制信号或操作信号是否正常、检查内容包括信号启动按钮、停止按钮和隔离开关及对应的输入和输出模块能否正常判断信号、馈电器以及变频器是否有报警信息，如检查后都没问题则要检查整个电路中线路是否完好等。如果是加料系统出现故障，比如加料罐料液温度不能正常升温，要一步步判断设备中的各个部分，设备能否完成正常的蒸汽供给，如果供给不正常，则应手动启闭启动电磁阀看是否正常，如果供给正常，则可以判定故障原因为蒸汽疏水阀堵塞，还应检查温度传感器及温度模拟量输入模块等，排查过程比较复杂，需要具体问题具体分析，找出能够引发调控失灵的关键点[1]。

2.烟草制丝电气控制系统模拟平台构建思路

制丝车间电气设备控制系统目前采用的技术是依托PLC 控制，每一个工段的控制模式及操作模式较为一致，设计一个功能类似的电气控制系统，利用车间升级改造过程中空余出来的电控箱、离线PLC 成套设备、部分备品备件，构建起一个独立的电气控制模拟平台，使电气维修人员能够在平台上进行独立的操作，掌握电气控制程序设计、常用电气设备控制及驱动、各种自带电控系统的独立设备（如水分仪、变频器）与PLC 连接的现场总线技术，培养和提升制丝车间电气维修人员的维修水平，利于提高维修效率和生产效率。

3.烟草制丝电气控制系统模拟平台设计

3.1 软件系统及其硬件支撑

配置一台联想THINK PAD 笔记本电脑，安装SIMATIC ManagerS7 软件及Intouch Application Manager 软件，既作为编写和调试西门子S7-400/400 系列PLC 程序的编程器，同时也对PLC 编程对象进行图形编辑及实现组态监控操作。

3.2 硬件设备控制系统组成及布置

电气控制系统模拟平台设备控制系统硬件设备主要安装在电控箱内，包含有断路器（总空开）、开关电源、西门子S7-400 PLC 系统、ET200S 子站系统、I/O 模块、现场总线网络部件、变频器和独立单机控制系统；隔离开关、按钮及状态指示灯安装在电控箱面板上；其他用于模拟控制信号发生的测控元器件如光电开关、接近开关、温度变送器、压力变送器、电磁阀、角执行器和电机等的接线则作为外部接线经过电控箱内的端子与测控系统相连接。

3.3 电气控制系统模拟平台中的主要控制设备的组成

（1）西门子S7-400 PLC 主站系统的组成。S7-400 主机架上模板从左到右按照以下顺序排列：电源模板、CPU 模板、Ethernet 通讯模板、Profinet-DP 网通信模板、I/O接口模块(开关量输入模板DI、开关量输出模板DO、模拟量输入模板AI、模拟量输出模板AO)。（2）ET200S 分布式I/O 子站系统的组成。ET200S 分布式I/O 从左到右按照以下顺序排列：网络耦合器模板、I/O 电源模板、I/O接口模块(同主站)、电机启动器电源模板、馈电器（电机启动器）。（3）现场总线网络部件。本电气控制模拟平台使用的现场总线网络包含Ethernet 网络、TCP/IP 网络和Profinet-DP 通信网络。（4）变频器。本电气控制模拟平台选用一台丹弗斯FC300 系列的变频器，其自带控制系统，可以通过PLC 程序进行控制，也可进行本机手动控制。

3.4 电气控制系统模拟平台中的主要控制设备的功能

（1）西门子S7-400 PLC 系统的功能。PLC 是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的新型工业控制装置，用于自动化控制的数字逻辑控制器，可以将控制指令随时加载存储器内存储与运行。PLC 由电源组件、中央处理器CPU，指令及数据存储器、输入输出单元、数字模拟等模块化单元组合而成,可接收（输入）及发送（输出）多种类型的电气或电子信号，并使用他们来控制或监督几乎所有种类的机械与电气系统，最终取代使用硬件（继电器）来执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能的方式，从而建立柔性的远程控制系统。（2）ET200S 分布式I/O 子站系统的功能。ET200S 子站系统是接到PROFINET 现场总线上的一个从站，相当于PLC 主模块的扩展，也称为远程I/O 模块。可有数字量、模拟量输入输出模块、智能模块、负载馈电器等。一般机柜间是放在装置现场的。但有些控制信号，比如急停、旁路等控制信号在控制室实现，所以需要采用远程I/O 模块，把这些信号送到机柜间内控制系统。本电气控制模拟平台将S7-400 PLC 主站与ET200S 分布式I/O 子站布置在同一个电控箱中，是为了让电气维修人员在做现场总线模拟实验时，能够顺利地建立起二者的链接，帮助电气维修人员加强对现场总线网络建立的掌握。（3）现场总线。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点，连接成能相互沟通信息，共同完成自控任务的控制网络。PLC 自带的通讯口和扩展通信板、通讯单元所提供的通讯口功能是一致的，是对CPU 通讯功能的扩展。很多时候，CPU 需要跟不止一个终端设备通讯：与HMI 上位计算机通讯，上位机系统需要跟现场的PLC 交换数据；人机界面（操作者接口），需要完成用户与PLC 之间的交互，显示工艺流程中的各种数据并生成各类图表，将操作人员命令写入PLC 内存，也需要占用通信端口；与编程人员的编程设备通讯（编程器等），在线完成软件编辑，查看PLC 运行状态。（4）变频器的功能。变频器能够根据电机在运行过程中的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载时停机报警保护等。

4.应用效果

该烟草制丝电气控制系统模拟平台在构建完毕后，投入到了使用中，给电气维修人员提供了在离线状态下进行程序设计、运行、调试的平台，对制丝生产线在线运行电控系统的理解和应用有了更深刻的认识和更好的掌握。同时，对于电气控制系统中软、硬件电气故障的判断能力也得到提高。

5.结语

通过搭建电气控制系统模拟平台，构建相应的软件系统和硬件系统，使得电气维修人员通过该平台的应用，提升其对制丝车间电气系统的掌握程度，促进电气维修人员对软、硬件故障的综合判断能力，进而提升故障检修的效率，推动各个环节能够顺利进行。