基于S7-300 PLC的石灰窑炉控制系统

基于S7-300 PLC的石灰窑炉控制系统
摘要：可编程控制器以其优越的安全可靠性能、便捷的操作性能使其广泛的应用于自动控制，自动检测等工业领域。

本文简要介绍SIMATIC S-300 PLC在石灰窑炉控制系统中实现石头和煤按照设定的配比进行工作，满足了配比高度精确的性能指标。

关键词：TP27-10;STEP7;称重模块；PLC
Abstract: The excellent performance in safety and credibility and the convenient operating performance of the PLC, which makes it applied extensively in the control system and automatic checking up field, etc. The article introduces briefly the application of SIMATIC S-300 and PLC in the automatic controlling field and work in according to the ratio presumed by stone and coal , so it satisfies the performance aim of high-precise ratio.
Key-words: TP27-10; STEP7; weighing-up module ; PLC
1 引言
某化工厂在制碱过程中，作为生产纯碱主要原料的二氧化碳和石灰乳，均通过石灰石与焦炭的燃烧获得。

该过程中，焦炭起催化剂的作用，同时燃烧也产生大量的热能，使石头充分的燃烧。

称重系统完成石灰石和煤按照一定比例进行配料，然后把配好的物料放进料斗中，通过卷扬机把料斗沿轨道送到石灰窑顶部倒料，完成一次配料送料过程。

该厂有数台窑炉，每天消耗物料近两千吨，两种原料的比例对燃烧效果有直接的影响，故系统中的配料的准确性尤为重要。

所以准确可靠的称量，稳定高效的控制成为迫切的需求。

2系统要求
系统要求石头和煤称重准确，配比精度高，速度快，可靠
性高等以满足实际生产纯碱的需要。

系统要求控制模式分为就地手动和PLC控制，控制柜上的配料上料系统的控制选择开关进行控制模式选择。

就地手动即所有设备的控制均通过现场的控制箱进行控制，此时PLC仅对现场设备的状态信号称重信号进行采集，此模式多在检修时应用。

PLC控制即所有设备的控制逻辑包括配料和上料控制、出灰控制均有PLC来完成。

PLC的所有操作均有逻辑和现场信号的保护。

在此模式下又分为PLC手动和PLC 自动两种控制方式。

在PLC手动模式下，所有的设备控制由值班员通过触摸屏进行单台启动和停止操作。

在PLC自动模式下，操作员所需要做的工作是对系统中需要用到的参数进行设置，启动系统开始的操作及结合现场实际情况作一些临时的应急处理工作。

以上所有工作均是通过触摸屏进行的，触摸屏上主页画面有系统设置、手动控制和主控画面等。

3系统组成
根据要求，现场显示操作选用TP270，而WinCC进行集中监视和数据存储、报表打印。

本系统每个窑炉硬件选择西门子S7-300系列的产品，包括专用电源PS307 5A，CPU315-2DP，2个16路开关量输入DI16xDC24V、1个16路开关量输出DO16xDC24V/0.5A、一个称重模块SIWAREX U-2、TP270型触模屏、2个总线接头、一段PROFIBUS总线。

系统结构图如下图1所示。

TP27-10
WINCC控制中报表打印
图1 系统结构
4称重模块和人机界面
精确的配比来源于石头和煤称的高度准确，从系统的可靠性、先进性、通讯的能力等方面来考虑，我们选用了SIEMENS公司的SIWAREX称重单元来进行称量。

因为现场石头称用了3个传感器（目的保持石头斗平蘅），而且震动厉害，我们把传感器焊接在底部的钢板上，在焊接前必须保证3个传感器的在同一个水平面上，而且传感器的固定螺丝不可以旋紧，否则会使它支撑了一部分压力，影响称重精度。

把现场压力传感器传过来的信号接入专用接线盒前，每个传感器的信号正和信号负电压要求相等。

再把接线盒中出来的信号线接入称重模块。

然后要对称重模块需进行在线校正，通过一个RS232串口电缆将SIWAREX U和PC机相连，校正软件是SIWATOOL。

打开SIWATOOL软件进入数据校正对话框（图2所示）。

当开始执行校正时，在Adjustment weight中设置量程
（或则所加砝码总重量），然后选择称重精度即小数点的位数，选择当前煤斗中为空的时候，通过set as zero选中Adjust中对应的值，用zeriong设置该值为零点，通过Send 按钮将数值传给称重模块（其他项可以用默认值）。

图2 称校正对话框
然后进行调节，已经选择了一个零点，需要再确定另外一个点比如Adjustment weight中设置的量程，然后加到500公斤的砝码（该称一般用来称1000公斤的石头），如果显示不是500公斤，则用adjust命令调节为500公斤，再用send 命令发送到模块。

然后进行一个砝码一个砝码的减去，看是不是线性的变化并回复到0。

如果是就可以了。

一般不要差2‰，在传感器安装没有问题的情况下，调3次左右即可。

称重模块（SIWAREX U-2）作为一种功能模板，数据的读写不是通过直接读写其相应的数据块来实现的，而是通过访问数据块中一段段的数据记录。

SIWAREX U-2与SIMATIC S7是通过两个系统功能块SFC58和SFC59进行数据通讯。

SFC58将数据记录写入模块，举例如下：
CALL SFC 58
REQ :=TURE //要求写
IOID :=B#16#54 // 54表示：I/O模板
LADDR := W#16#100 //模块地址256
RrECNUM :=B#16#B // 将要访问的数据记录段为11
RECORD :=P#DB15.DBX10.0 BYTE 2 //数据从DB15开
始地址10.0，长度 2个字节
RET_VAL:=#ret_val //返回状态值
BUSY :=#busy // BUSY=0：写结束
注意：数据记录段11中装载的是指令字，本段程序的功能：将DB15中指定的字地址中的值送入数据记录段11，使称重模块执行相应的功能，如：将3装入数据记录段11，则称重模块将移动零点（设置零）。

SFC59将数据从模板中读出，举例如下：
CALL SFC 59
REQ :=TRUE // 要求读
IOID :=B#16#54 // 54表示：I/O模板
LADDR :=W#16#100 //模块地址256
RECNUM :=B#16#1F // 将要访问的数据记录段为31 RET_VAL:=#ret_val1 // 返回状态值
BUSY :=#busy // BUSY=0：读结束
RECORD :=P#DB15.DBX 0.0 BYTE 10 //数据从DB15开始
地址0.0，长度10个字节
注意：数据记录段31中装载的是当前称重模块的测量值、状态和错误，共占10个字节。

本程序功能：将称重模块数据记录段为31中的值送入指定的数据块指定的位置，然后可以从中读取相应的称重值。

系统中用TP27-10触摸屏，该触摸屏已经嵌入了WindousCE 操作系统，用Protool软件做好人机界面后，可下载到触摸屏，实现人机对话。

图4显示了系统操作界面的一页。

图4
5控制原理
石灰窑控制系统包括石灰石加料控制；焦碳加料控制；窑顶布料控制；卷扬机控制；星形出灰机控制；出灰大转盘
控制等六个主要的控制对象。

其工作原理是：通过石灰石加料器和焦炭加料器往小车加入石灰石和焦炭，加料结束后，卷扬机开始启动，小车上行，将原料送入窑顶，倒出原料，布料器布料，然后小车下行到底部，开始新的一轮工作。

出灰大转盘与星形出灰机是把产生的石灰运出窑炉。

控制柜的电气接线见图6。

主要由电源指示、急停按钮、就地手动控制、PLC遥控模式、PLC控制指示、石灰石加料器PLC遥控、焦炭加料器PLC遥控、布料器PLC遥控、卷扬机PLC遥控、出灰控制等几部分组成。

图6 控制柜电气接线图
当控制柜的选择开关处于现场手动时，接触器K1接通，常闭触点K1断开，接触器K11、K12、K13、K14、K15掉电，因此石灰石加料器、焦炭加料器、布料器、卷扬机、出灰控制处于手动模式。

同理，当将控制柜的开关处于自动时，接触器K2接通，常开触点K2闭合，接触器K11、K12、K13、K16、K15得电，因此石灰石加料器、焦炭加料器、布料器、卷扬机、出灰控制处于自动模式。

6梯形图编程
本程序采用SETP7软件编程，梯形图编程没有普遍的规律可以遵循，具有很大的试探性
和随意性，在一个比较复杂的控制系统中，程序设计往往也十分复杂，很多的工作是在现场的调试过程得出的，不接触现场进行完全的程序设计是不可能的，这就要求与工艺、机械方面的技术人员和现场操作员密切配合，共同解决设计中出现的问题。

如机械部件的动作顺序、动作条件、必要的保护与连锁等。

在该系统中，具有的共性问题是常见的几种电路如自锁，互锁等。

对于自锁常用的起保停电路举一该系统中具体应用的例子。

该柜子上无启动，否则还要加一个中间接触点在i0.6前。

程序段中，DB2.DBX0.0接通时候为自动，断开为手动，而DB2.DBX6.5为自动按钮，DB2.DBX6.6为手动按钮。

M60.2为故障信号，一旦出现故障，则必须等待故障排除而且重新启动系统方可进行继续工作，I0.6为选择了PLC控制开关。

在程序中，一般都会用脉冲启动，所以无论是自动按钮还是手动按钮，当启动延时1秒中即断开，即对它进行复位。

7 小结
石灰窑炉控制系统采用PLC的2套方案，实现PLC手动和PLC自动，解决了国产配料称精度低、速度慢，故障率高等缺点，提高了企业自动化水平，带来了可观的经济利益，在试运行期间，运行良好。

参考文献：
[1]PLC编程及应用[M]。

机械工业出版社，2002.9
[2]S7-300可编程控制器系统手册[M]。

[3] SIMATIC S7-300 通用型PLC产品简介，SIEMENS，2002
[4] SIMATIC HMI ProTool组态图形显示用户手册，SIEMENS，1999
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