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一、項目簡介
煙臺美極玻璃現(xiàn)在為一中型玻璃加工企業(yè)，以生產(chǎn)中空玻璃，玻璃加工為主，于2006年5月正式新上一套平板玻璃鋼化生產(chǎn)線。其重要性，不僅在很大程度上，滿足了市場的急需，同時也決定了全廠的生產(chǎn)水平和效益。該設(shè)備整體近30M長,連續(xù)不斷生產(chǎn)，除了需要有制造精良機械部分外，自動控制的優(yōu)劣是其性能和可靠性的關(guān)鍵部分。洛陽西菱自動化設(shè)備有限公司長期從事化工自動化開發(fā)研究和系統(tǒng)集成的公司，承接該項目后，在充分了解該平板玻璃制造工藝的控制全過程和廠方的需要，精心設(shè)計了包括由10.4”液晶人機界面，S7-200PLC控制系統(tǒng)和多臺SRR加熱控制柜組成的集中式控制系統(tǒng)。經(jīng)安裝和調(diào)試，實施投產(chǎn)，經(jīng)過半年多的實際運行，為企業(yè)創(chuàng)建了巨大的效益。
二、系統(tǒng)簡要工藝介紹
平板玻璃鋼化工藝一般采用優(yōu)質(zhì)玻璃為原料，以平鋼化生產(chǎn)線為主要生產(chǎn)設(shè)備。該生產(chǎn)線約寬2.5M,長25M，依次分布為上片臺，加熱段，風(fēng)柵冷卻段，下片臺，各工段均有不同材質(zhì)的輥子運送玻璃。輔助設(shè)備有鼓風(fēng)機，風(fēng)道，控制柜等。其生產(chǎn)過程分成上片，自動往復(fù)加熱，往復(fù)急冷，往復(fù)吹風(fēng)，取片五個工藝階段。開車前逐步使加熱段呈矩陣分布的上下電爐升溫至650℃，做好生產(chǎn)準(zhǔn)備。在一定的時間段，人工將原料片玻璃在上片臺排放好位置，至前爐門前光電開關(guān)止。當(dāng)確認可以進爐時，啟動按鈕，前爐門打開，放片段和加熱段按進爐速度同步前進。爐前光電開關(guān)與編碼器配合，開始測量玻璃長度，同時加熱時間計時開始。當(dāng)玻璃到進爐距離減速到位，管前爐門并放片停止。加熱主傳動按加熱往復(fù)速度，爐內(nèi)有效距離，反向行進，如此形成往復(fù)擺動。當(dāng)加熱時間剩20秒，啟動冷卻風(fēng)機到高速。一但加熱時間到，打開后爐門，加熱主傳動和風(fēng)柵主傳動按出爐速度同步高速出爐，熾熱的玻璃快速進入風(fēng)柵急冷鋼化，同加熱爐動作類似，并按往復(fù)速度擺動，急冷時間到后，冷卻風(fēng)機改低速繼續(xù)擺動。直至冷卻時間到，風(fēng)機減速停，風(fēng)柵轉(zhuǎn)動和取片轉(zhuǎn)動按取片速度同步出柵，鋼化玻璃至后光電開關(guān)處自動停止。生產(chǎn)過程，周而復(fù)始，連續(xù)進行。遇到某些工藝情況，對局部階段需要增加或減少頂部或底部閥門開閉，改變或跳過一些階段，系統(tǒng)同時具有多種報警。緊急停時有安全位置，運行時有安全連鎖。
綜上所述，平鋼化系統(tǒng)是一個既有大量開關(guān)量和大量SSR溫度調(diào)節(jié)回路（數(shù)量達30－60個溫度檢測點和調(diào)節(jié)回路），又有多個編碼器和變頻器組成的速度距離測量控制回路，及人機界面和少量儀表模擬量組成的涉及面復(fù)雜的控制系統(tǒng)。它是通過人機界面和現(xiàn)場眾多鍵控，能夠靈活多變，適應(yīng)多種不同鋼化工藝需要的順序控制。畫面要能清楚地顯示主要工藝流程，方便靈活地控制大量參數(shù)。各階段距離和時間，速度，以及不同的玻璃規(guī)格工藝指標(biāo)，要求能在不同情況下靈活調(diào)節(jié)，連續(xù)顯示各時間段，溫度值和玻璃動態(tài)位置。其主要控制對象有三個要點：其一是各階段時間設(shè)置和控制；其二是溫度檢測和調(diào)節(jié)回路；其三是速度測量控制和距離測量控制。由于過程中含有大量的工藝指標(biāo)，運動速度高，如出錯，導(dǎo)致大量的廢品，甚至損害設(shè)備，因此對安全性要求極高，控制必須準(zhǔn)確無誤，極為可靠。設(shè)備整體外觀見下面圖1：
圖1
最終選定硬件配置如下, 共計S7-200 CPU 1個，各類模塊6個。溫度模塊6個，變頻器5個。
CPU226XP CN 6ES7216-2AD23-0XB8 1個
電源模塊 6EP1 3311-SH02 3個
DI/O數(shù)字擴展模塊6ES7223-1BL22-0XA8 3個
AI/O模擬擴展模塊6ES7 2350-KD220XA8 1個
AO數(shù)字擴展模塊 6ES7 232-0HB220XA8 2個
M440 2.2KW變頻器 6SE644 2DU222BA1 2個
M440 1.5KW變頻 6SE644 2DU215BA1 1個
M440 3.0KW變頻器 6SE644 2DU230BA1 1個
康沃 220KW變頻器 CVF-G2-4T2200 1個
泓格溫度模塊 I-7018 6個
人機界面 MT510TV4 1個
三、控制系統(tǒng)構(gòu)成
硬件配置和系統(tǒng)構(gòu)成要點如下圖2。
圖2
根據(jù)系統(tǒng)上述特點，改造前的PLC的選型工作是一件非常關(guān)鍵的事。PLC是核心部件，決定系統(tǒng)的功能，適用性，安全可靠性和價位。根據(jù)現(xiàn)有各制造廠方的經(jīng)典作法，上述系統(tǒng)均采用PC+OMRON中型PLC+專用電路板＋OMRON變頻器，或是PC+S7300系統(tǒng)＋施奈德變頻器，已有相當(dāng)數(shù)量的工程實例。但本工程是為一家私營企業(yè)配套，價格既不能高，又不能降低控制性能和安全可靠性，這當(dāng)然有相當(dāng)?shù)碾y度。經(jīng)過再三斟酌和周密思考，最終選擇西門子S7-200PLC作控制系統(tǒng)。
本方案是選用S7-200系列 CPU226XP作主控制，溫度控制有大量的DI/DO,增加3塊I/O數(shù)字量模塊。 5臺變頻器用電壓信號作調(diào)速控制，因而選2塊AI/AO模塊。系統(tǒng)需要測速和控制轉(zhuǎn)速，以及距離控制，硬件為編碼器，利用PLC固有的2組A-B高速計數(shù)。由于溫度點實在太多，溫度模塊數(shù)量系統(tǒng)無法容納，另采用泓格串口溫度模塊解決,用自由口通訊。電源用SITOP模塊。
人機界面的選擇，一是流行的做法，由PC機＋組態(tài)軟件＋大屏幕顯示器，效果極佳。其缺點是WINDOWS操作系統(tǒng)的故障，造成系統(tǒng)的不可靠，且成本較貴。另一個方案是使用西門子的人機界面OP270，可靠性極高，組網(wǎng)方便，但成本更貴。人機界面選e-VIEW 10.4”彩色, 經(jīng)濟實惠，滿足需要。
整個控制系統(tǒng)由4臺控制柜和一個立柱式人機界面操作箱組成。操作箱裝有人機界面，旋紐開關(guān)，信號燈，及蜂鳴器等,相距30M,通過PPI通訊電纜與PLC相聯(lián)。PLC控制柜裝有PLC,模塊, 小型斷路器,開關(guān)電源模塊,繼電器等,是整個系統(tǒng)的控制中樞。另一臺是傳動控制柜，裝有AOP面板，溫度表、電壓表、控制開關(guān)、信號燈等，柜內(nèi)安裝小型斷路器、接觸器、熱繼電器、開關(guān)電源、變壓器、電磁閥電源、及4個變頻器。中間2個加熱控制柜，裝有大型斷路器開關(guān)，大量SSR模塊，快速熔斷器，異性鋁材散熱器，散熱風(fēng)扇等。硬件品質(zhì)對整體設(shè)備可靠性有重大影響，必須堅持選擇有認證的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。選擇有
圖3
ISO認證的廠家通過OEM形式整體制造控制箱，控制柜。只有從整體制造的各個環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)，才能打造設(shè)備整體的可靠性。控制設(shè)備整體外觀見上面圖3：
四、控制系統(tǒng)功能及要點
平鋼化控制第一個特點是具有大量的加熱爐溫度檢測和溫度控制調(diào)節(jié)回路。平鋼化工藝中溫控系統(tǒng)呈矩陣分布，是一個具有36個熱電偶檢測點和36個SSR（固態(tài)繼電器）溫度調(diào)節(jié)回路的系統(tǒng)。與一般系統(tǒng)相比，的確很龐大。大量的溫度點使我們檢測只能選擇現(xiàn)場測溫模塊。6個測溫模塊在現(xiàn)場貼近熱電偶分布式安裝，以降低干擾，節(jié)約補償導(dǎo)線。利用CPU226XP 通訊口1與6個測溫模塊組成主從式自由口通訊網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)測溫模塊提供的通訊協(xié)議，進行專用的通訊程序編制，實現(xiàn)通訊。PLC通過輪詢，現(xiàn)場各點溫度實時值進入PLC儲存器。輸出的控制對象為SSR,進行固定周期的通斷比控制，所以占用數(shù)字輸出點36個。由于CPU226同時只能開啟8個PID通道，如果交替使用，反應(yīng)速度慢，程序冗長，效果不見得好，因此改用模糊控制。將給定溫度和測量溫度相比較，查表，得到相應(yīng)的通斷比控制值輸出。作出一個帶參數(shù)的溫控子程，可方便多次調(diào)用。整個生產(chǎn)過程中，溫度基本保持恒定不變。通過硬件和編程的結(jié)合，系統(tǒng)解決了多溫度點控制回路的技術(shù)難點。
平鋼化控制第二個特點是具有能夠靈活多變，適應(yīng)多種不同鋼化工藝需要的順序控制。生產(chǎn)過程的上片，自動往復(fù)加熱，往復(fù)急冷，往復(fù)吹風(fēng)，取片五個工藝階段，決定本系統(tǒng)是按一定時間順序為基礎(chǔ)和外部給定為條件的順控程序。PLC的編程根據(jù)平鋼化工藝控制的特點， 5個主要工序形成步序核心控制。S7200順控（SCR）指令為編制順控提供理想方式，簡化程序，條理清晰，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化，模塊化，安全可靠，同時增加程序可讀性。在不同的步序段中，各階段時間設(shè)置和轉(zhuǎn)速，距離控制是通過人機界面和現(xiàn)場眾多鍵控，能夠方便靈活地進行多種設(shè)置組合，來確定要完成的工藝。在不同的步序時間段，根據(jù)不同情況，控制傳動電機的啟動、加速、運動、減速、距離到時反向、正向，控制風(fēng)機的啟動、加速、高速運轉(zhuǎn)、減速、停止，調(diào)用多個子程及中斷程序，完一個接一個的單項功能。步序象是一個傳送鏈，當(dāng)一批玻璃進入往復(fù)急冷后工序后，程序控制又一批玻璃開始進爐加熱步序，形成一個連續(xù)不斷的生產(chǎn)線。順控程序的編程并非難點，重要的是步序必須安全可靠，有時單一轉(zhuǎn)移條件是不夠的，需要采取一定的措施和多重判斷，增強保護。一些關(guān)鍵部分，增加了必要的連鎖。
由多個編碼器、光電開關(guān)和變頻器組成的給定同步速度控制和長度、距離測量控制系統(tǒng)，是平鋼化控制的第三個特點。測量一批被加工玻璃的總長度，是在加熱段和風(fēng)柵段往復(fù)運動控制的基礎(chǔ)。用爐前光電開關(guān)，編碼器與PLC高速計數(shù)口，及軟件配合可測量玻璃長度。首塊玻璃前沿通過光電開關(guān)時起，編碼器從零計數(shù)，到進爐距離到位前，最后一塊玻璃后沿通過光電開關(guān)時結(jié)束，記錄編碼器脈沖數(shù)，乘系數(shù)（mm/脈沖），可得到玻璃總長。如同計算玻璃長度，爐內(nèi)所有距離在PLC中是以脈沖數(shù)為單位來計算。高速計數(shù)判斷進爐距離（脈沖數(shù)）到位后，通過中斷，控制改變變頻器運動方向和速度，玻璃反方向運動，高速計數(shù)變向作減計數(shù)。爐內(nèi)可設(shè)定的有效距離與玻璃總長之差，即玻璃的反向運動距離。當(dāng)計數(shù)器檢測到這一距離（脈沖數(shù)），產(chǎn)生中斷，再次改變變頻器運動方向和速度，玻璃重新改正方向運動，多次的翻來覆去形成玻璃在爐內(nèi)的多次反復(fù)擺動。為保持運動的平穩(wěn)和到位準(zhǔn)確，在正反向到位前的一段距離，有一段勻減速運動。當(dāng)加熱時間到達時，風(fēng)機高速運行，程序停止擺動控制，控制主傳動和風(fēng)柵傳動同步向風(fēng)柵段方向運動。在進入風(fēng)柵段同時，往復(fù)急冷步序開始計時，風(fēng)柵編碼器開始清零計數(shù)，玻璃在風(fēng)柵平臺上，以在加熱爐內(nèi)同樣的方式，反復(fù)擺動，急冷使玻璃迅速鋼化。當(dāng)急冷時間到，玻璃繼續(xù)擺動，風(fēng)機減半速。冷卻結(jié)束時間一到，關(guān)風(fēng)機，風(fēng)柵傳動和下片傳動同步向前運動，玻璃直至到光電開關(guān)處停止運動，完成一批玻璃鋼化。風(fēng)柵段見圖4：
圖4
系統(tǒng)需要有一個直觀方便靈活的人機界面進行人機對話。平鋼化工藝不算特別復(fù)雜，但仍需要有一個能清楚地表達主要工藝流程，玻璃的運動動態(tài)位置，方便靈活直觀地設(shè)置大量參數(shù)的畫面。各階段距離和時間，速度，以及不同的玻璃規(guī)格工藝指標(biāo)，要求能在不同情況下靈活設(shè)置和調(diào)整，數(shù)值是便于理解的常用物理單位，如速度米/秒，距離mm,時間s，風(fēng)壓KPa等。而PLC內(nèi)部運動控制的基礎(chǔ)是脈沖數(shù)，這需要人機界為我們建立溝通的橋梁。同時需要連續(xù)顯示大量溫度值和各段時間動態(tài)變化。36個溫度控制，即可集中給定，又能分別給定，還可單獨開停測試。各個傳動電機，除滿足自動控制要求外，在畫面里也均可手動開停試驗。為此我們選用10”彩色觸摸屏通過中央畫面，溫度畫面，控制畫面，設(shè)置畫面等來完成上述任務(wù)。通過PPI通訊方式，完成與PLC連接對話。 應(yīng)用中的監(jiān)視畫面見圖5：
五、系統(tǒng)評價及總結(jié)
自2006年5月份投入使用，至2005年9月，系統(tǒng)歷時長期連續(xù)不間斷的運轉(zhuǎn)，顯示了該裝置運行可靠，安全穩(wěn)定，功能強大，適應(yīng)性強，價格經(jīng)濟等優(yōu)點。項目調(diào)試完成后，盡管連續(xù)生產(chǎn)，至今為止，尚未提出過要進行任何維修和處理,說明質(zhì)量非常可靠。廠方認為，該項目首先為企業(yè)創(chuàng)建了巨大的效益。同時提高了本廠的自動化水平，集中控制，顯著提高操作水平和工藝水平。可靠性大大增加，系統(tǒng)安全穩(wěn)定。單耗大幅度降低，在同行創(chuàng)出高水平。
圖5：
六、應(yīng)用體會
通過這一項目全過程的設(shè)計、編程、調(diào)試及反復(fù)實踐，對S7-200 PLC應(yīng)用特點有了更為深刻的認識：
1．S7-200 PLC價格經(jīng)濟實用，體積輕巧，功能強大，擴展模塊齊全。特別是CPU22X XP CN系列出世，同等規(guī)模系統(tǒng)，性價比更高。因此更適合大量采用到較復(fù)雜的項目當(dāng)中。
2．通訊能力超強，形式簡單，并有多種擴展方式，自由口能力強，可與多家串口產(chǎn)品通訊組網(wǎng)，足以完成項目的特殊需要。本項目即一種具體應(yīng)用。
3．煙臺平鋼化控制系統(tǒng)的成功實現(xiàn)，為平鋼化控制實現(xiàn)低成本自動化，開辟了一條低投入，高效益、易普及的新路。
4．由于項目時間的限制，硬件和技術(shù)準(zhǔn)備的不足，本項目中原打算變頻器用USS通訊形式控制轉(zhuǎn)速的方式，未能實現(xiàn)，實在遺憾。唯有今后更加努力。
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