煙草制絲電氣控制系統(tǒng)模擬平臺的構(gòu)建與應(yīng)用

張兆豐

（貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司畢節(jié)卷煙廠，貴州畢節(jié) 551700）

0.引言

隨著我國科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，以PLC（可編程邏輯控制器）為代表的工控技術(shù)在實際應(yīng)用過程中取得了良好效果，進一步推動了工業(yè)生產(chǎn)自動化的發(fā)展。制絲車間作為煙草工業(yè)企業(yè)重要的組成部分，隨著電氣技術(shù)的發(fā)展，其在線制品的生產(chǎn)模式已經(jīng)基本實現(xiàn)了自動化。隨著電氣故障的發(fā)生，容易造成流水線整體停線或工藝參數(shù)超出控制范圍，會對煙草制絲線在線制品質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。在電氣故障排查和維修上往往要耗費大量時間，對生產(chǎn)效率及工序銜接造成很大影響。

1.煙草制絲設(shè)備常見的電氣故障及處理分析

煙草制絲主要加工設(shè)備按結(jié)構(gòu)和功能不同，分為切片機、切絲機、滾筒類設(shè)備（烘絲機、加香機、加料機）等；輔助設(shè)備按功能不同，主要包括對在線制品的溫度、水分、流量等進行監(jiān)測和控制，相應(yīng)設(shè)備一般為紅外或鉑電阻測溫儀、水分儀、流量計、電子皮帶秤等。

制絲車間生產(chǎn)過程中，常見的電氣故障如觀察到紅外測溫儀顯示的溫度與在線制品溫度參數(shù)誤差較大，可以視為單一功能電氣設(shè)備故障，常用的處理方案一般是檢查紅外測溫儀探頭安裝位置是否偏移、探頭表面是否臟污、傳輸線路是否完好、溫度變送器供電是否正常，并對相應(yīng)檢查診斷結(jié)果進行處理。如果葉片加料機出現(xiàn)故障，就可能需要從系統(tǒng)性的角度去分析和判斷故障發(fā)生的原因。要檢查判斷是加料機滾筒運轉(zhuǎn)還是滾筒內(nèi)在線制品的溫度、水分控制異常，或是加料系統(tǒng)出現(xiàn)故障。如果是機械運動部分不能正常啟動或是轉(zhuǎn)速異常，則要檢查設(shè)備網(wǎng)絡(luò)控制信號或操作信號是否正常、檢查內(nèi)容包括信號啟動按鈕、停止按鈕和隔離開關(guān)及對應(yīng)的輸入和輸出模塊能否正常判斷信號、饋電器以及變頻器是否有報警信息，如檢查后都沒問題則要檢查整個電路中線路是否完好等。如果是加料系統(tǒng)出現(xiàn)故障，比如加料罐料液溫度不能正常升溫，要一步步判斷設(shè)備中的各個部分，設(shè)備能否完成正常的蒸汽供給，如果供給不正常，則應(yīng)手動啟閉啟動電磁閥看是否正常，如果供給正常，則可以判定故障原因為蒸汽疏水閥堵塞，還應(yīng)檢查溫度傳感器及溫度模擬量輸入模塊等，排查過程比較復(fù)雜，需要具體問題具體分析，找出能夠引發(fā)調(diào)控失靈的關(guān)鍵點[1]。

2.煙草制絲電氣控制系統(tǒng)模擬平臺構(gòu)建思路

制絲車間電氣設(shè)備控制系統(tǒng)目前采用的技術(shù)是依托PLC 控制，每一個工段的控制模式及操作模式較為一致，設(shè)計一個功能類似的電氣控制系統(tǒng)，利用車間升級改造過程中空余出來的電控箱、離線PLC 成套設(shè)備、部分備品備件，構(gòu)建起一個獨立的電氣控制模擬平臺，使電氣維修人員能夠在平臺上進行獨立的操作，掌握電氣控制程序設(shè)計、常用電氣設(shè)備控制及驅(qū)動、各種自帶電控系統(tǒng)的獨立設(shè)備（如水分儀、變頻器）與PLC 連接的現(xiàn)場總線技術(shù)，培養(yǎng)和提升制絲車間電氣維修人員的維修水平，利于提高維修效率和生產(chǎn)效率。

3.煙草制絲電氣控制系統(tǒng)模擬平臺設(shè)計

3.1 軟件系統(tǒng)及其硬件支撐

配置一臺聯(lián)想THINK PAD 筆記本電腦，安裝SIMATIC ManagerS7 軟件及Intouch Application Manager 軟件，既作為編寫和調(diào)試西門子S7-400/400 系列PLC 程序的編程器，同時也對PLC 編程對象進行圖形編輯及實現(xiàn)組態(tài)監(jiān)控操作。

3.2 硬件設(shè)備控制系統(tǒng)組成及布置

電氣控制系統(tǒng)模擬平臺設(shè)備控制系統(tǒng)硬件設(shè)備主要安裝在電控箱內(nèi)，包含有斷路器（總空開）、開關(guān)電源、西門子S7-400 PLC 系統(tǒng)、ET200S 子站系統(tǒng)、I/O 模塊、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)部件、變頻器和獨立單機控制系統(tǒng)；隔離開關(guān)、按鈕及狀態(tài)指示燈安裝在電控箱面板上；其他用于模擬控制信號發(fā)生的測控元器件如光電開關(guān)、接近開關(guān)、溫度變送器、壓力變送器、電磁閥、角執(zhí)行器和電機等的接線則作為外部接線經(jīng)過電控箱內(nèi)的端子與測控系統(tǒng)相連接。

3.3 電氣控制系統(tǒng)模擬平臺中的主要控制設(shè)備的組成

（1）西門子S7-400 PLC 主站系統(tǒng)的組成。S7-400 主機架上模板從左到右按照以下順序排列：電源模板、CPU 模板、Ethernet 通訊模板、Profinet-DP 網(wǎng)通信模板、I/O接口模塊(開關(guān)量輸入模板DI、開關(guān)量輸出模板DO、模擬量輸入模板AI、模擬量輸出模板AO)。（2）ET200S 分布式I/O 子站系統(tǒng)的組成。ET200S 分布式I/O 從左到右按照以下順序排列：網(wǎng)絡(luò)耦合器模板、I/O 電源模板、I/O接口模塊(同主站)、電機啟動器電源模板、饋電器（電機啟動器）。（3）現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)部件。本電氣控制模擬平臺使用的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)包含Ethernet 網(wǎng)絡(luò)、TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)和Profinet-DP 通信網(wǎng)絡(luò)。（4）變頻器。本電氣控制模擬平臺選用一臺丹弗斯FC300 系列的變頻器，其自帶控制系統(tǒng)，可以通過PLC 程序進行控制，也可進行本機手動控制。

3.4 電氣控制系統(tǒng)模擬平臺中的主要控制設(shè)備的功能

（1）西門子S7-400 PLC 系統(tǒng)的功能。PLC 是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的新型工業(yè)控制裝置，用于自動化控制的數(shù)字邏輯控制器，可以將控制指令隨時加載存儲器內(nèi)存儲與運行。PLC 由電源組件、中央處理器CPU，指令及數(shù)據(jù)存儲器、輸入輸出單元、數(shù)字模擬等模塊化單元組合而成,可接收（輸入）及發(fā)送（輸出）多種類型的電氣或電子信號，并使用他們來控制或監(jiān)督幾乎所有種類的機械與電氣系統(tǒng)，最終取代使用硬件（繼電器）來執(zhí)行邏輯、記時、計數(shù)等順序控制功能的方式，從而建立柔性的遠程控制系統(tǒng)。（2）ET200S 分布式I/O 子站系統(tǒng)的功能。ET200S 子站系統(tǒng)是接到PROFINET 現(xiàn)場總線上的一個從站，相當(dāng)于PLC 主模塊的擴展，也稱為遠程I/O 模塊?？捎袛?shù)字量、模擬量輸入輸出模塊、智能模塊、負載饋電器等。一般機柜間是放在裝置現(xiàn)場的。但有些控制信號，比如急停、旁路等控制信號在控制室實現(xiàn)，所以需要采用遠程I/O 模塊，把這些信號送到機柜間內(nèi)控制系統(tǒng)。本電氣控制模擬平臺將S7-400 PLC 主站與ET200S 分布式I/O 子站布置在同一個電控箱中，是為了讓電氣維修人員在做現(xiàn)場總線模擬實驗時，能夠順利地建立起二者的鏈接，幫助電氣維修人員加強對現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)建立的掌握。（3）現(xiàn)場總線?，F(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，將分散的有通信能力的測量控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，連接成能相互溝通信息，共同完成自控任務(wù)的控制網(wǎng)絡(luò)。PLC 自帶的通訊口和擴展通信板、通訊單元所提供的通訊口功能是一致的，是對CPU 通訊功能的擴展。很多時候，CPU 需要跟不止一個終端設(shè)備通訊：與HMI 上位計算機通訊，上位機系統(tǒng)需要跟現(xiàn)場的PLC 交換數(shù)據(jù)；人機界面（操作者接口），需要完成用戶與PLC 之間的交互，顯示工藝流程中的各種數(shù)據(jù)并生成各類圖表，將操作人員命令寫入PLC 內(nèi)存，也需要占用通信端口；與編程人員的編程設(shè)備通訊（編程器等），在線完成軟件編輯，查看PLC 運行狀態(tài)。（4）變頻器的功能。變頻器能夠根據(jù)電機在運行過程中的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載時停機報警保護等。

4.應(yīng)用效果

該煙草制絲電氣控制系統(tǒng)模擬平臺在構(gòu)建完畢后，投入到了使用中，給電氣維修人員提供了在離線狀態(tài)下進行程序設(shè)計、運行、調(diào)試的平臺，對制絲生產(chǎn)線在線運行電控系統(tǒng)的理解和應(yīng)用有了更深刻的認識和更好的掌握。同時，對于電氣控制系統(tǒng)中軟、硬件電氣故障的判斷能力也得到提高。

5.結(jié)語

通過搭建電氣控制系統(tǒng)模擬平臺，構(gòu)建相應(yīng)的軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)，使得電氣維修人員通過該平臺的應(yīng)用，提升其對制絲車間電氣系統(tǒng)的掌握程度，促進電氣維修人員對軟、硬件故障的綜合判斷能力，進而提升故障檢修的效率，推動各個環(huán)節(jié)能夠順利進行。