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基于S7-300PLC的纸张质量控制系统

1引言

　　目前，国内大型的造纸厂对纸张定量水分的控制系统的策略是进口关键单元，如定量水分传感器和变送器、扫描架、控制器、关键的机械部件等，控制部分用国内的技术及装置，组成完整的品控生产线，即满足了控制要求，而且节省了半数的投资。在本项目控制系统中，选用工控计算机作为操作站和工程师站，选用西门子s7-300plc作为主站和从站，网络通讯采用以太网和profibus现场总线。控制策略采用智能预测控制。

2系统组成

　　扫描架带动定量和水分变送器在线检测，检测信号在计算机内通过数字滤波计算出定量水分的平均值，用定量阀控制纸张的绝干定量，用烘缸蒸汽压力给定值控制纸业水分，此过程是通过目标值和反馈控制系统来实现的。系统主要组成部分如图1所示。

　　2.1 扫描架部分

　　扫描架选用impact公司的b/m传感器变送器及相应的o形扫描架系统扫描架和定量水分信号通过tcp/ip协议和os站交换数据。impact公司的扫描架系统可以方便的对定量水分控制进行扩充，如检测和控制纸张的厚度、灰分、白度、平滑度、横向分布等。此控制系统引进传感器型号如下：o型扫描架1880mm（1880mm advantage plus o-frame scanner）；单边扫描架1880mm（1880mm single sided frame）；定量传感器－钷147（basic weight sensor-pm147）；水分传感器-钨136（basic moisture sensor-w136）；轻触式厚度传感器（light touch air-bearing caliper senor）。

　　2.2 fcs（现场控制站）功能设计

　　（1） 与变送器、执行器一起构成具有自动调节能力的控制站。

　　（2）对现场送来的信号进行处理转换，变成计算机能处理的信号。

　　（3） 把输出信号转化成现场执行器的控制信号。

　　（4）具有相应的扩展输入/输出（i/o）模块，可完成输入/输出处理。

　　（5） 具有与监控操作站（os/oe）进行数据通讯的接口。

　　（6）具备一个主控制板，能执行设定好的控制算法。

　　（7）通过profibus-dp现场总线实现与从站和os进行数据通信。考虑到系统性能和性价比，可编程控制器采用西门子s7-300plc。其特点是：模块化、易于扩展、通信稳定、运行可靠。s7具有开放性的网络结构适应于bbbbbbs nt/2000和bbbbbbs xp标准操作系统支持dde/opc，可通过以太网与企业上位信息管理系统连为一体。通过profibus-dp现场总线实现i/o与控制器功能处理分散，可进行远程扩展，进一步提高了系统的可靠性和可操作性。可以通过计算机或触摸屏设定各个控制及连锁逻辑控制回路的控制周期及扫描周期。plc与os站的通讯接口模块采用cp340。

工控机和PLC在低压铸造中的应用

　　（2）冷却控制：工控机和由其控制的冷却控制i/o模板控制了12个（5路风冷、7路风冷+水冷）冷却通道，可任意选择若干个通道工作。对每路冷却通道均提供了“on”、“off”、“auto”三种工作方式和按时间控制、按温度控制两种控制模式。人机界面有冷却画面，可任意开关调整电磁阀的通断。

　　2.3硬件配置

　　低压控制系统配置如下：

　　（1）panel870面板式工控机：piii700以上cpu、40g硬盘、128m内存、12〞液晶显示屏、触摸键盘、带软驱和dvd光驱、usb接口和rj45接口；

　　（2）板卡：813b a/d板一套、1751di/o板一套、7216继电器板一套（包括odc5或idc5b固态继电器）、785继电器板一套；

　　（3） s7-300系列plc：cpu模块：cpu314一套，flash eprom内存卡（64k）一个，ps307电源5a一个，sm321输入模块（32点 24v dc）3套，sm322输出模块（16点 24vdc）4套，40针端子3个，20针端子4个，480mm导轨1个。

3 项目评价

　　（1）控制系统实现对机器运行、液压机械动作、铸造工艺过程、保温炉加热、铸型冷却过程中包括压力、温度、时间、位置在内的工艺参数进行有效控制。系统具有数据保存功能，能够存取、调整和管理铸造参数。

　　（2）控制精度高，充型、保压阶段压力偏差值≤3mbar，升液阶段压力偏差值≤5mbar，升压阶段压力偏差值≤10mbar。

　　（3）具有压力自动补偿能力，保温炉内的压力可以根据设定的曲线**、重复再现，而不受保温炉泄漏、供气管路气压波动和金属液位变动的影响（保温炉严重泄漏除外）。

　　（4）可根据工艺需要自由设定多达八段的升压曲线和一段保压曲线。对于炉膛容积≤800l的炉型，大升压速度可达100mbar/s。

　　（5）具有友好的人机界面，可以方便的输入各类工艺参数。

　　（6）具有数据保存及调用功能。每个轮型的铸造工艺参数可以输入并确认后自动保存，以后可以直接从系统中调用。

　　（7）低压铸造控制系统具有故障自检功能，维修方便。

4结束语

　　我国工业控制自动化技术飞速发展，特别是工控机和plc的应用更为成熟，经过近三年的努力，我们成功把工控机和plc同时应用在轮毂低压铸造机中

　　铸造是人类掌握早的一种金属热加工成形工艺，已有约6000年的历史，是现代机械制造工业的基础工艺。铸造过程是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件（零件或毛坯）的工艺过程。铸造生产的毛坯成本低廉，对于形状复杂、特别是具有复杂内腔的零件，更能显示出它的经济性；同时它的适应性较广，且具有较好的综合机械性能。

　　低压铸造是使液体金属在压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法。由于所用的压力较低，所以叫做低压铸造。其工艺过程是：在密封的坩埚（或电炉）中，通入干燥的压缩空气，金属液在气体压力的作用下，沿升液管上升，通过浇口平稳地进入型腔（金属型），并保持坩埚（或电炉）内液面上的气体压力，经过一段时间的保压，直到铸件完全凝固为止。然后解除液面上的气体压力，使升液管中未凝固的金属液流坩埚（电炉），再由气缸开型并推出铸件。低压铸造独特的优点表现在以下几个方面：液体金属充型比较平稳；铸件成形性好，有利于形成轮廓清晰、表面光洁的铸件，对于大型薄壁铸件的成形更为有利；铸件组织致密，机械性能高。低压铸造是一种低压强与低速度的充型铸造方法，利用压缩空气作为充型动力，液体金属充型要求平稳；保压性好，铸件成形性好，轮廓清晰、铸件表面光洁；要求模具冷却性好，铸件组织致密，机械性能高。

2 低压铸造自动化系统

　　2.1系统结构

　　工控机和plc在低压铸造中的系统构成为了满足低压铸造的要求，把工控机和plc组成一个有机系统，如图1所示。本系统采用分级控制方式。由工控机完成液面压力控制和铸型温度（冷却）控压铸造的要求。

　　2.2 系统原理低压铸造机压力/温度控制系统的计算机控制系统原理如图2所示。

　　（1）压力控制：低压铸造机压力控制系统的气动原理如图3所示，工控机和由其控制的液面压力i/o模板对数字组合阀岛进行控制，实现了低压铸造压力控制。工控机系统采用灵敏的压力传感器和软件式pid控制器，在计算机屏幕上同时显示铸造过程的设定压力曲线和实际控制压力曲线，并进行叠加比较。在计算机屏幕上以四种颜色显示四个测温点的实时温度曲线。另外用图形来指示保温炉内铝液液面情况，以提醒操作人员注意：当炉内金属液少于低限时，系统自动停止加压。

　　y1～y9：调节阀（常闭）；

　　y11：进气主阀（常闭）；

　　y13：炉子慢泄压（常开）；

　　y14：炉子全部泄压（常开）；

　　yk1：压力开关，监测“0”mbar时的炉内压力。出厂时调节为约50mbar；

　　yk2：压力开关，监测大炉内压力，出厂时调节为约950mbar；

　　b1：压力传感器，0～1600mbar，4～20ma。检测炉膛压力；

　　b2：压力传感器，0～7000mbar，4～20ma。检测进气管气源压力