西门子模块6ES7307-1BA01-0AA0安装调试
本文介绍了PLC在纸浆模塑生产自动控制系统中的应用，重点叙述了成型机监控系统的硬件配置和功能设计。利用PID自整定功能实现真空泵恒负压控制。利用易控(INSPEC)实现成型机生产的在线监控，自动统计产量并生成报表。实践表明，该系统的成功解决了目前纸浆模塑生产中负压波动大、耗能大、废品率高的问题，提高了工作效率，节省了资源，降低了生产成本，具有很好推广价值。
关键词：纸浆模塑成型机；易控(INSPEC)；恒定负压；监控系统
◆引言
纸浆模塑工艺在我国*早应用于纸餐盒、纸托盘的生产，现已越来越广泛的应用于仪器仪表、家用电器等进出口产品的包装中。纸浆模塑制品是一种新型的环保包装材料，具有可重复回收利用、生产过程环保、生产成本低等诸多优点。纸浆模塑制品的生产以废纸或纸浆为原材料，经过调浆碎浆、成型、烘干、整型等工序，成为具有环保、防震、防水性能的优质包装产品。
为了能在低值的纸制制品生产中获取*大的效益，进一步降低生产成本，提高整个纸浆模塑生产线的生产管理水平和质量管理水平，通过对原有生产设备进行改造和效能优化，真正实现了全套生产线各个系统的集中自动控制。本文将针对生产线中重要的成型工序的控制进行重点叙述。
◆纸浆模塑成型机生产过程分析
成型工序由水环真空泵、真空泵供水泵、空气压缩机、空气干燥机、成型机等组成。成型机的作用是利用负压将配制好的纸浆吸附在纸浆模具上，经过压模、脱水处理，利用正压使产品从模具上脱落，然后进入下一工序。在生产过程中，成型机对负压稳定性要求较高，一般需要负压维持在-0.05MPa—-0.06MPa之间。负压越低，成型机的模具吸附的纸浆越少，造成产品的厚度过薄，废品率增加；负压越高，一方面容易造成模具堵塞，影响正常生产，另一方面使得产品的厚度过厚，浪费了纸浆和电能。由于成型机的数量已构成一定的规模，所以采用集中供应负压的方式。所需负压由两组真空泵组产生，一组真空泵组包括一台真空泵供水泵、一台水环式真空泵。原有的控制系统全部采用接触器、继电器等手工操作方式。两组真空泵组独立控制，工频运行，不仅控制方式缺乏灵活性，而且负压波动也比较大，废品率较高。每台成型机之间的生产相对独立，因生产品种的不同，需要设定不同的工艺参数，由人工记录生产量并进行统计。
为了保证负压供应的稳定，我们利用PLC和变频器对原有设备进行了改造，采用PLC的自整定PID功能，简单方便的实现了真空泵组的自动切换和自动变频控制。同时采用Modbus总线技术与上位机易控(INSPEC)组态软件通信，不仅实现了产品生产的网络化实时监控，而且能够自动进行产量统计、提供报表及打印功能。
◆成型机监控系统的设计
成型机监控系统主要包括上位机组态界面、通信协议、PLC控制系统三部分。系统结构图如图1所示。组态软件选用北京九思易自动化软件有限公司开发的易控（INSPEC）。易控(INSPEC)软件能够支持同时与不同的PLC设备的通信。
成型机监控系统组态设计及通信协议
利用易控(INSPEC)组态软件设计上位机的实时监控画面，如图2所示。通过动画模拟实时的生产状况，使系统便于观察和操作；配制好数据库后，系统会自动保存重要的生产数据、生成实时曲线、统计产量、打印报表；当生产过程出现异常时，会弹出报警画面，自动关闭系统并提示相关处理操作。
上位机与不同类型的PLC之间的通信采用不同的通信通道，本系统设置了1通道与台达PLC通信，2通道与艾默生PLC通信；同种类型的PLC之间采用寻址的方式来区分，8台成型机分别对应1~8的地址；总线选用Modbus RTU模式，PLC通信端口的设置要与上位机通信端口的设置保持一致。
﹡ 真空泵变频控制硬件设计
系统保留了原有的手动控制，方便在系统的测试、维修期间，或者在自动控制出现问题时，作为后备功能启用。真空泵组的手动控制和自动控制由手动/自动转换开关来选择。为了节省成本，在自动控制模式下，采用一台变频器控制两台电动机，变频器根据需要在两台电动机之间进行切换。由PLC控制电动机的启停操作。在负压罐的输出管道上，安装有负压传感器，用于获得实际的负压压力。将测得的负压压力与给定的目标值进行比较，通过PID计算得到变频器的输出频率。整套装置组成了一个完整的闭环控制系统，能够根据实际生产的需要，自动调节电动机的输出功率，从而达到稳定负压压力，节约能源和原材料的目的。
控制系统的硬件配置包括：台安N2系列220V/440V 22kw变频器1台、艾默生EC20系列可编程控制器（PLC）、艾默生EC20系列8AD模块、艾默生EC20系列4DA模块、负压传感器、以及空气开关、断路器、防雷器等系统保护性器件，还包括接触器、继电器若干，主要用于PLC的继电器输出及变频器在两台电动机之间的切换。系统的原理框图如图3所示：
负压传感器负责在生产过程中实时采集负压压力的信号，然后通过屏蔽双绞线将4~20mA电流信号送到PLC控制系统的8AD模块中，与PLC中设定的目标值进行比较，差值送入PID计算得到一个控制量，经4DA模块转换成0~10V的电压信号，通过改变变频器的输出频率来改变电动机的转速，实现负压压力的自动调节。
在自动模式下，通过变频器实现电动机的软启动，可以有效的减少启动电流对电动机的冲击，延长电动机的使用寿命。两台电动机将依据变频运行的时间（我们定为36小时），轮流作为变频运行的电动机。在电动机变频运行期间，如果变频时间达到规定的时间，为了不影响生产，电动机将继续变频运行，直到下一次启动时自动转换变频运行的电动机。考虑到水环式真空泵存在下限运行频率，把变频器的频率下限设为36Hz，频率上限设为50Hz。PLC首先启动变频运行的电动机，如果电动机连续运行在50Hz超过一段时间（我们定为3分钟），负压压力仍然达不到目标值，系统将自动工频启动另一台电动机，并延时一段时间以后再进行判断，避免了电动机频繁启停动作；如果变频频率低至36Hz后超过一段时间（我们定为1分钟），系统将会自动停止另一台电动机，防止外部干扰而让电动机产生误动作。电动机的运行频率可以将变频器的频率输出信号通过屏蔽双绞线送至PLC的8AD模块中。
﹡ 真空泵变频控制软件设计
本系统中设计的程序块主要分为以下几个部分：初始化配置，主要有PLC扩展模块8AD、4DA的初始化设置以及特性参数的设置，还有PID各个控制参数的设置；依据变频运行的时间，确定变频运行的电动机和工频运行的电动机；根据负压传感器的反馈信号与设定的目标值比较，进行PID运算，得到变频运行频率的控制量；运行频率判断，根据判断结果，来决定是否启停工频运行电动机及变频运行电动机的运行频率；电动机的运行信号、故障信号检测及过电流保护，变频器的故障信号及复位。艾默生EC20系列PLC编程软件自带PID指令向导，改变了以往PLC实现PID控制算法难度大的困境，能够非常方便快捷的生成PID配置程序和PID控制程序，减轻了编写程序的负担。下面对程序中几个比较重要的部分进行详细的叙述。
PID控制参数整定。变频控制系统选择了4DA模块的0~2000对应0~10V的模式，所以需要设定PID控制的输出上下限有效，并且设定输出下限值为0，输出上限值为2000，与4DA模块的输入数字量对应，消除了控制的盲区；采样时间要选择合适，采样时间过短PID指令无法执行，经过现场调试，我们选定的采样时间为100ms；为了使测量值变化平滑，将输入滤波常数定为10%；选择10%的微分增益，可以缓和输出值得剧烈变化；控制系统PID参数的整定根据负压压力的实时曲线来不断的调整，*终定出合适的值。
变频运行时间计算及切换。程序流程图及部分梯形图如图4所示。D500、D501、D502分别为停电保持的数据寄存器，D500存储变频运行转换时间为36小时，D501存储18kw真空泵组变频运行的时间，D502存储22kw真空泵组变频运行的时间。X2、X4分别为18kw真空泵组变频运行信号和22kw真空泵组变频运行信号。M30为自动控制模式。M205的常闭触点接18kw真空泵组变频启动信号，M206的常开触点接22kw真空泵组变频启动信号。程序运行的结果，将使M205产生一个以72小时为周期的时钟振荡信号，其中首个周期的前半周期为0，也即是首先选定18kw真空泵组的电动机变频运行。
运行频率计算。程序流程图及部分梯形图如图5所示。D22为PID计算得到的频率，D32为变频器设定的频率上限，D30为变频器设定的频率下限。T30和T31用的是接通延时计时指令，只有当频率到达设定的值，并持续设定的时间长度D401和D402，线圈M200、M201才会导通。线圈M200、M201、M202分别对应启动电动机、停止电动机、控制变频电动机的操作。
0 引言
对于在线过程分析系统，其可靠性、稳定性极为重要。基于PLC自动控制系统的稳定可靠，本文研究将PLC自动控制系统应用于质谱炉气分析系统，通过PLC及其上位机的自动和手动的控制，实现了自动采集样气、自动反吹再生、手动调试、时间参数修改、各加热元件及储气罐压力状态显示、本地状态指示灯显示、故障预警及上位机和PLC的信号连锁等功能，提高了质谱炉气分析系统控制的安全性和可靠性。本系统应用在莱钢4号转炉上，自2004年2月投入在线运行以来，一直保持良好的工作状态。
1 系统组成
1．1 硬件组成
质谱炉气分析系统由取样探头、初级过滤单元、反吹再生单元、样气处理单元、喷射泵、PLC自动控制单元以及飞行时间质谱仪组成。工作站(Control Station)即为PLC的上位机(HMI)，可显示质谱炉气分析系统的工作状态、控制整套系统的运行和显示样气成分的分析曲线，其系统组成见图1。
在PLC自动控制系统的控制下，冶炼或燃烧过程中的样气经喷射泵抽汲后，通过一个取样探头，经初级过滤单元过滤除去85％以上的粉尘，再经过样气处理单元的旋风除尘器和精过滤器进行除尘和除水获取干燥洁净的样气，通过引导管进入飞行时间质谱仪进行分析，得到的分析数据经网络实时传输给工作站进行显示并存储，以便指导现场工人的操作。同时，反吹再生单元在PLC自动控制系统的控制下，按照一定的时序对另一个取样探头进行反吹再生，当前一取样探头快结束取样时，经过既定的时间后，对切换至反吹再生完的探头进行取样，而前一取样探头亦进行反吹再生，如此反复切换两个取样探头，对样气进行连续不断地采集。此既定的时间可以通过PLC上位机的时间参数界面，按照不同的操作工艺在一定的时间范围内进行设定，从而使得两取样探头相互切换时所采集的样气趋于连续、一致且均匀。
1．2软件组成
根据系统的需要，采用西门子的S7-226型PIE自动控制系统。本机集成24输入／16输出共40个数字量I／O点；可连接7个扩展模块，*大扩展至248路数字量I／O点或35路模拟量I／O点；具有2个RS485通信／编程口，并具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力。本系统共有16个输入点和10个输出点，PLC采用PPI通信协议与工作站直接通信，选择S7-226型西门子PLC完全可以满足本系统的需要。
2系统功能实现
2．1 PLC自动控制单元
本系统按照转炉炼钢生产工艺，编制质谱炉气分析系统的自动取样和反吹再生时序，即熔炼过程的Starting时序和不熔炼过程的Waiting时序。将此时序按一定逻辑关系编写成PLC程序，通过上位机集成到PLC自动控制单元上，同时为10个电磁阀及各显示状态的节点分配地址，实现PLC自动控制单元对质谱炉气分析系统中10个电磁阀的自动／手动开关及各节点工作状态的显示。
2．2 PLC上位机(HMI)
PLC上位机为用户提供更加直观的工作状态显示和便捷的操作。通过PLC上位机登录本系统有两种方式：普通级和**。普通级针对用户，**针对专业技术人员。当系统处于正常工作状态时，按照PLC控制单元分配的地址，启动各节点的工作，通过上位机的用户界面可显示和控制PLC控制单元的运行。工业现场的开关信号使能并被PLC自动控制单元接收后，当上位机自动运行工作时，启动PLC内置的Starting时序，控制10个电磁阀的自动开关，从而控制自动采集样气、反吹再生以及启动质谱分析界面并实时记录分析数据。反之，工业现场的开关信号非使能时，系统启动PIE内置的Waiting时序，按照Waiting时序对系统的探头及管路进行反吹再生，以便在下一生产过程中使用。当通过**验证后，可进人手动调试界面，按下手动调试按钮，且PLC的转换开关转向调试挡，可手动控制各电磁阀的动作。在时间参数修改界面，可以修改两探头在相互切换时的交叉时间。
2．2．1 自动运行
启动工作站的质谱炉气分析软件，通过登录界面，进入功能选择界面。点击功能选择界面内的“自动运行”按钮，进入自动运行界面，如图2所示。图2显示的是系统应用于转炉冶炼的情况，为转炉正在熔炼状态。当系统自动运行时，一路采集转炉炉气，并将其送人质谱仪进行分析，另一路反吹再生，即内外反吹探头和管路，等待切换采集样气。图中，处于工作状态即有气流的管路实时直观地用绿色且较粗的气路来标明。加热元件的红色指示灯表示该加热元件处于不加热状态，正常加热状态时指示灯呈绿色。加热是通断式的，由温度传感器控制，加热时间可由温度传感器上的电位器来调节，防止样气中水蒸气冷凝。储气罐内的氮气压力正常与否，同样可由界面上的压力指示灯来判断，压力大于0.4MPa时指示灯呈绿色，视为反吹压力正常。
2．2．2 手动调试
输入**别的用户名和密码，通过验证后，选择功能选择界面下的“手动调试”按钮，进人手动调试界面，其结构与自动运行界面相似，仅多了10个电磁阀对应的手动按钮，用来手动控制10个电磁阀的开／关。
手动调试界面专为专业技术人员设计。由于手动调试的信号在PLC的上位机和PLC主机之间是连锁的，仅在PLC主机的转换开关扳向调试挡，且PLC上位机的手动调试开时，才可通过PLC手动开关箱上倒扳开关来手动控制(硬件控制)10个电磁阀的开／关，亦可通过上位机的手动调试界面上的10个电磁阀对应的10个按钮来进行手动控制(软件控制)，从而对系统的电磁阀、继电器、气路和接头处的气密性进行检查，为此保证系统的安全性。而且，如果系统有一气路出现故障，即可手动控制另一气路进行样气采集并分析，同时排除此气路的故障。待故障排除后，可手动控制反吹电磁阀的开／关来对此气路取样探头及气路进行反吹再生，保证在气路出现故障时不影响样气的采集和分析。
2．2．3 时间参数修改
2．2本地状态显示
PLC自动控制单元内的指示灯以及上位机人机界面内不同颜色的变换指示，显示系统当前工作状态，可为生产和维护人员提供状态信息，方便及时地判断故障所在。
3 系统性能测试
系统自2004年2月在莱钢4转炉生产现场运行至今，工作状态一直良好，并且能指导现场工人的操作，在避免出现氧枪漏水爆炸事故和减少补吹次数方面取得了初步成效。经现场测试，其样气预处理装置的响应时间为13s，飞行时间质谱仪的份析时间仅为0.1s,可见非常适合流程的转合短流程的转炉练钢工艺使用。经720h稳定性测试，本系统在PLC自动控制系统下，没有发生任何故障。