西门子PLC模块6ES7515-2AM02-0AB0型号规格

玻璃钢化系统工艺
        玻璃钢化工艺一般采用优质玻璃为原料，以钢化炉为主要生产设备。整个生产线的长度20-30米不等，依次分布为放片台、加热段、风栅冷却段、取片台，各工段均有不同材质的辊子运送玻璃。辅助设备有鼓风机、风道、控制柜等。其生产过程分成上片、自动往复加热、往复急冷、往复吹风、取片五个工艺阶段。
        开车前逐步使加热段呈矩阵分布的上下电炉升温至650℃，做好钢化准备。玻璃进入加热炉后，由陶瓷辊道支撑，在连续正、反向转换转动的陶瓷辊道带动下，往复运动，完成均匀加热。玻璃上表面吸收热量主要依靠顶部电热丝的热辐射、玻璃往复运动时造成的气体对流和自然对流传热。此时热辐射是为首要的加热形式；玻璃中部温度的升高是靠玻璃表面向内的热传导以及吸收辐射热得以实现的；玻璃下表面除了下部辐射板热辐射、玻璃往复运动造成的气体对流和自然对流加热外，玻璃下表面与处于高温状态的陶瓷辊道直接接触，陶瓷辊道以热传导方式直接对玻璃下表面传递热量。运动中的陶瓷辊道不断接受来自下部辐射板辐射热以及下部空间的对流传热。由于热传导的作用，在相同温度条件下，下表面的升温速率大于上表面的升温速率，这在玻璃进炉初期非常明显。加热后期，启动冷却风机高速运行。加热完毕，打开后炉门，加热主传动和风栅主传动按出炉速度同步高速出炉，炽热的玻璃快速进入风栅急冷钢化。急冷之后，风机低速运行至冷却结束，然后减速停机，风栅转动和取片转动按取片速度同步出栅到达取片台。系统同时具有多种报警。紧急停车时有安全位置，运行时有安全连锁。
       玻璃强制快速冷却，是形成玻璃终均匀应力的关键。玻璃板被绕有仿纶绳的辊道支撑，往复运动，实现玻璃均匀、快速冷却。冷却风的总风压以及上下冷却速率的平衡，上下风栅气流压力的平衡也直接影响钢化玻璃的平整度。

钢化炉气控制系统

                                                                          图2 钢化对流炉控制系统结构总图
        钢化炉控制系统由上位机和下位机组成，上位机为西门子WINCC+MP 270控制系统，下位机除PLC的CPU机架外，还有一个扩展机架，用于控制大量的SSR模块。另外，通过Profibus总线扩展了三个ET200M远程I/O站和四套风机变频系统。
        PLC是刚化炉控制系统的核心，基于系统要实现的功能以及适用性、安全性、可靠性，选用了西门子S7-300 PLC作为主控制，SIEMENS S7-300是模块化中小型PLC系统，各种功能模块可以满足和适应自动控制功能，简单、实用、模块化和分散式结构使其应用十分灵活，当控制任务增加时，可自由扩展。高电磁兼容性和抗振动、抗冲击性使其具有很高工业环境适应性。易于实现分布式控制、易于操作等特点使S7-300成为玻璃钢化炉系统的控制器。温度控制有大量的DI/DO模块，由于变频器使用电压信号进行调速控制，所以选用了AI/AO模块。S7-300的AI模块可以改变硬件设备的测温范围，稳定性好、测量精度较高。人机界面选择例了西门子的人机界面MP 270，可靠性极高，组网方便。
        整个控制系统由控制柜和人机界面操作箱组成。操作箱装有人机界面、旋纽开关、信号灯及蜂鸣器等，通过DP通讯电缆与PLC相联。空气开关柜装有钢化设备总电源开关。PLC控制柜装有PLC、扩展模块、小型断路器、开关电源模块、继电器等，是整个系统的控制中枢。传动控制柜装有AOP面板、温度表、电压表、控制开关、信号灯等，风机柜内安装小型断路器、接触器、热继电器、开关电源、变压器、电磁阀电源及变频器。加热控制柜装有大型断路器开关，大量SSR模块，快速熔断器，异性铝材散热器，散热风扇等。
        谈及为何选择西门子的PLC+MP的控制系统，兰迪公司设计中心电气部江部长说道：“玻璃钢化机组控制系统结构复杂、逻辑繁琐、数据采集量大、控制站多，对可靠性要求较高。既要实现对各传动站的高精度速度控制，又要完成对现场光电开关、按钮等各种数字量、开关量检测以及升降动作的**控制。采用SIEMENS SIMATIC S7-300可编程序控制器实现了系统全过程自动控制。系统性能优良、操作方便可靠，确保满足工艺要求的同时又充分考虑人为干涉自动控制能力，将故障对系统的影响降到低。”

突破传统的技术优势
        1、控制系统稳定可靠
        兰迪玻璃钢化炉机组的主控制系统为西门子S7-300　PLC，人机界面为西门子MP　270；操作界面功能强大、简单友好，使设备稳定、可靠，操作方便、易控。西门子MP 270操作终端性能优良、工作稳定，更适于工业现场。其友好的人机接口、丰富的操作画面，使操作者更容易掌握，系统存储多条温度曲线和频率曲线，并具有参数在线修改功能，适合不同品种、不同厚度的玻璃工艺。
        炉温控制采用西门子专用温度模块，内设专用的优化算法和专家PID参数库，具有PID参数自整定功能，并可实现模糊控制，温度超调得到有效抑制，控温精度更高；可以根据不同品种的玻璃钢化工艺定制加热曲线，加热更合理。

                                                                              图3 钢化对流炉系统控制柜
        2、变频控制技术和生产记录功能
        循环风机采用变频控制技术，采用西门子专用模拟量控制模块，在玻璃进炉时，首先设定较低的炉温和风机转速使玻璃进行预热，待玻璃温度提高后快速加热，使炸炉的倾向得到有效遏制，玻璃加热质量得以提高，平整度好、光学性能优良，玻璃成品率也得到提高。
        由于钢化炉生产线比较长，控制系统可以实现双侧操作，操作界面人性友好，具备生产配方和生产工艺参数的记录和存储功能，操作人员生产不同工艺的产品时，一键操作就可以调用不同的生产工艺参数，方便、快捷、高效，并能够记录生产过程，查找生产时间、温度、风压，追溯生产状况。
3、加热系统科学**
        由于对流炉的传热方式与传统钢化炉截然不同，兰迪加热元件采用高性能Cr20Ni80材料使传热条件得到了根本改善，传热效率更高、使用寿命更长，检修也十分方便。此外，高温循环风机也采用高温耐热钢Cr25Ni20，抗高温蠕变能力大大增强，确保了对流炉的传热效果。**的设计理念，使导流装置的压力损失小，压力分布更均匀，大限度地发挥风机的效能，独特的热风循环系统使加热玻璃前后的气流各行其道，传热效果更好，炉温均匀性大大提到，寿命大幅延长。
        每个加热区均装有热电偶，温度单独测量，加热器独立控制。炉温控制十分方便，定制加热曲线更容易，炉温均匀性大大提高；在炉子的横断面可分多个区控制，实现边部温度补偿。采用双对流模式，炉子上、下部都装有高温风机，可**控制陶瓷辊道温度，使上部和下部的加热更均匀，真正实现上下同步加热。
4、冷却系统技术独特
　　计算机吹风模拟和辅助优化设计在风栅设计方面的应用，大限度的减少了钢化过程中风斑的产生，使钢化玻璃外观质量达到世界水平。
5、总线技术与远程诊断系统
        钢化炉系统引进现场总线对炉温和变频器进行控制，可实现炉温和风机的远程控制，减少了布线时间和费用。借助于西门子TS通讯模块，利用现有的网络系统可以实现远程故障诊断功能，远距离对设备进行诊断处理，将用户停机时间减为少；借助远程视频监控功能，可以通过清晰、直观的视频界面对用户现场操作实时监控、指导。

系统成果
        在西门子PLC+MP主控系统的保驾护航下，兰迪钢化对流炉系统以优异的产品品质和高可靠的控制系统得到了业内的广泛认可，不仅成为的品牌，而且占据了全球高端产品市场的四分之一以上。2010年初，集成了西门子控制系统的兰迪组合式强制对流炉在连续运行三个月以后，得到SCHOTT（苏州）有限公司的高度评价。此外，早在2004年10月，兰迪就成为国内闯入美国市场的自主知识产权钢化炉制造商，迄今为止，兰迪已经有累积二十多套钢化设备在美国玻璃企业稳定运行。
        由于中国玻璃设备生产企业起步较晚，中国制造的大型设备在欧美市场的接受度普遍较低，像钢化对流炉这样的高技术设备要进入欧美市场就更加困难。兰迪凭借对技术、质量、产品品质的不断追求，设备可靠性的不断提升，在玻璃钢化设备竞争中保持优势，赢得了信义、南玻、台玻等系列大型玻璃企业的青睐，确保了国内、国际的行业地位，成为国内钢化技术创新的引领者。
        北京海洋顺达玻璃有限公司的尤总谈到：“引进集成全套西门子控制设备的兰迪钢化炉机组后，系统可以存储不同的工艺参数，大大节省了工艺转换时间，加工的钢化玻璃平整度好、波纹小于0.06mm基本接近于原片，生产效率、产品质量得到显著的提高，并实现了长期不间断的无故障运转。”随着兰迪钢化炉成功占领国内外市场，西门子控制产品也以其质量可靠、运行稳定，进一步加强了兰迪机器有限公司的竞争优势，得到国内外广大客户的。

                                                                                        图5 工艺流程图

展望未来
        洛阳兰迪玻璃钢化炉机组无论是不同工艺参数的存储与调用，还是设备远程维护和监控都达到业内水平，实现了玻璃加工行业自动化技术的飞跃，所有这些功能的实现都是基于西门子控制系统与现场总线技术的应用。兰迪的赵总认为：兰迪机器与西门子的合作能够达10年之久，是因为西门子产品较高的性价比、稳定性和兼容性与兰迪的追求是一致的，兰迪与西门子是相辅相成的。
        目前国内玻璃加工机械行业的技术水平已经达到或接近国际**水平，但在设备性能的稳定性与安全性方面与国外**水平还有一定的差距。设备的稳定性主要体现在控制系统方面，控制系统是整个设备稳定工作的核心。而应急保护功能则是目前控制系统设计需要重视的一个方面。未来新产品的开发，除了选用高可靠性的PLC、HMI、元器件来提高系统的稳定性之外，还应在安全保护方面进一步提高系统的可靠性与安全性。
        面对玻璃机械行业日趋激烈的竞争，兰迪不但加速开发新产品、提高产品的技术含量和附加值，还进一步优化了生产作业环节、提高了工作效率、降低了运营成本，随着洛龙科技园兰迪机器新生产基地的投入使用，**的生产智能信息管理系统也被引入新厂区，使得各操作工位可以通过显示终端看到零件图、组装图、技术要求和生产调度安排等信息，不仅实现了无纸化信息传递，而且确保了所有图纸、信息与设计、生产安排同步，不但可以提高信息传递的效率和准确性，还使得日常的生产组织和质量控制更加便利高效。

一、前言

目前国内耐火材料生产厂家在配料过程中，大多使用称重仪表配上PLC可编程控制器的形式来实现自动称重和控制功能。称重仪表和PLC控制系统之间需要传输大量的实时数据和控制联锁，通讯和控制回路接线较复杂，称重配料的控制信号易产生滞后，称重配料系统维护量较大。

上位机生产管理系统通常采用VB或VC等语言编程开发，编程较复杂。生产厂家对配料工艺和需求的改变，也增加了系统开发和维护成本。

二、耐火材料称重配料控制系统的要求

某国外公司在中国建立耐火材料工厂，该工厂所生产的耐火材料产品主要用于外销，部分产品供国内使用。该耐火材料配料系统分不定型耐火材料及CCN耐火材料两大类。不定型耐火材料分为酸中性耐火材料和碱性耐火材料，CCN耐火材料分为AG和ZG两种。

不定型耐火材料广泛应用于冶炼高炉等，其中酸中性耐火材料有约35种原料按照不同重量配比组成。碱性耐火材料有约14种原料按照不同重量配比组成。不定型配料系统结构如图1：

图1 不定型配料系统结构

CCN耐火材料主要用于生产连铸三大件，其中AG由约22种原料按照不同重量配比组成。ZG由约10种原料按照不同重量配比组成。CCN配料系统结构如图2：

图2 CCN配料系统结构

用户配方数量相对所配物料种类更多，达到数百种。同时生产工艺中的质量控制环节对耐火配料系统内部有严格的检测程序，一但某种物料的重量值超过了配料合格允许的百分比，则启动容错程序对其进行补料。如补料也无法达到要求，则一批物料将全部自动进入废品仓，导致原料的损失。因此用户对系统的稳定性及可靠性提出了较高的要求。

由于涉及到耐火材料配方的保密，用户对生产工艺环节中配方的高度保密性提出了极为严格的要求。在前期技术交流时用户特别强调避免通过物料的种类、称重仪表的重量数据、配比等侧面了解配方的组成。

一些进口原料价值较高，例如100Kg的CCN原料制成的成品价格可达数万元人民币。为提高生产效率，降低生产成本，要求称重控制系统要有较高的精度。

三、SIWAREX FTA称重配料控制系统

西门子的PLC在国内用户众多，其运行的可靠性和稳定性也受到用户的一致认可。考虑到称重配料高精度和控制系统可靠性以及耐火材料配方的保密性等要求，我们在称重配料系统中选用了西门子公司的PLC控制器和SIWAREX FTA称重模块。

1. SIWAREX FTA称重扩展模块

SIWAREX FTA称重模块作为西门子S7 PLC中高精度称重功能的扩展模块，可以直接集成在西门子S7-300PLC系统中，与PLC统一硬件和通信方式，称重精度高达0.05％，分度值达3×6000d。更换FTA称重模块时，料斗秤无需重新标定。具有**快速的加料/下料控制数字量输出(反应时间<1ms)，可应用于大多数高精度称重控制应用。如图3：

图3 SIWAREX FTA多秤集成硬件图

2. 称重配料系统的配置

整个生产工艺共分为4套相对独立的称重配料系统，介绍酸中性称量系统，该系统共有40个称重料仓，使用7个SIWAREX FTA称重模块集成到一台S7-315-2DP CPU上，通过Profibus DP总线连接到上位机系统内。

现场每个称重料仓由三只称重传感器支承，称重传感器信号通过现场接线盒连接到FTA模块上。上位机系统通过以太网将配方下载到称重模块内，称重模块按照配方的预设值控制每个称重料仓的加料和下料工序，并实时监测现场各设备的运行情况，提供丰富的报警和诊断信息，并形成历史数据记录供工厂运行效率和事故分析。

酸中性称量系统的硬件配置如图4：

图 4 称量系统的硬件配置

3. 称重配料系统的特点

称重系统以SIWAREX FTA称重模块取代常规配料控制仪表，使得称重配料与控制系统完美的结合在一起，整个配料系统的运行统一由PLC进行控制。

由于称重配料系统所配物料种类较多，并且每个螺旋给料机有多级给料速度控制，螺旋下料口装有控制**给料的气动阀，部份下料装置采用多级振动给料机及微量秤等，整个称重控制系统I/O约2000点。在系统自动配料时，为控制料仓压力变化对配料精度产生的影响，配料系统与上面的料仓自动加料系统有相应的联锁控制关系。西门子SIWAREX FTA称重模块将称重功能直接集成到S7-300 PLC中，加上FTA模块本身集成的16个开关量I/O点和一路4－20mA模拟量输出功能，可以轻松的实现这种较复杂的称重配料应用。

称重数据的传输

现场称重传感器的信号直接进入PLC系统，代替了普通称重仪表通过4-20mA信号送入PLC。避免了信号转换带来的误差和传输的时间延迟。称重控制的数据实时性高，更新称重数据的速度更快，且控制精度更高。

通讯能力

SIWAREX FTA 与西门子SIMATIC具有统一的通信接口。19台SIWAREX FTA称重模块所获得的现场称重料斗的重量信号通过PLC的背板总线直接送入S7-315 DP CPU存储区。上位机与称重模块可以方便的以总线通讯方式进行数据交换。由于称重系统和控制系统在统一的软硬件平台上，因此这种数据交换方式传输的数据量更大，速度更快，实时性好。

维护方便

在使用SIWAREX FTA称重模块编程时，我们利用西门子提供的一个FB41程序和例程，可以在S7-315的CPU存储区中直接读取各种称重过程值，很方便的根据工艺联锁的要求进行编程和设置。

每个SIWAREX FTA模块都可以互换。因为所有的设置和标定参数都存在S7-300CPU中，所以更换FTA模块，称重料斗无需重新标定。CPU中所有FTA称重料仓设置和标定参数也可以备份在MMC卡或计算机中，用于系统故障时的数据快速恢复。

对于现场的调试和标定，西门子提供了基于bbbbbbs操作系统的SIWATOOL FTA专用程序。使得技术人员无需了解PLC编程方面的知识就能够方便的设置和调试秤，并且在软件中方便的查询秤的各种运行状态及参数，如图5：

图5 SIWATOOL FTA软件界面图

配方的保密

所有生产工艺配方都设有代码编号存储在PLC中，并设有保护口令。工艺配方的修改和维护由专人管理。操作人员只需选择配方的编号并确认，称重配料系统自动的按照配方和加料时序执行配料生产流程。

四、结束语

该耐火材料工厂06年底投产至今，系统运行良好。SIWAREX FTA称重配料系统称量精度优于OIMLⅢ，称重配料的控制精度可达到±3‰，少量特殊物料及微量秤的控制精度可达到±5‰，完全满足了用户的生产要求。

西门子称重扩展模块在几年的运行时间经受了考验，证明了SIWAREX FTA称重配料控制系统具有高精度及高可靠性，实现了称重和控制功能的完美结合。系统运行的可靠、稳定和维护方便是用户决定使用SIWAREX FTA称重模块直接的原因。

SIWAREX FTA称重配料系统不仅应用于耐火材料配料生产，而且可广泛的应用在精细化工、食品饮料、钢铁冶金、烟草、制药、玻璃等行业的高精度称重控制配料工艺。