1、引言

西門子S7系列PLC以其可靠性高、軟件功能豐富、編程簡便，尤其是其組網能力強大等優點而越來越廣泛地應用于工業自動化控制系統中，從S7-200、S7-300至S7-400，西門子PLC提供了PPI、MPI、Profibus、Industrial Ethernet及AS-i等系列網絡解決方案，從而滿足了管理層、客戶層、現場層到傳感器/執行器等各種層面的通訊需求。本文以我廠炭素成型連續混捏機改造為例，闡述了PLC如何實現混捏機調速控制、混捏過程的實時監控、顯示、操作等功能。保障了生產過程的連續性，降低了勞動強度，改善了勞動條件，實現少人或無人巡視的目標，達到了對大型、關鍵設備的安全、可靠運行的目的。

2、被控對象

中鋁青海分公司炭素連續混捏機是八十年代中期從德國BUSS公司引進的鋁電解預焙陽極專用大型設備。其混捏方式采用動、靜攪刀相對運動和攪拌軸前后移動實現糊料混捏目的。其混捏機總控制系統如圖1所示。

圖1 混捏機控制及輔助裝置的系統控制圖
3、PLC控制系統設計

一個設計良好、性能優越的控制系統，必須有高質量、高性能的硬件配置才能保障最佳控制目的實現。由于混捏機控制系統的實際控制量較少，采集的參數種類較多的特點，采用S7-200 PLC能完全滿足其控制要求。另外S7-200 PLC是以Profibus-DP為通訊模式，其高速（數據傳輸率高達12Mbps）且優化的通訊方式，適合現場級控制系統與分布式I/O及其它設備之間的主從通信。其PLC的主要配置分別為：處理器選用CPU315-2DP；數字輸入模塊6ES7 321-1FH00-0AA0 6塊；模擬輸入模塊6ES7 331-7NF00-0AB0 2塊；數字輸出模塊6ES7 322-1FH00-0AA0 4塊；模擬輸出模塊6ES7 332-5HD01-0AB0 1塊；模塊前連接器6ES7 392-1BJ00-0AA0 13塊；IM365本地擴展模塊（6ES7 365-0BJ01-0AA0）1塊；電源模塊PS307 5 1塊；DP總線連接器（6ES7 972-0BB50-0XA0）2塊；監控裝置為觸摸屏TP270（10寸帶Profibus接口）。其原理如圖2所示。

圖2 PLC控制混捏機及其輔助系統原理圖
由于數字輸入模塊具有各組之間、組與數據總線間均設為相互隔離，其輸入信號可直接接至模塊上，也可用繼電器隔離后接入模塊，其輸入模塊內部原理如圖3所示。

圖3 PLC數字信號輸入模板接線圖
另外，由于模擬輸入模塊各通道之間、通道與數據總線間隨具有隔離功能，但因混捏機調速系統、輔助控制系統以及現場各信號采樣傳感器電源回路、電壓高低不同，為使PLC系統工作安全、可靠，一般要求其各輸入信號必須隔離。此外對于遠程采樣信號，為提高測量準確性，其輸入信號均采用電流信號輸送。對于無源輸入信號，而且傳輸距離短的傳感器信號，可直接輸入。其模擬輸入模塊的內部原理如圖4所示。

圖4 PLC模擬量輸入模板接線圖
在模擬模塊輸入接線中，要考慮實際采用的傳感器的引線根數，對于多數4芯傳感器接線，則采用圖5接線方式；對于2芯傳感器接線，則采用圖6接線方式。

圖5 熱敏電阻與模擬輸入模塊的四線連接

圖6 熱敏電阻與模擬輸入模塊的兩線連接
3.1 混捏機控制及保護系統的設計

在混捏機調速控制系統中，除調速系統硬件設有過壓、過流、限速、短路、可控硅擊穿等保護措施外，還設置了多個PLC軟件保護功能。如速度給定最大速率限制（設置以5r/s變化；防止升、降速過快問題），最高、最低速度限制設置，緊急停車機及失誤操作等其它不正常操作。通過嚴密的邏輯關系和軟件監測，實現了混捏機操作互鎖、運行監控及故障報警功能；特別是對混捏機瞬間過電流的監控，解決了混捏料中因金屬硬質物混入導致的攪刀被打斷的問題，避免了混捏機的重大故障的發生或故障擴大的問題。

保護系統是設備應具備的基本功能，尤其是重大關鍵設備，其這方面的要求更加重要。在實際中，根據設備的運行安全的要求、現場復雜性以及對操作人員產生的可能傷害等要求，采取可靠的保護措施和防止手段，是設備控制必須的性能。為此，在混捏機電控系統中，應用PLC實現如下保護措施，完全滿足了混捏機實際運行要求。

（1）電樞電流的上限設置。根據混捏機的實際工作要求，對其電機電樞電流的上限設置為兩種保護功能：對于較小范圍的過流（如負載擾動引起的過流），設置電樞電流達到設定的電流值360A（相對于混捏量為16T/h而言。由于混捏料量多少不同，其電機電樞電流相應的也不等，應根據實際混捏料量確定；如混捏量為17.2T/h，其工作電流上限設為380A較為適合），允許過流時間設定為45秒（可在10～300秒內選擇），超過設定時間，電樞電流仍然處于過載范圍，則PLC給混捏機調速裝置發出故障信號，系統立即封鎖主整流可控硅觸發脈沖，使電樞主電路輸出中斷，并啟動報警器工作；第二種保護設置是防止混捏機突發故障，引起主電機電樞電流超過一定值（如410A對應的混捏量為16T/h；若混捏量為17.2T/h，則動作電流值設為435A才能滿足實際要求）的特殊情況，則設置立即啟動保護功能（由于PLC掃描周期為100ms，故系統實際會延時100ms后才動作）。在實際中，導致這種大電流出現的原因一般有以下幾種情況；如電機電樞繞組絕緣損壞、可控硅擊穿、閉環控制系統出現大的振蕩、電機集電器或炭刷等處短路、混捏機傳動機構工作異常、混捏筒體內有螺栓或金屬硬質物混入等異常故障，引起混捏機瞬間大電流出現。由于這類突發故障會造成混捏機整體機構嚴重的破壞和損害，故其控制系統要有靈敏的、高可靠的保護措施。例如2005年6月1#混捏機發生的11付動、靜攪刀被混入混捏料中的螺栓打斷的故障，造成數百萬元的經濟損失。另外又必須避開混捏機正常實際生產中小負載波動的情況。

（2）自動爬行速度和最高速度的設置。混捏機屬重負載設備，其啟動后必須設置自動爬行速度功能。即混捏機啟動后，其調速系統自動進入速度從零加速到一定的轉速運行狀態。另外對于減速操作，換設置了當進行減速操作時，電機速度下降到爬行速度時，會自動停止速度遞減，保持最低速度運行，直到停止按鈕按下后系統才會停車，這種設置是為了防止混捏機工作在堵轉大電流異常狀態。