基于S7-300 PLC呼吸法真空烘干箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

柴 琦，姜 寧，趙 煦，寇水潮

(西安熱工研究院有限公司，西安 710054 )

基于S7-300 PLC呼吸法真空烘干箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

柴 琦，姜 寧，趙 煦，寇水潮

(西安熱工研究院有限公司，西安 710054 )

針對(duì)傳統(tǒng)烘干設(shè)備存在效率低、箱體分離等問題，提出了一種基于西門子S7-300 PLC的呼吸法真空烘干法，并設(shè)計(jì)了呼吸法真空烘干控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以管路加熱和箱體加熱為基礎(chǔ)，利用WINCC、MP-377 HMI觸摸屏和S7-300 PLC結(jié)合對(duì)所采集的溫度信號(hào)進(jìn)行分析，然后依次完成烘干箱加熱、吹除和抽真空等工作流程;最后將壓力、溫度和時(shí)間等運(yùn)行參數(shù)保存至工控上位機(jī)上;經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，本設(shè)計(jì)方案可行、穩(wěn)定，具有一定的實(shí)用性。

呼吸法真空烘干法；S7-300 PLC；MP-377 HMI；WINCC；工控上位機(jī)

0 引言

目前烘干技術(shù)已經(jīng)在生物、化工、航空和航天領(lǐng)域廣泛使用。經(jīng)某工廠現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明：現(xiàn)有的烘干設(shè)備大多采用烘干箱體和控制系統(tǒng)分離的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在使用時(shí)僅能對(duì)1個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行烘干，且整個(gè)烘干過程需要9～15個(gè)小時(shí)。由于箱體容量較小和溫度控制精度差等問題造成了烘干效率低、加熱不徹底等問題。當(dāng)烘干設(shè)備在航空、航天領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，需可靠性和精確度極高呼吸法真空烘干設(shè)備。

20世紀(jì)90年代初，美國率先將智能微處理器應(yīng)用在烘干控制系統(tǒng)中，隨后幾年基于智能嵌入式微處理的烘干技術(shù)成為各國研究的熱點(diǎn)。在互聯(lián)網(wǎng)和工控技術(shù)迅速的發(fā)展的前提下，未來烘干設(shè)備將朝著全自動(dòng)、無人值守方向發(fā)展。本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)烘干技術(shù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了現(xiàn)有烘干箱控制系統(tǒng)，并開發(fā)了基于S7-300 PLC和HMI結(jié)合的呼吸法真空烘干控制平臺(tái)，在一定程度上提高了烘干效率。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于S7-300呼吸法真空烘干箱控制系統(tǒng)技術(shù)上要求系統(tǒng)管道加熱溫度控制精度為4.40%，烘干箱加熱溫度控制精度為3.70%。針對(duì)傳統(tǒng)烘干設(shè)備一次只能烘干一個(gè)產(chǎn)品，烘干方式單一，加熱介質(zhì)為水，且存在加熱效率和烘干效率低等問題，本烘干系統(tǒng)在17.5 Mpa氣源作為傳熱介質(zhì)的基礎(chǔ)上利用工控機(jī)PC、Profibus通信、Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)通信、MP377-HMI觸摸屏、真空泵、S7-300 PLC、壓力和溫度傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)抽真空、吹除、加熱3種產(chǎn)品烘干方式結(jié)合的遠(yuǎn)程自動(dòng)、手動(dòng)無人值守呼吸法真空烘干箱控制系統(tǒng)。S7-300 PLC的AI模擬量輸入模塊在采集、分析2路溫度和6路壓力變送器輸出的4-20 mA信號(hào)后，按照HMI觸摸屏和工控機(jī)WINCC上位機(jī)預(yù)先設(shè)置的產(chǎn)品吹除、產(chǎn)品抽真空、產(chǎn)品加熱、產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)間等工藝流程，通過AO模擬量輸出模塊控制管道加熱器、烘干箱加熱器，利用DO數(shù)字量輸出模塊控制真空泵和4路氣孔閥門，并完成管道溫度和烘干箱溫度在室溫—60℃范圍內(nèi)穩(wěn)定控制。系統(tǒng)HMI觸摸屏主要用來顯示溫度、壓力、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等信息，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存至U盤。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案

2 系統(tǒng)工藝流程

整個(gè)系統(tǒng)主要包括烘干箱、管道加熱系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、真空泵、管路電磁閥、壓力溫度測(cè)控系統(tǒng)。其中烘干箱、吹除氣體的溫度、管路的壓力采集和電磁閥、真空泵、加熱器的控制均由PLC完成。系統(tǒng)通過S7-300控制管路和箱體溫度實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品烘干，當(dāng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行抽真空工作流程時(shí)，相當(dāng)于人類內(nèi)吸氣動(dòng)作。當(dāng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行吹除工藝流程時(shí)，相當(dāng)于人類的呼氣工作。根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)功能需求所設(shè)計(jì)的呼吸法真空烘干控制系統(tǒng)的工藝流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工藝流程

系統(tǒng)自動(dòng)烘干控制流程為產(chǎn)品吹除流程、抽真空流程和烘干箱加熱等3種操作流程的組合。每種自動(dòng)工藝流程可由HMI觸摸屏選擇設(shè)定，且依據(jù)HMI預(yù)先設(shè)定的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行循環(huán)自動(dòng)運(yùn)行，直至系統(tǒng)整體運(yùn)行時(shí)間到，則停止。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件接線主要由PLC、觸摸屏、繼電器控制模塊、直流電源、真空泵等組成。S7-300 PLC通過AI通道采集烘干箱內(nèi)和管路內(nèi)吹除氣體的溫度，根據(jù)設(shè)定溫度和變化參數(shù)，采用PID算法，利用AO通道控制加熱可控硅，使烘干箱和吹除氣體達(dá)到設(shè)定溫度。PLC控制器通過DO通道，控制系統(tǒng)管路電磁閥、真空泵、烘干箱換氣裝置，根據(jù)設(shè)定的控制時(shí)序和溫度壓力條件進(jìn)行自動(dòng)控制。HMI觸摸屏和PLC之間通過DP線連接，HMI主要用來顯示系統(tǒng)各個(gè)壓力、溫度參數(shù)、進(jìn)行試驗(yàn)配置、保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)回放、上傳試驗(yàn)數(shù)據(jù)。HMI觸摸屏可以設(shè)定烘干箱溫度、管路吹除氣體溫度、吹除壓力、烘干時(shí)間，烘干溫度、靜置時(shí)間，吹除時(shí)間，抽真空壓力、抽真空時(shí)間，間隔時(shí)間，熱壓縮空氣壓力、熱壓縮空氣溫度，同時(shí)可以保存、回放、上傳試驗(yàn)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)硬件接線如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件接線圖

4 軟件設(shè)計(jì)

在完成系統(tǒng)機(jī)械管路和已經(jīng)接線的基礎(chǔ)上，通過STEPV5.5編寫梯形圖語言程序。系統(tǒng)軟件主要由吹除程序、抽真空程序和烘干程序組成。各部分程序聯(lián)合工作完成產(chǎn)品的烘干、控制和顯示功能。其中軟件分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式，自動(dòng)控制由6種工藝流程組成，手動(dòng)控制由3種工藝流程組成。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

4.1 HMI主界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)HMI主界面在MP377觸摸屏上利用Wincc Flexible組態(tài)軟件開發(fā)設(shè)計(jì)。MP377觸摸屏和S7-300 PLC之間采用Profibus-DP通信方式，在Wincc Flexible組態(tài)軟件上保存并配置好Profibus-DP地址和通信頻率后，將HMI組態(tài)界面下載至MP377觸摸屏內(nèi)。系統(tǒng)人機(jī)操作界面主要由主界面、參數(shù)設(shè)定界面、趨勢(shì)界面、報(bào)警界面和工藝流程設(shè)定界面組成。其中呼吸法真空烘干控制系統(tǒng)操控主界面顯示系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)、時(shí)間設(shè)定、溫度設(shè)定和壓力設(shè)定。呼吸法真空烘干控制系統(tǒng)主界面如圖5所示。

圖5 HMI主界面

4.2 工控機(jī)主界面設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)呼吸法真空烘干控制設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，利用WINCC7.0開發(fā)了系統(tǒng)工控機(jī)遠(yuǎn)程控制界面。在WINCC7.0上設(shè)置以太網(wǎng)通信地址后，將S7-300 PLC連接至局域網(wǎng)，工控機(jī)通過S7-300 PLC的網(wǎng)絡(luò)地址實(shí)現(xiàn)呼吸法烘干箱的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。工控機(jī)主界面主要由數(shù)據(jù)報(bào)表系統(tǒng)、趨勢(shì)畫面組成，報(bào)表系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)至SQL數(shù)據(jù)庫中，趨勢(shì)畫面則顯示了溫度和壓力的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。呼吸法真空烘干控制系統(tǒng)工控機(jī)主界面如圖5所示。

圖5 工控機(jī)主界面

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在上述系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工藝流程、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，結(jié)合3種手動(dòng)工藝流程和6種自動(dòng)工藝流程，對(duì)被試產(chǎn)品進(jìn)行烘干。實(shí)驗(yàn)中的具體參數(shù)為：氣源壓力為17.5 Mpa，經(jīng)減壓閥J1后壓力變?yōu)?.56 Mpa，經(jīng)減壓閥J2后壓力變?yōu)?.56 Mpa，經(jīng)減壓閥J3后壓力變?yōu)?.53 Mpa。設(shè)置管道加熱溫度為0-60℃范圍內(nèi)變化，烘干箱加熱溫度為0-60℃范圍內(nèi)變化，總體系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為120 Min，系統(tǒng)運(yùn)行工藝流程為自動(dòng)：吹除-抽真空-加熱，抽真空壓力設(shè)定為0.1 Kpa。表1為上述方法所測(cè)得的呼吸法真空烘干設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果分析。

由表1可以看出，系統(tǒng)管道加熱溫度控制誤差為1.12%～4.40%，烘干箱加熱溫度控制誤差為1.22%～3.70%，管道和烘干箱溫度控制誤差較小，且能達(dá)到系統(tǒng)4%左右的設(shè)計(jì)誤差需求。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)按照系統(tǒng)的功能需求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出基于S7-300 PLC的呼吸法真空烘干控制系統(tǒng)，并按照操作工藝流程實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品自動(dòng)和手動(dòng)兩種烘干方式。系統(tǒng)首先繪制系統(tǒng)機(jī)械管路圖和系統(tǒng)硬件電路原理接線圖。然后完成機(jī)械管路部分平臺(tái)的搭建，依據(jù)設(shè)計(jì)好的原理接線圖展開系統(tǒng)電氣部分的布線，檢查機(jī)械管路的氣密性和合理性，并驗(yàn)證電氣部分接線的正確與否。最后，完成系統(tǒng)HMI觸摸屏、工控機(jī)和S7-300之間的聯(lián)合調(diào)試，直至達(dá)到規(guī)定的功能指標(biāo)為止。呼吸法真空烘干箱控制系統(tǒng)一方面現(xiàn)場(chǎng)工作人員可靠烘干數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品更高效率的烘干。另一方面將所測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至工控機(jī)上，方便工作人員遠(yuǎn)程了解產(chǎn)品目前烘干運(yùn)行情況。

表1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

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Design of Breathing Vcuum Drying Box Control System Based on S7-300 PLC

Chai Qi , Jiang Ning, Zhao Xu, Kou Shuichao

(Xi′an Thermal Power Research Institute Co., Ltd, Xi′an 710054, China)

Aiming at the traditional drying equipment has low efficiency and box separation problems, a breathing vacuum drying method based on Siemens S7-300 PLC is proposed, and the breathing vacuum drying control systems is designed. On the basis of pipe heating and box heating, using WINCC, MP-377 HMI touch screen and S7-300 PLC to analyze the collected temperature signal, and then finish drying box heating, blowing and vacuum process flow. Finally, the operating parameters such as pressure, temperature and run time are stored on the industrial PC. Industrial field applications shows that this design scheme is feasible, stable, and has a certain practicality.

breathing vacuum drying method；S7-300 PLC；MP-377 HMI；WINCC；industrial PC

2016-07-12；

2016-08-01。

柴 琦(1982-)，男，陜西西安人，工程師，主要從事火電廠電氣方向的研究。

1671-4598(2016)12-0078-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.022

TP273

A