童敏 徐銳 張劍

技術(shù)應(yīng)用

基于TIA博途平臺的天然石膏粉生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

童敏 徐銳 張劍

（中國新型建材設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310022）

根據(jù)天然石膏粉生產(chǎn)線工藝流程，基于西門子TIA博途平臺設(shè)計天然石膏粉生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用S7-1516F-3PN/DP安全控制器和TIA博途V16平臺軟件，實現(xiàn)天然石膏粉生產(chǎn)線的智能控制和管理。該系統(tǒng)應(yīng)用于某新建石膏工廠，實現(xiàn)石膏煅燒的動態(tài)調(diào)控，提高了石膏粉產(chǎn)品的質(zhì)量。

西門子TIA博途平臺；天然石膏粉；動態(tài)調(diào)控：石膏煅燒

0 引言

近年來，隨著我國對智能制造產(chǎn)業(yè)的政策扶持力度逐漸加大，工廠自動化轉(zhuǎn)型升級明顯提速[1]。天然石膏粉生產(chǎn)線目前存在生產(chǎn)效率低、自動化水平落后、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，因此，生產(chǎn)線自動化系統(tǒng)升級改造迫在眉睫。

本文采用西門子TIA博途平臺，對某工廠天然石膏粉生產(chǎn)線進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)智能控制和管理，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

1 天然石膏粉生產(chǎn)線工藝流程

天然石膏粉生產(chǎn)線一般分為破碎、粉磨、煅燒、冷卻輸送、成品包裝等5個工段[2]。本文天然石膏粉生產(chǎn)線生產(chǎn)的石膏粉直接輸送至紙面石膏板廠的配料倉，減少了成品包裝環(huán)節(jié)。根據(jù)該生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝要求，其工藝流程分為破碎、粉磨、煅燒冷卻3個區(qū)域，如圖1所示。

破碎區(qū)域：鏟車將石膏原塊倒入板式喂料機；板式喂料機將石膏原塊定量送入破碎機進行初次破碎；在破碎機內(nèi)部錘頭旋轉(zhuǎn)的作用下，破碎后的石膏小塊被送入皮帶輸送機；皮帶輸送機中途的永磁除鐵器將石膏小塊除鐵后，由斗式提升機運送至粉磨前料倉。

粉磨區(qū)域：除鐵后的石膏小塊經(jīng)粉磨前料倉的皮帶秤計量后，喂入立式磨機；磨機將石膏小塊粉磨；經(jīng)動態(tài)選粉機分選后，合格的石膏細粉由高溫引風(fēng)機輸送到袋式收塵器收集，再通過剛性葉輪給料機輸送至斗式提升機，進入煅燒前料倉；不合格的石膏細粉則暫存3#廢料倉。

煅燒冷卻區(qū)域：石膏細粉經(jīng)煅燒前料倉的螺旋輸送機送入沸騰爐進行煅燒，煅燒過程中需控制進粉量和助燃風(fēng)機的風(fēng)量，以實現(xiàn)溫度恒定；煅燒后的石膏細粉在回轉(zhuǎn)冷卻器中冷卻至合適溫度后，通過斗式提升機和鏈?zhǔn)捷斔蜋C根據(jù)實際需求分別進入1#或2#成品料倉存儲。

該工廠天然石膏粉生產(chǎn)線的工藝設(shè)備較多，且分布不集中，但需關(guān)注的控制變量卻很多，尤其是煅燒區(qū)域僅靠有限的操作人員對多種物理變量同時操作和監(jiān)控，顯然力不從心。同時，一些關(guān)鍵變量僅靠人工調(diào)節(jié)，其精度和效率也無法滿足大批量生產(chǎn)的需求。為提高該生產(chǎn)線生產(chǎn)效率，本文基于TIA博途平臺設(shè)計天然石膏粉生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)備控制，實現(xiàn)生產(chǎn)效率的提高；采用新款硬件設(shè)備，實現(xiàn)生產(chǎn)線自動化水平的提升；實時分析過程參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)，使程序動態(tài)調(diào)控石膏煅燒，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

2 系統(tǒng)組成

基于TIA博途平臺的天然石膏粉生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主要由PLC（S7-1516F-3PN/DP）、交換機、服務(wù)器、變頻器（G120C系列）、軟啟動器（3RW55系列）、接觸器、急停按鈕、拉繩開關(guān)、溫度傳感器、雷達計、電磁閥、現(xiàn)場其他傳感器等組成，如圖2所示。

圖2 基于TIA博途平臺的天然石膏粉生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

2.1 硬件選擇

根據(jù)IEC 61508安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，PLC控制器選擇S7-1516F-3PN/DP實現(xiàn)故障安全STO相關(guān)應(yīng)用[3]。當(dāng)天然石膏粉生產(chǎn)線發(fā)生故障時，該PLC可保證設(shè)備及時停機，保護設(shè)備和人員的安全。

根據(jù)ISO 13849—1安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，分布式I/O選擇同時支持故障安全模塊（F模塊）與標(biāo)準(zhǔn)模塊的ET200SP系列。其中，安全模塊處理與安全相關(guān)的信號（急停按鈕、拉繩開關(guān)、安全光柵等）；標(biāo)準(zhǔn)模塊分別讀取和控制現(xiàn)場分區(qū)的I/O信號（光電開關(guān)、接近開關(guān)、氣缸電磁閥的閉合等）。

電機變頻器選擇G120C系列，具有STO安全切斷功能，即切斷IGBT觸發(fā)電源，使電機快速、安全停機，無需切斷系統(tǒng)主電源。

電機軟啟動器選擇3RW55系列，其集成Profinet通訊，內(nèi)置接觸器回路，無需外置接觸器旁路控制，節(jié)省空間。

該系統(tǒng)根據(jù)各工藝設(shè)備的特點和天然石膏粉生產(chǎn)工廠的網(wǎng)絡(luò)要求，采用不同的網(wǎng)絡(luò)對策。系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)采用Profinet現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；安全模塊采用Profisafe結(jié)構(gòu)；與工廠交換機通信采用多模光纖環(huán)網(wǎng)；各遠程I/O站控制箱采用PN電纜通信[3]。

2.2 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟件在博途V16上組態(tài)和編程實現(xiàn)。PLC控制器和分布式I/O編程采用SIMATIC STEP7 Professional V16軟件；變頻器調(diào)試組態(tài)采用SIMATIC Startdrive V16軟件；軟啟動器組態(tài)調(diào)試采用SIMATIC StartES軟件；STO安全調(diào)試組態(tài)使用SIMATIC STEP7 Safety Advanced V16軟件。

基于TIA博途平臺的天然石膏粉生產(chǎn)線控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)框圖如圖3所示。根據(jù)天然石膏粉生產(chǎn)線的工藝流程，PLC軟件編程采用面向工藝對象的模式。在實際控制過程中，許多基礎(chǔ)功能相同的設(shè)備被重復(fù)利用，如圖3中的一般電機控制功能塊FB1、閥門控制功能塊FB2、變頻電機控制功能塊FB3、4～20 mA轉(zhuǎn)換功能塊FB4、溫度轉(zhuǎn)換功能塊FB5等。本文統(tǒng)一編寫可多次重復(fù)調(diào)用的FB塊，通過不同的背景數(shù)據(jù)DB塊，實現(xiàn)封裝調(diào)用，方便軟件維護。

圖3 基于TIA博途平臺的天然石膏粉生產(chǎn)線控制系統(tǒng) 軟件架構(gòu)框圖

封裝的FB塊隱藏了控制邏輯、算法，增加了數(shù)據(jù)安全性，操作人員無需了解具體實現(xiàn)細節(jié)，只需通過特定的接口進行訪問。以4～20 mA轉(zhuǎn)換功能塊FB4為例，在FC1～FC4功能塊中直接調(diào)用FB4，對沸騰爐的爐頂壓力PT01、進口壓力PT02、出口壓力PT03、熱風(fēng)壓力PT04等進行模擬量信號轉(zhuǎn)換。圖4的左側(cè)輸入管腳中“l(fā)sl”和“l(fā)sh”分別對應(yīng)0～27 648的模擬量值；“Osl”和“Osh”對應(yīng)壓力范圍值0～10 kPa；輸入管腳“Input”對應(yīng)壓力值PT01；輸出管腳“Output”對應(yīng)轉(zhuǎn)換后的實際壓力值MD100，這樣傳感器儀表輸出的4～20 mA值可轉(zhuǎn)換為可供監(jiān)控的實際量程值。

圖4 4～20 mA轉(zhuǎn)換功能塊圖

天然石膏粉生產(chǎn)線的各工段設(shè)備具有相對獨立性和封閉性，軟件的每個控制區(qū)域可分為幾個專用FC程序塊進行編輯。安全程序的信息交接（復(fù)位、安全區(qū)重啟等）在單獨編程的安全機制功能塊FB內(nèi)完成。將相對獨立的各工段動作編成1個模塊，保證模塊內(nèi)部動作的協(xié)調(diào)性[4]。根據(jù)天然石膏粉生產(chǎn)線工藝流程，將設(shè)備劃分為破碎區(qū)域FC1、粉磨區(qū)域FC2、煅燒冷卻FC3的程序塊，在各自的FC程序塊中進行控制。電機、閥門、信號轉(zhuǎn)換的程序，采用封裝的專有FB1～FB5功能塊，通過對象的屬性、方法和事件與對象進行交互。以電機為例，其三要素包括：屬性（本地/遠程、累積運行時間、聯(lián)鎖和手動/自動）、方法（啟動、停止和急停）、事件（啟動失敗和異常停止）。程序OB1只需完成生產(chǎn)線各項邏輯的控制，即可實現(xiàn)工藝設(shè)備的自動化管控。

2.3 上位機設(shè)計

本系統(tǒng)上位機組態(tài)軟件采用博途V16的WINCC Professional版本。WINCC與TIA Step7等軟件具有全局共享的統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，所有信息只需要輸入一次，即可重復(fù)調(diào)用。如在PLC編程中建立變量，可直接利用TIA博途的符號尋址方式，將變量拖入可視化畫面或參數(shù)設(shè)置驅(qū)動；在繪制WINCC畫面時，可以符號尋址方式使用與PLC相同名稱的變量，為程序調(diào)試和工廠后期的技術(shù)維護提供便捷[5]。

WINCC組態(tài)上位機采用多操作員站的模式，即一臺服務(wù)器加多臺客戶機。天然石膏粉生產(chǎn)線主控制室的操作員站可進行實時操作；非主控制的工程師站可遠程監(jiān)控生產(chǎn)線的各項數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)疏漏信息，提前干預(yù)。組態(tài)上位機界面包括系統(tǒng)主流程、破碎、粉磨、煅燒冷卻3個分區(qū)頁面、實時報警信息、其他工藝設(shè)備狀態(tài)、電氣數(shù)據(jù)的實時或歷史趨勢等。

以圖5煅燒冷卻界面為例，設(shè)置了工段區(qū)域的集中控制模式，手動/自動/就地操控啟動停止按鈕。在實時監(jiān)控界面中，設(shè)備、電機、閥門等按照工藝流程順序布置。各變頻電機的頻率可手動設(shè)置，電流、溫度、料位、壓力等模擬量數(shù)據(jù)按不同顏色顯示，保證操作人員可準(zhǔn)確控制工藝參數(shù)。圖5中，頁面右邊有區(qū)域模式控制選擇按鈕：“Auto”“Man”“Loc”和“Reset”，可選擇相應(yīng)模式進行控制。以“Auto”模式為例，當(dāng)選擇區(qū)域自動模式后，按下“Start”按鈕，整個煅燒冷卻區(qū)域自動從設(shè)備末端倒序間隔啟動，同時根據(jù)控制系統(tǒng)的故障信號，實現(xiàn)故障報警以及反向順序停機。

圖5 煅燒冷卻界面圖

3 平臺應(yīng)用

3.1 安全功能應(yīng)用

S7-1516F-3PN/DP不僅具有普通PLC功能，還可實現(xiàn)安全控制功能[6]。在圖3軟件設(shè)計框架圖中，安全功能在專業(yè)安全機制功能塊編輯，在PLC編程主目錄的Safety Administration中激活安全功能。安全功能激活圖如圖6所示。

圖6 安全功能激活圖

在F-runtime group中配置主安全塊（一般電機控制功能塊FB1），通過TIA博途平臺即可開啟安全功能塊的編輯。由于本系統(tǒng)3個區(qū)域的安全功能均采用獨立的安全分區(qū)機制，且都配備1個安全功能塊FB處理該分區(qū)的安全功能，因此在安全機制功能塊FB中可進行3個分區(qū)域的編輯。即每個安全分區(qū)都有獨立的電氣回路，由安全輸出模塊控制，安全功能相互獨立。

PLC安全程序處理每個安全分區(qū)的安全傳感器輸入，由安全程序處理后邏輯控制該區(qū)的安全輸出，其余安全分區(qū)的安全功能不受影響。在每個區(qū)域的控制柜盤面和現(xiàn)場操作箱都安裝了E-Stop急停按鈕，可觸發(fā)安全模塊動作，切斷整個工段系統(tǒng)的380 V供電電源，同時PLC停止該工段控制邏輯的輸出。此外，在系統(tǒng)發(fā)生故障需要緊急停車時（如皮帶輸送機拉繩開關(guān)斷開）也將觸發(fā)安全分區(qū)機制。

3.2 工藝對象應(yīng)用

TIA博途平臺中S7-1500系列PLC的工藝對象主要有PID_Compact、PID_3Step、PID_Temp三種組態(tài)軟件控制器[7]。組態(tài)軟件控制器的工藝對象相當(dāng)于指令的背景DB，控制器的組態(tài)數(shù)據(jù)保存在工藝對象中，而工藝對象存儲在CPU目錄的工藝對象下。

PID_Temp工藝對象提供具有集成調(diào)節(jié)功能的連續(xù)PID控制器，適用于加熱/制冷應(yīng)用。在天然石膏粉生產(chǎn)線中，采用軟件控制器PID_Temp進行石膏粉煅燒溫度的動態(tài)控制，以保證沸騰爐內(nèi)煅燒石膏粉的溫度動態(tài)恒定。石膏煅燒控制原理圖如圖7所示。

圖7 石膏煅燒控制原理圖

根據(jù)某工廠天然石膏粉生產(chǎn)線的生產(chǎn)實際，石膏煅燒主要對沸騰爐溫度和壓力進行控制。其中，爐頂溫度一般為150℃左右，主要根據(jù)溫度高低線性調(diào)節(jié)供熱量；爐頂氣壓一般保持在?5 mmH2O微負壓，主要通過冷風(fēng)調(diào)節(jié)閥來控制進風(fēng)量；出口溫度決定熟石膏質(zhì)量，溫度過低石膏欠燒，溫度過高石膏過燒，一般出口石膏粉溫度控制在165℃左右。

圖7中，通過管道中的流量調(diào)節(jié)閥門，將進入爐膛的熱風(fēng)量控制在20～25 m/s，保證進入沸騰爐的熱量能維持石膏煅燒，進入沸騰爐的熱風(fēng)溫度在450℃左右。如果出口溫度超過控制范圍，則開啟冷風(fēng)閥，保證爐膛不發(fā)生過熱燃燒[8]，同時調(diào)節(jié)冷風(fēng)量保證爐頂氣壓穩(wěn)定。原則上，進入沸騰爐的石膏粉是恒定的，工廠常用煅燒前喂料量和煅燒后出粉量進行產(chǎn)能計算管控。WINCC界面設(shè)有石膏粉噸重量的曲線趨勢圖，利于后續(xù)工廠報表計算及配比調(diào)整。

綜上所示，沸騰爐的正常運轉(zhuǎn)必須控制氣流的壓力和流量、石膏粉出口溫度；穩(wěn)定熱風(fēng)爐系統(tǒng)的進口溫度和流量；恒定控制石膏粉的喂料量。本系統(tǒng)以出口溫度為被控對象，熱風(fēng)爐進風(fēng)風(fēng)機為執(zhí)行機構(gòu)，應(yīng)用西門子TIA自動化平臺中的PID_Temp控制器，設(shè)計石膏粉煅燒溫度的PID控制程序。如圖8所示。

圖8 PID控制設(shè)置圖

在WINCC畫面中可直接設(shè)置出口目標(biāo)溫度、熱風(fēng)爐進風(fēng)風(fēng)機頻率以及PID的3個參數(shù)。手動/自動切換按鈕實現(xiàn)一鍵自動切換，保證模式切換時不產(chǎn)生過大的溫度超調(diào)，可提升熟石膏質(zhì)量。

3.3 系統(tǒng)功能

操作人員只需在上位機點擊相應(yīng)工藝編號的設(shè)備圖即可實現(xiàn)電機、閥門、變頻電機的控制，如圖9所示。電機的啟停、閥門的打關(guān)以及變頻電機的電流和頻率都可在設(shè)備控制彈出框中操作，還可對發(fā)生故障的設(shè)備進行在線復(fù)位故障。上位機界面中破碎、粉磨、煅燒冷卻3個分區(qū)頁面的實時信息和工藝設(shè)備狀態(tài)，實現(xiàn)操作人員在線監(jiān)測和實時調(diào)整天然石膏粉生產(chǎn)線，降低工人勞動強度，實現(xiàn)天然石膏粉工廠生產(chǎn)過程的信息數(shù)字化，調(diào)整智能化。

圖9 上位機操作設(shè)備控制彈出框

3.4 系統(tǒng)應(yīng)用

2019年，基于TIA博途平臺的天然石膏粉生產(chǎn)線控制系統(tǒng)應(yīng)用于某新建石膏工廠。當(dāng)沸騰爐的爐頂壓力相對穩(wěn)定，沸騰爐進口溫度持續(xù)運行在450℃～480℃時，出料口溫度在150℃～170℃范圍內(nèi)波動。根據(jù)該廠統(tǒng)計數(shù)據(jù)，當(dāng)出料口溫度在160℃左右波動時，煅燒效果最好，且物料在爐內(nèi)快速熱傳遞，爐內(nèi)沒有堵塞現(xiàn)象，產(chǎn)量較高。

經(jīng)過2年的實際應(yīng)用，通過對石膏粉煅燒溫度的PID控制，有效提高了石膏粉質(zhì)量，保持產(chǎn)品中熟石膏（俗稱半水石膏）的含量維持在95％以上，且實現(xiàn)生產(chǎn)線的智能控制和管理；在3個區(qū)域的安全功能保證下，系統(tǒng)從未發(fā)生過安全事故，有效保護生產(chǎn)人員的生命安全。

4 結(jié)語

本文通過分析天然石膏粉生產(chǎn)線的工藝流程，提出采用TIA博途平臺的設(shè)計方案，并成功在某新建石膏工廠實施。經(jīng)實際應(yīng)用，系統(tǒng)運行情況良好，生產(chǎn)穩(wěn)定安全，實現(xiàn)了石膏煅燒的動態(tài)調(diào)控，提高了石膏粉產(chǎn)品質(zhì)量，達到了較好的應(yīng)用目標(biāo)。

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Control System of Natural Gypsum Powder Production Line Based on TIA Portal Platform

TONG Min XU Rui ZHANG Jian

(CNBM Design & Research Institute Co., Ltd. Hangzhou 310022, China)

According to the process flow of natural gypsum powder production line, the control system of natural gypsum powder production line is designed based on Siemens TIA Portal platform. The system adopts S7-1516F-3PN/DP safety controller and TIA V16 platform software to realize intelligent control and management of natural gypsum powder production line. The system has been successfully applied to a new gypsum factory to realize dynamic control of gypsum calcination and improve the quality of gypsum powder products.

Siemens TIA Portal platform; natural gypsum powder; dynamic control; gypsum calcination

童敏,徐銳,張劍.基于TIA博途平臺的天然石膏粉生產(chǎn)線控制系統(tǒng)[J].自動化與信息工程,2022,43(1):43-48.

TONG Min, XU Rui, ZHANG Jian. Control system of natural gypsum powder production line based on TIA Portal platform[J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(1):43-48.

童敏，男，1989年生，工程師，工程碩士，主要研究方向：新型建材工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計及集成。E-mail: 15306590311@189.cn

徐銳，男，1987年生，高級工程師，碩士研究生，主要研究方向：新型建材工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計及集成。E-mail: 373863276@qq.com

張劍，男，1983年生，高級工程師，本科，主要研究方向：新型建材工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計及集成。E-mail: 190152927@qq.com

TP273

A

1674-2605(2022)01-0008-06

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.01.008