基于S7—1200PLC和力控组态软件的井式炉控制系统设计

1 引言 

　　佛山市某企业热处理车间有5套4加热层的井式炉用于对长轴类产品的热处理加工，为了满足企业对产品生产过程的参数指标分析及加强生产过程中的质量管理和产品溯源的要求，现有井式炉的控制系统已不能完全满足企业更高质量定位需求，需要对现有的5套井式炉进行自动化升级改造和对生产过程数据进行实时集中监控。本文将介绍在保留现有相关硬件的前提下，如何利用SIMATIC S7-1200基于力控组态软件完成井式控制系统设计。 

　　2 系统网络架构 

　　SIMATIC S7-1200（以下简称S7-1200PLC）是西门子公司为充分满足于中小型自动化的系统需求，面向离散自动化系统和独立自动化系统所开发使用的小型控制器模块。通过TIA Portal V13软件进行工程组态，使其具有强大的集成工艺功能和灵活的可扩展性，为各种工艺任务提供了简单的通讯和有效的解决方案，尤其满足多种应用中完全不同的自动化需求。同时集成PROFINET接口用于编程、HMI通讯和PLC间的通讯。在本系统中现场的S7-1200PLC、触摸屏及工控机利用PROFINET线集中连接到工业交换机中，力控组态软件和现场触摸屏与S7-1200PLC之间通过S7-1200PLC（TCP/IP）以太网协议来进行通信架构的搭建，完成对现场的5套井式炉的各类数据进行采集及对应控制，系统网络架构如图1所示。 

　　3 系统电气组成 

　　现场单台设备在电气控制系统中，电气拓扑图如图2所示。由一台由西门子S7-1200PLC（CPU 1214C AC/DC/Rly）、一台模拟量输入扩展模块（SM 1231 AI4 x RTD）、一台模拟量输出扩展模块（SM 1232 AQ4）、4台可控硅功率调节器（T6-SCR）、4套温度传感器及一台威纶通触摸屏（MT8070）及炉门、供电、报警等辅助系统构成。其中S7-1200PLC为控制系统核心，4路扩展模拟量输入模块用于处理4套温度传感器采集到的井式炉4层位置实时温度值，4路扩展模拟量输出模块用于同时对4台可控硅功率进行驱动进而调节器对井式炉内部上4层加热电阻进行电能控制，现场触摸屏实现操作人员在产品生产现场的登陆及完成对生产产品的工艺选择。 

　　4 系统工作原理 

　　在进行生产时，操作人员在现场使用触摸屏进行本次生产工艺数据的选择，然后通过现场电气控制柜上的启动按钮进行系统启动。S7-1200PLC接收到该启动信号后程序进行动作输出，控制对应的接触器或中间继电器接通分别给功率调节器、炉门等相关设备供电。控制系统工作时，程序根据操作人员在触摸屏上选择设置的工艺参数，结合采集回的井式炉内温度数据进行PID运算，结果以模拟信号输出到功率调节器。功率调节器根据S7-1200PLC给定的模拟信号对流入井式炉内发热电阻的电能进行控制，实现温度的自动调节。 

　　5 系统程序实现 

　　在该控制系统中S7-1200PLC的程序设计如图3所示包括：主程序OB1，实现对本机的各个功能的协调及调用控制；温度采集FC1，内置AD转换和滤波算法完成现场的温度模拟信号转为实时数字信号供各功能使用。PID调节控制FC2，根据工艺流程和设置的参数完成PID控制；辅助动作FC3，实现对炉门升降、功率调节器供电、完成信号等进行控制；工艺数据库FC4，内置50组数据通道实现对50种不同产品的生产工艺数据的长期保存及调用。故障诊断FC5，实现对设备出现的过载故障、PLC主机和传感器断线故障、加热超温故障，加热异常等进行采集判断保证设备的正常运行。 

　　在系统程序中，使用前期主要的技术难点是程序中PID参数的现场调试。需要多次进行现场测试及优化，但一台设备调试完毕后将可以拷贝到其余机组从而节省后续多台的调试周期。同时在系统程序内置有专门的故障诊断程序块，每当设备的使用过程中现场出现故障后可以及时的通过触摸屏或中央监控系统实时的反馈显示。方便现场的维护人员对故障判断，提高维修速度减少维修周期。 

　　6 中央监控实现 

　　目前世面上有很多上位机监控系统软件，如国外西门子的Wincc，国内的组态王，力控等。其中力控软件具有良好的开发培训教程以及配置完善的各类现场设备通信接口，具有较高的性价比。在本系统中将使用力控7.0软件，通过PROFINET线对现场的5台设备进行访问来实现数据的整体监控。首先在工控机上安装力控7.0软件并完成软件授权，随后开始进行系统的组态。本系统具有以下功能：不同层的温度的显示和报警；现场设备的工艺参数选择及设备启动；实时和历史曲线显示、查询及保存；数据报表的打印。系统相关界面如图4和5 所示，其中主界面的功能与现场的触摸屏一致具有温度数据的显示也能完成对现场设备的远程操作；操作人员能对历史数据趋势图查询和数据导出；数据报表能完成对产品按秒、按分、按时的时间定长查询并将查询的结果进行打印或导出SCV格式文件的功能。 

　　7 结语 

　　企业在使用S7-1200PLC与力控组态软件进行热处理井式炉的温度自动控制系统。实现了对井式炉工作过程的自动温度控制。并可以对工作过程的数据进行记录，导出，打印。使生产工艺人员随时掌握产品生产过程的工艺数据并根据生产产品质量调整工艺数据，为提高产品质量打下坚实基础同時为后续的产品质量溯源提供重要的佐证依据。 

　　参考文献 

　　[1]吴波，张静.PLC在热处理电阻炉温度控制系统设计中的应用[J].热处理技术与装备，2006，27（6）：39-43. 

　　[2]冯博，徐淑华.基于S7-1200 PLC的电加热器模糊PID控制[J].青岛大学学报，2011，26（1）：14-18. 

　　[3]曹庆才，高德欣.基于力控的温湿度远程监控系统设计[J].自动化技术与应用，2014，32（3）：91-95. 

　　[4]西门子股份有限公司.S7-1200可编程序控制器产品样本[Z]，2010.08. 

　　[5]西门子股份有限公司.S7-1200 可编程控制器系统手册[Z]，2012.04.