VIPA PLC在沥青搅拌站上的应用-电气,自动化,工控行业新闻动态-中国电气自动化网

1.概述
    沥青搅拌设备主要用于高速公路的建设和维护, 是一种复杂的综合配套设备，独立运转部件多，工艺流程复杂。特别是用于高等级公路的设备，对沥青、骨料、粉料的计量精度和温度要求高，设备由于在野外作业，工作环境恶劣，因此对该设备控制系统性能相对要求也较高。综合考虑上述因素，采取必要的设计措施，才能满足高等级公路施工的要求。
沥青混合料搅拌设备主要包括供料控制，温度控制，计量控制，除尘控制，成品仓控制等。其控制系统的任务是按照工艺流程顺序控制各部设备,按生产配方自动进行计量拌料。目前控制系统基本采用PC+PLC的控制模式，上位机PC主要用于下发控制指令进行生产监控与数据管理；下位机PLC负责全部的过程控制。

    2.可编程序控制器（ PLC ）在搅拌楼控制中的应用特点
    2.1 通用特点
    PLC作为沥青混凝土搅拌设备控制的核心元件，其性能直接影响整机的性能，因此PLC选型应注意以下几点：
    • 动态计量要求PLC运算速度快，扫描周期应在10ms以内
    • 设备控制点多，要求PLC内存要大，要有一定余量
    • 通讯速度要快，上位机画面刷新速度应大于5次/秒
    • 选用模块化PLC，便于系统扩展.
    • 在整机性能满足要求的前提下，尽量简化系统，降低成本，提高整机的性能价格比。
    2.2 特点比较
    目前控制系统大多采用的西门子PLC，其中S7-400（S7-412）是大型PLC，CPU速度快，内存大，性能优异，但价格较贵。S7-300（S7-314C，S7-315）成本较低，但是性能有差距。
    VIPA推出的300S系列PLC是完全兼容西门子S7-300/400 PLC的高性能PLC，其特点是：CPU运行速度快、内存大（2MB）、通讯接口多（具有PROFIBUS-DP主站、MPI、内置以太网接口等,并且集成了高速模拟量输入,高速计数器等端口）、编程与STEP7完全兼容，程序无需修改可直接运行,其I/O模块和附件与S7-300可直接互换使用。
    为了提高设备性能，降低成本，我们选用了VIPA的可编程控制器,先后设计了集中式控制系统与分布式总线控制系统:
    2.3集中式控制系统
    选用VIPA-300S PLC，系统的组成为：
    • 300S-CPU：VIPA 314-6CF02
    • 300V数字量输出模板：VIPA 322-1BL00
    • 300V数字量输入模板：VIPA 321-1BL00
    • 300V模拟量输入模板：VIPA 331-1KF01
    • 300V模拟量输出模板：VIPA 332-5HD01
    2.4分布式控制系统
    选用VIPA-515S 板卡式CPU为主站, 安装在控制室的工控机内：
现系统的组成为：
    • 500S-CPU： VIPA 515-2AJ00
    • 200V-DP模板： VIPA 253-1DP01
    • 200V数字量输出模板: VIPA 221-1BF00
    • 200V数字量输入模板：VIPA 222-1HF00
    • 200V模拟量输入模板：VIPA 231-1BD53
    • 200V模拟量输出模板：VIPA 232-1BD51
    VIPA 200V从站：
    采用200V I/O模块，安装在现场各控制箱中作为系统中的从站，对本单元设备进行采集与控制。系统采用PROFIBUS-DP现场总线通讯，实现沥青搅拌站过程控制。

    3．PLC 的程序设计
    VIPA PLC采用西门子STEP7编程软件进行编程，程序用梯形图和语句表方式编写。程序包括计量控制,温度控制,成品仓控制等。
    3.1 计量控制
    计量控制是搅拌站控制最关键的部分，要求PLC A/D采集精度高,响应迅速,称量控制准确. CPU-314ST中集成的4路AD单元, 采集速度可达170次/秒,精度为12位,完全可以满足工艺要求,我们利用其对石料、粉料、沥青等称量值进行动态采集,PLC根据生产配方对称量信号运算处理后，由输出模块自动控制石料秤门、粉料螺旋输送机、沥青泵等开启停止,进行计量控制以及搅拌控制等。
    程序设计了6种石料计量、3种粉料计量、1种沥青计量、１种添加剂计量.为了提高计量精度,各计量程序中编制了落差自动修正功能,计量中即有静态修正又有动态修正控制; 为了提高油石比精度,沥青计量采用二次计量方式,先按设定重量的120%称量,待骨料、粉料称量完成后，经过二次运算，再按配方进行喷洒。石料计量采用双料门控制；粉料计量螺旋采用变频器调速控制，使计量级配更加准确。
    3.2 温度控制
    • 沥青混合料温度控制是关键生产工艺。精确控温需要燃烧器，除尘器的联动配合。
    • 石料采用燃烧器烘焙加热,温度高低由风门大小调节同时受骨料含水量等外部条件影响。PLC采用内置的温度调节功能块进行控温。
    • 除尘器负压是燃烧器燃烧效率的关键因素之一，PLC利用内置 PID功能块对负压进行控制。
    3.3成品仓控制
    • 成品仓是沥青搅拌站的重要组成部分，成品仓控制主要是运料小车的卷扬控制，运料小车根据指令在规定的时间范围内将成品料运送至不同的仓位。
    • 小车卷扬控制关键是小车的精确定位。功能的实现是利用 CPU-314ST中集成的4路高速计数单元配合编码器和变频器来实现。
    3.4功能扩展与兼容
    • 随着道路施工工艺的不断改进更新，沥青搅拌站外围设备会不断增加，一体化控制要求PLC具有较强的可扩展性。 CPU-314ST单机架32模块的可扩容量为搅拌站外围设备的加入提供了便利的操作和可靠的保证。
    • 沥青搅拌设备控制的智能化和人性化要求日益突出，过去生产的搅拌站就面临着一个控制系统改造的问题，对于旧的采用西门子PLC的控制系统应用VIPA PLC改造快捷方便，减少了硬件改动和软件改动。

    4．上位机软件设计
    上位机选用FameView工业组态软件，采用太网方式与VIPA-PLC通讯（100MHz），运行在WINDOWS 2000 / XP环境下。随着客户对搅拌站工艺要求的提高上位机组态系统一般要求具有复杂的画面功能，强大的数据处理功能和实时交互的配方报表，报警功能。上位机组态系统的功能实现依赖于与PLC的无障碍快速通讯。VIPA PLC的以太网通讯模式对实现上述功能提供了完美解决方案。
    a) 主画面：生产流程监控和计量监控；
    在生产过程中切换到其他控制画面。
    b)控制子画面：供料控制，设备控制，加热控制等。
    c）生产设定：生产搅拌参数设定, 存储配方和调用配方，在此系统中设计了200个配方；可随意地以文件形式另存在硬盘或软盘中。
    d) PLC状态监控：真实反映现场的I/O状态，利于故障的检查和排除；
    e)数据管理：随时记录每一循环的称量数据，数据保存SQL Server 2000大型数据库，便于汇总查询和打印打印：根据数据报表的内容，可控制打印机进行实时逐行或逐页打印；
    f)资料管理：主要是各种报警提示和维修保养相关的信息。

    5．结束语
    北京德基机械有限公司是生产沥青搅拌站的专业厂家，原控制系统采用西门子S7-400系列PLC。两个系统的运行速度我们也进行了对比，原S7- 400系统运行时的扫描周期为7毫秒，采用VIPA-314ST CPU系统运行时的扫描周期为2毫秒，再者通讯方式由原来的MPI通讯（187.5KHz）改为以太网通讯（100MHz），既提高了通讯速度又降低了成本（省略了5611通讯卡），上位机的动态监控画面也因此显得更加流畅。
    由于本系统完全兼容S7-300系列产品，其I/O模块国内市场占有量较高，技术成熟，既使生产过程中PLC控制系统硬件发生故障，也可以立即查明原因更换相应器件，最大限度的缩小在线维修时间，采用VIPA-300S PLC不但降低了成本还提升了整套控制系统的性能，使全系统的运行更加安全、可靠、性能更优异。