FCS在大容量涤纶短纤纺丝生产线中的应用

[摘要]  本文重点介绍了以Siemens S7  PLC为核心,采用现场总线分布式控制系统(FCS)，在我公司开发的日产150吨大容量涤纶纺丝生产线中的应用、特点、系统结构与实现方式。
[关键词] 分布式控制系统(FCS)、现场总线、可编程序控制器PLC、现场I/O、纺丝机、卷绕牵引喂入、盛丝桶往复机。

一、工艺流程及概况

熔体直接纺大容量涤纶纺丝生产线的工艺流程：熔体增压泵---熔体输送管---纺丝箱体---计量泵---中心内环吹装置---卷绕机---牵引机---喂入机---盛丝桶往复机。本联合机共有6个纺丝箱，有36个纺丝位，每个纺丝位配置一台高精度的计量泵。直纺熔体经增压泵增压后由熔体输送管将熔体输送至纺丝箱，经计量泵计量后由喷丝板喷出，通过中心内环吹装置，受空气冷却固化后进入卷绕机，各纺丝位丝束经过上油装置后进入牵引机，再由喂入机送入盛丝桶往复机。

日产150吨大容量涤纶短纤维纺丝生产线电气控制系统是基于PLC的现场总线的分布式控制系统(FCS)。系统的控制范围涵盖熔体直接纺生产线的熔体配管增压泵到盛丝桶往复机的全部范围。

二、控制系统的特点

大容量涤纶短纤维纺丝生产线电气自动控制系统的主要特点：
1、采用基于现场总线的控制系统FCS，系统高度稳定可靠，有很强的抗干扰能力；
2、开放式的总线，容纳第三方设备；
3、变频调速采用高精度的Siemens 变频传动系统；
4、实现全数字化、全现场化控制；
5、设备集中监控、友好的人机界面；
6、可以实现车间和工厂级的信息化管理，向信息系统自动提供实时数据；

三、控制系统架构

1、系统结构
整个控制系统的结构采用分层控制方式，由上位工业PC机、HMI触摸屏、OP操作屏、S7 PLC，变频控制柜和现场I/O及现场设备等组成。系统结构示意图如〈图一〉所示：

2、功能组成
如上图所示，控制系统分为三个控制层次：
中央监控管理层---工业PC计算机、HMI触摸屏
生产过程逻辑判断和数据采集层---S7 PLC
设备运行操作层---MCC控制柜和现场I/O及现场设备
下面对各层次的功能和它们之间的联系做简单的介绍：
上位工业PC机以图形画面显示设备模型及运行状态，监控和修改各个工艺参数，发出控制命令，并完成报警，存档，打印等信息处理。上位机组态软件采用组态王（Kingview6.5）。组态王是目前国内比较广泛用于工业控制的组态软件。组态王能实现对所有PLC内存单元的读写。系统运行时，通过读取PLC内存单元中的内容，上位机可以将系统的运行过程用画面的形式显示，对之进行监控，同时，通过向PLC的内存单元写入数据，可以下发命令给PLC，控制系统的运行。开发工业PC机程序时，充分利用了软件系统提供的资源，使开发过程快速便捷。



图一  系统结构示意图
                           
PLC与上位工业PC机的通信采用西门子专用的Profibus或Ethernet通信模块，通过Profibus或Ethernet网与上位机、触摸屏通讯，PLC向上位机、触摸屏传送设备的实时数据及状态，接收并执行上位机、触摸屏的实时控制指令；在上位机、触摸屏上可以修改各单元机的工艺参数及各单元机的实时状态。

四、PLC的配置

1、1PLC及2PLC：纺丝机PLC
大容量涤纶短纤维纺丝机电气自动控制系统采用西门子2台S7 PLC、模拟量输入模块对纺丝箱体温度、组件压力等对象进行监控，同时通过Profibus现场总线控制计量泵及油济泵传动变频器；现场智能I/O采用ET200模块，通过Profibus现场总线与CPU完成数据高速传输，现场I/O模块对环吹小车升降、进退及计量泵起停进行控制。ET200作为从站，通过IM153-2与CPU完成。纺丝箱体ET200从站归纺丝PLC。通过CP340通讯模块与联苯炉温度控制器RKC-D系列仪表进行通讯; 在纺丝层设有一个现场操作台，在操作台上设设置一个Siemens HMI触摸屏，可在现场修改计量泵及油剂泵变频器的频率。

2、3PLC：卷绕牵引喂入PLC
卷绕机电气自动控制系统采用西门子S7 PLC通过数字I/O模块卷绕机吸丝、切丝、牵引辊、导入棍、喂入轮、上油泵等对象进行控制，同时经过PROFIBUS现场总线控制牵引辊、导丝辊、喂入轮、上油传动变频器速度或频率，并在牵引喂入机处设有一个操作台，在操作台上设置一个Siemens HMI触摸屏，可设定牵引喂入机的速度。

3、4PLC：盛丝桶往复机PLC：
盛丝桶往复机电气自动控制系统单独采用一套西门子S7  PLC，通过PROFIBUS现场总线控制盛丝桶往复机纵向、横向传动伺服变频器以及现场I/O，盛丝桶往复机主机横动小车及纵动小车传动采用了西门子CUMC伺服控制系统，对横动小车及纵动小车进行定位控制。精确控制盛丝桶往复装置的定位及往复运动。盛丝桶往复装置的操作台上设置一个Siemens OP操作面板，可进行定时控制。

五、软件设计
PLC的软件设计主要有以下几个部分：
1、S7-300PLC与变频器之间的PROFIBUS通讯：
S7-300PLC与变频器之间的PROFIBUS通讯可以设定变频器的频率，读取变频器的运行频率，电流和电压。软件设计框图见<图二>,在进行硬件组态时就要确定PROFIBUS通讯的PPO通讯类型，根据PPO的类型和要通讯的变频器的数量，生成一个相对应的DB块，西门子变频器的50Hz对应的频率代表值为16384，根据我们要设定的频率换算成相对应的频率代表值、命令字、控制字等，送入通讯用的DB块中，通过西门子提供的功能块FC21、FC22、FC23进行编程，在OB100中调用功能块FC23对PROFIBUS通讯进行初始化。调用



    图二 PLC与变频器通讯框图             图三 PLC与温控表通讯框图

功能块FC21对变频器进行频率设定，调用功能块FC22读取变频器的运行频率代表值，电流和电压。频率代表值换算成相对应的频率。通过上位机和HMI触摸屏与PLC进行数据交换，就可以在上位机和HMI触摸屏上修改变频器的设定频率，在上位机和HMI触摸屏上显示变频器的运行频率、电压、电流等参数。

2、S7-300PLC与RKC-D系列仪表进行通讯：

S7-300PLC采用CP340与RKC-D系列仪表的RS485通讯，软件设计框图见<图三>,根据RKC-D系列仪表提供的RS485通讯协议，在S7-300PLC编程时生成两个DB块，设定RKC-D系列仪表的设定值，读取RKC-D系列仪表的测量值，通过调用S7-300PLC的FB2、FB3发送和接收组织块，与RKC-D系列仪表的RS485通讯，设定值转换成ASCII码后，送至DB块中，通过调用FB2发送组织块，通过调用FB3接收组织块, 把测量值送至DB块中的ASCII码转换成十进制，即可完成设定值的发送和测量值接收。

3、PLC与上位机、SIEMENS HMI操作屏进行通讯

纺丝、卷绕部分的PLC通过总线与操作员站工控机PC通讯，上位机提供友好的人机操作界面。人机界面以简洁、清晰的风格组态各个操作画面，画面上准确明了地以图形方式表示出当前生产线设备工况，如停止、运行、速度和故障等信息并以不同颜色、图形和文字表示。通过界面上的操作，可对计量泵、牵引辊、导丝辊、喂入机及盛丝桶往复机的速度进行设定和修改；可对卷绕油济泵的速度进行设定和修改；牵引、喂入机系统设置中速和工艺速二档速度。实现系统的工艺参数设置、运行控制、工况显示、报警显示、运行和报警数据记录和查询、打印等功能。

六、结束语

通过PROFIBUS或Ethernet网使PLC与上位工业PC机、HMI操作屏进行通讯，通个PLC的PROFIBUS网对变频器和现场I/O及现场设备进行通讯，通过网络传送过程数据，这种基于现场总线的分布式控制系统(FCS) 减少了现场布线工作量和维护工作量、规范了软件程序的编制、同时系统具有易于扩展并对整个生产线的工艺参数进行集中管理的优点。总之，FCS在涤纶纺丝生产线中的应用降低了系统设计、制造、安装、维护的成本，并提高了系统的控制精度和系统的可靠性。该系统已成功应用在我公司的日产150吨大容量涤纶短纤纺丝生产线上。
   

参考文献

[1] SIMATIC S7-300 可编程序控制器模板规范成功应用
[2] SIMATIC STEP7 V5.2编程
[3] SIMATIC PROFIBUS-DP现场总线通讯
[4] KINGVIEW version 6.5 使用手册
[5] Protool/Pro runtime 用户指南
[6] Protool组态 图形显示 用户指南