基于WinCC及S7_300的糖浆上浮自动控制系统

收稿日期 2017 05 24 修回日期 2017 08 09 基金项目 广东省科学院科研平台环境与能力建设专项资金项目 2016GDASPT 0208 作者简介 徐宁 1984 男 工程师 主要从事自动控制的研究工作 E mail uglyxu 通讯作者 陈骏佳 男 教授级高级工程师 主要从事制糖工程研究工作 E mail gzcsircjj 引文格式 徐宁 叶权圣 陈骏佳 等 基于 WinCC 及 S7 300 的糖浆上浮自动控制系统 J 甘蔗糖业 2017 4 46 49 甘蔗糖业甘蔗糖业 2017 年第 4 期 2017 年 8 月 Sugarcane and Canesugar No 4 Aug 2017 基于 WinCC 及 S7 300 的糖浆上浮自动控制系统 徐 宁 叶权圣 陈骏佳 秦健南 陈建斌 广东省生物工程研究所 广州甘蔗糖业研究所 广东省甘蔗改良与生物炼制重点实验室 广东广州 510316 摘 要 针对甘蔗糖厂糖浆上浮工序 基于西门子 WinCC V7 0 及 S7 300 系列 PLC 设计了甘蔗糖浆 上浮自动控制系统 该系统能够实现糖浆上浮工段主要工艺指标的自动控制 糖浆泵 助剂泵 制泡机 拨渣机均使用西门子 MM420 430 系列变频器进行控制 变频器通过 Profibus DP 总线同 S7 300 PLC 通 讯 该系统软硬件结构设计科学合理 极大地提高糖浆上浮过程效率及自动化水平 关键词 糖浆上浮 自动控制 上位机组态 中图分类号 TS243 8 文献标识码 B 文章编号 1005 9695 2017 04 0046 04 Flotation Automatic Control System Based on WinCC and S7 300 XU Ning YE Quan sheng CHEN Jun jia QIN Jian nan CHEN Jian bin Guangdong Provincial Bioengineering Institute Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute Guangdong Key Lab of Sugarcane Improvement Automatic control WinCC 0 前言 糖浆上浮装置是甘蔗糖厂的重要装置 其作为 澄清把关工序 可以弥补澄清工序的不足 1 糖浆 上浮处理技术是通过稳定糖浆流量来自动控制糖浆 加热温度 制泡和药品添加 利用少量糖浆制泡后 和未制泡的糖浆混和进入上浮器进行上浮清净处理 的过程 混合糖浆经过加热器加热后 少部分糖浆 经过制泡机产生大量的微气泡和超微气泡 与大部 分糖浆并入反应箱 与磷酸和糖化钙进行反应 形 成磷酸钙颗粒吸附糖浆中的色素胶体以及非糖分 然后与絮凝剂结合 通过絮凝剂的网络作用将磷酸 钙吸附后形成的团块和气泡网络一起并在气泡上浮 动力的作用下往上浮升 达到脱色 提纯和分离目 的 降低白糖的 SO2残留量 色值 浊度和提高纯 度等 使白糖产品质量大大提高 1 糖浆上浮自动控制系统 糖浆上浮处理取得良好效果的关键点主要是控 制流量 温度 药品的稳定 这几个关键因素可以 通过一套自动控制系统来实现该几个要素的稳定 基于西门子 Wincc V7 0 及 S7 300 系列 PLC 设计了 糖浆上浮自动控制系统 2 配备一台操作站 工程师 站充当 HMI S7 300 系列 PLC I O 模块 电源模 徐 宁等 基于 WinCC 及 S7 300 的糖浆上浮自动控制系统 47 块组成控制站 现场仪表主要有热电阻 压力变送 器 液位变送器 气动调节阀 电磁流量计及变频 器 系统结构如图 1 所示 I O 表如表 1 所示 主要 采用的现场仪表见表 2 该系统中 操作站 工程师站通过以太网同 S7 300 通讯 S7 300 通过 Profibus DP 总线挂载一 个 I O 子站及 9 台西门子 MM420 MM430 系列变频 器 通过总线进行变频器频率给定 以及获得变频 器包含实际频率 电流 状态等数据 相比普通的 通讯方式 总线方式更加稳定可靠 获得的数据更 加丰富 极大方便用户了解设备运行状态 诊断 维护等信息 图 1 系统网络结构图 系统主要有 5 个控制回路 分别是糖浆流量 糖浆加热温度 絮凝剂流量 糖化钙流量 磷酸流 量控制 系统中共有 3 台制泡机 采用一拖一的方 式总共配备 3 台 MM420 变频器 可通过系统 HMI 对制泡机变频器进行启停 频率更改等操作 同时 获得变频器实际频率 电流 状态等信号 系统中 有 1 台拨渣机 采用一拖一的方式配备 1 台 MM420 变频器 其具备手动 自动模式 自动模式下可设 置变频器启动默认频率 运行时长 启停间隔等 1 1 液位 流量均匀控制 糖浆流量控制通过 2 台 55 kW 西门子 MM430 变频器进行控制 采用一拖一的方式控制 2 台糖浆 泵 MM430 变频器同 S7 300 PLC 通讯采用的是 Profibus DP 总线 糖浆流量控制回路耦合了糖浆箱 液位 组成液位 流量均匀控制回路 以糖浆流量稳 定为主要目标 当糖浆箱液位处于正常高度区间内 时 糖浆流量按照正常给定值进行自动控制 当糖 浆箱液位处于过高或者过低液位时 为保证生产过 程安全 稳定地运行 将糖浆流量给定值调高或调 低 该过程主要通过变频器调节粗糖浆泵速度实现 控制稳定 为了更好地预防糖浆箱液位出现极端情 况 设置了液位 HH 液位 H 液位 L 液位 LL 共 4 个档位进行糖浆流量给定值调整 液位 流量均匀 控制回路图如图 2 所示 表 1 控制系统 I O 汇总表 I O AI 标准信号 AI 热电阻 RTD AO DI DO 数量 6 4 1 57 20 系统配置 16 8 8 64 32 系统 I O 余量 10 4 7 7 12 I O 余量 62 50 87 11 37 甘蔗糖业 2017 年第 4 期 Sugarcane and Canesugar 48 表 2 现场仪器仪表清单 序号 位号 仪表类型 名称 序号 位号 仪表类型 名称 1 TT 101 热电阻 RTD 糖浆加热后温度11 TV 101 调节阀 糖浆温度调节阀 2 TT 102 热电阻 RTD 清糖浆温度 12 VF 101 变频器 糖浆泵 1 变频器 3 TT 103 热电阻 RTD 糖浆加热前温度13 VF 102 变频器 糖浆泵 2 变频器 4 TT 104 热电阻 RTD 加热蒸汽温度 14 VF 103 变频器 1 制泡机变频器 5 PT 101 压力变送器 加热蒸汽压力 15 VF 104 变频器 2 制泡机变频器 6 LT 101 液位变送器 絮凝剂液位 16 VF 105 变频器 3 制泡机变频器 7 LT 102 液位变送器 磷酸液位 17 VF 106 变频器 拨渣机变频器 8 LT 103 液位变送器 糖化钙液位 18 VF 107 变频器 糖化钙变频器 9 LT 104 液位变送器 糖浆箱液位 19 VF 108 变频器 絮凝剂变频器 10 FT 101 流量计 糖浆流量 20 VF 109 变频器 磷酸变频器 图 2 液位 流量均匀控制回路 1 2 糖浆加热控制 糖浆通过加热器将温度加热至 75 85 加热 后糖浆温度的稳定是糖浆上浮过程一个很重要的环 节 糖浆加热控制回路图如 3 所示 糖浆加热控制 的执行机构为一个气动调节阀 通过其控制加热蒸 汽进而控制加热后糖浆的温度 蒸汽加热过程为非 线性的大滞后过程 为此采用模糊控制算法进行温 度控制 1 3 助剂配比控制 磷酸 絮凝剂 糖化钙配比自动控制是典型的 单闭环比值控制系统 其控制回路如图 4 所示 助 剂泵均采用定量泵 其流量可通过变频器实际频率 及冲程计算得来 图 3 糖浆加热控制回路 图 4 助剂配备控制回路 徐 宁等 基于 WinCC 及 S7 300 的糖浆上浮自动控制系统 49 2 系统功能 系统界面如图 5 所示 系统具有的功能主要有 实时显示 控制各种工艺参数 糖浆流量 糖浆加热 后温度 助剂配比 糖浆箱液位等 能实时显示 监控各设备的工作状况 例如调节阀的开度 变频器 的电流 频率 状态等 搅拌机运行状态等 能实 时显示和处理报警 各工艺参数及设备状态实时报 警 并可进行报警确认及历史查询 能查询各个工 艺指标的实时及历史趋势曲线 能查询 打印系统 报表等 此外 还具备基本的用户管理 帮助等功 能 该系统将应用于埃塞俄比亚瓦尔凯特糖厂 为 此系统还提供了语言切换功能 中英 图 5 系统界面 3 结语 针对甘蔗糖厂糖浆上浮工序的工艺要求 基于 西门子 Wincc 及 S7 300 系列 PLC 设计了糖浆上浮 自动控制系统 该系统实现了糖浆上浮过程主要工 艺参数的自动控制 所有设备的操作可全部通过系 统 HMI 进行 系统所配备的 9 台变频器均通过 Profibus DP 总线同 S7 300 PLC 通讯 相比常规