一、前言 中糧屯河伊犁糖業(yè)有限公司是一家甜菜制糖企業(yè)，公司生產(chǎn)線上的關(guān)鍵工序都從德國(guó)引進(jìn)了世界上最先進(jìn)、自動(dòng)化程度最高的糖機(jī)設(shè)備。經(jīng)過(guò)幾年的使用、維護(hù)、維修、保養(yǎng)，我公司逐步掌握、消化并吸收的這些裝備的先進(jìn)技術(shù)性能，確保了公司日處理甜菜8000噸以上，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)居全國(guó)甜菜制糖行業(yè)首位的良好形勢(shì)。這些糖機(jī)設(shè)備都采用了西門子S7系列的PLC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，加之優(yōu)化的程序設(shè)計(jì)，強(qiáng)大的通訊功能，使其成為了制糖工業(yè)中單機(jī)自動(dòng)化的主控裝置。 [b] 二、西門子PLC簡(jiǎn)介[/b] 德國(guó)西門子公司是世界上研制PLC最早的少數(shù)幾個(gè)公司之一。歐洲第一臺(tái)PLC是由該公司在1973年研制成功的，1975年推出了SIMATIC S3系列PLC，1979年推出了SIMATIC S5系列，20世紀(jì)末又推出了SIMATIC S7系列的 PLC。 西門子公司目前最新的PLC產(chǎn)品是SIMATIC M7、C7和S7三個(gè)系列。M7系列PLC是嵌入式的高檔機(jī)，用于解決對(duì)時(shí)間要求非常高的的技術(shù)問(wèn)題，它既可作為CPU，也可以作為功能模塊使用，目前國(guó)內(nèi)引進(jìn)比較少；C7系列PLC往往在一個(gè)單元中集成一個(gè)PLC和一個(gè)控制操作面板（OP），由于PLC和OP同是SIMATIC系列產(chǎn)品，因此，C7控制系統(tǒng)的擴(kuò)展也很容易，并可簡(jiǎn)便的在SIMATIC自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行集成； S7系列又分為S7-200、S7-300、S7-400幾個(gè)子系列，分別為小型、中型和大型PLC，這個(gè)系列的PLC體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強(qiáng)，可靠性更高，因此，應(yīng)用最廣泛，遍布各行各業(yè)。 三、西門子S7系列PLC的性能及特點(diǎn) 西門子S7系列PLC更接近于現(xiàn)場(chǎng)要求：高可靠性，減少了中間接口，具有多中斷、現(xiàn)場(chǎng)總線口、集成電位器、定時(shí)器、 計(jì)數(shù)器、碼盤接口等高級(jí)成功能，以及強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能：RS232／485接口及多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)、遠(yuǎn)程I/O，還可以作為DCS的下位站和PC機(jī)的下位機(jī)。同時(shí)支持多種編程語(yǔ)言，多種編程環(huán)境和可配套的集成軟件。S7系列PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 西門子S7-200 PLC是小型化的PLC，它適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制等。S7-200 PLC的強(qiáng)大功能使其無(wú)論單機(jī)運(yùn)行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。它可提供4個(gè)不同的基本型號(hào)與8種CPU可供選擇使用，成為當(dāng)代各種小型控制工程的理想控制器，并且可以十分方便地組成不同規(guī)模的控制器。其控制規(guī)?？梢詮膸c(diǎn)到幾百點(diǎn)。S7-200PLC可以方便地組成PLC-PLC網(wǎng)絡(luò)和微機(jī)-PLC網(wǎng)絡(luò)，從而完成規(guī)模更大的工程。它的編程軟件：STEP7-Micro/WIN32。該編程軟件可以方便地在Windows環(huán)境下對(duì)PLC編程、調(diào)試、監(jiān)控。使得PLC的編程更加方便、快捷?？梢哉f(shuō)，S7-200也可以完美地滿足各種小規(guī)模控制系統(tǒng)的要求。 西門子S7-300是模塊化中小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合構(gòu)成不同要求的系統(tǒng)。與S7-200 PLC比較，S7-300 PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，具備高速（0.6～0.1μs）的指令運(yùn)算速度；用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算比較有效地實(shí)現(xiàn)了更為復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算；一個(gè)帶標(biāo)準(zhǔn)用戶接口的軟件工具方便用戶給所有模塊進(jìn)行參數(shù)賦值；方便的人機(jī)界面服務(wù)已經(jīng)集成在S7-300操作系統(tǒng)內(nèi)，人機(jī)對(duì)話的編程要求大大減少。SIMATIC人機(jī)界面（HMI）從S7-300中取得數(shù)據(jù)，S7-300按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。S7-300操作系統(tǒng)自動(dòng)地處理數(shù)據(jù)的傳送；CPU的智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯(cuò)誤和特殊系統(tǒng)事件（例如：超時(shí)，模塊更換，等等）；多級(jí)口令保護(hù)可以使用戶高度、有效地保護(hù)其技術(shù)機(jī)密，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改；S7-300 PLC設(shè)有操作方式選擇開關(guān)，操作方式選擇開關(guān)像鑰匙一樣可以拔出，當(dāng)鑰匙拔出時(shí)，就不能改變操作方式，這樣就可防止非法刪除或改寫用戶程序。具備強(qiáng)大的通信功能，S7-300 PLC可通過(guò)編程軟件Step 7的用戶界面提供通信組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡(jiǎn)單。S7-300 PLC具有多種不同的通信接口，并通過(guò)多種通信處理器來(lái)連接AS-I總線接口和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)；串行通信處理器用來(lái)連接點(diǎn)到點(diǎn)的通信系統(tǒng)；多點(diǎn)接口（MPI）集成在CPU中，用于同時(shí)連接編程器、PC機(jī)、人機(jī)界面系統(tǒng)及其他SIMATIC S7/M7/C7等自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 西門子S7-400 PLC是用于中、高檔性能范圍的可編程序控制器。它采用模塊化無(wú)風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，可靠耐用，同時(shí)可以選用多種級(jí)別（功能逐步升級(jí)）的CPU，并配有多種通用功能的模板，這使用戶能根據(jù)需要組合成不同的專用系統(tǒng)。當(dāng)控制系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大或升級(jí)時(shí)，只要適當(dāng)?shù)卦黾右恍┠０澹隳苁瓜到y(tǒng)升級(jí)和充分滿足需要。 四、西門子S7系列PLC在制糖工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用 制糖工業(yè)是高度機(jī)械化、連續(xù)化的現(xiàn)代化生產(chǎn)工業(yè)，它的生產(chǎn)品就是我們通常說(shuō)的食糖。它的生產(chǎn)過(guò)程幾乎包括了所有主要的化工單元，是具有綜合化工單元生產(chǎn)過(guò)程的食品生產(chǎn)企業(yè)，而它的生產(chǎn)規(guī)模卻是其它食品生產(chǎn)加工企業(yè)無(wú)法與之相比的，糖廠每天生產(chǎn)用的原料、材料以及產(chǎn)品與副產(chǎn)品都是以千噸計(jì)算的。 德國(guó)于1802年在庫(kù)內(nèi)恩建成了世界上第一座甜菜糖廠，并創(chuàng)建了甜菜制糖工業(yè)。經(jīng)過(guò)200多年的發(fā)展，隨著制糖工業(yè)的科技要求及工藝指標(biāo)要求越來(lái)越高，對(duì)制糖裝備的要求也越來(lái)越高。我國(guó)由于制糖工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，技術(shù)投入不足，使生產(chǎn)技術(shù)水平及裝備水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還有一定差距，特別是在規(guī)?；a(chǎn)、裝備開發(fā)和自動(dòng)化水平方面差距較大。 由于制糖工業(yè)的生產(chǎn)線跨距較長(zhǎng)，工序較多，控制點(diǎn)比較分散，但又是一個(gè)連續(xù)的，相互關(guān)聯(lián)的整體流水線，每個(gè)工序又有各自的特點(diǎn)，因此，目前小型S7200/300系列PLC的在這些工序的生產(chǎn)自動(dòng)化中應(yīng)用很多，并收到了非常好的效益。它的靈活、可靠、耐高溫、耐潮等特點(diǎn)正好適應(yīng)了部分工序的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。 我公司有一臺(tái)丹麥制造的DDS滲出器連續(xù)滲出器，使用了近20年，其儀表控制系統(tǒng)原件都已老化，并且無(wú)法購(gòu)買，該系統(tǒng)故障率高，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行。后我公司對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，選用S7-200PLC控制系統(tǒng)來(lái)控制油泵開度、工作壓力及回油壓力向四個(gè)液壓馬達(dá)供油，并保證四路馬達(dá)的同步轉(zhuǎn)速，及兩根攪攏的同步轉(zhuǎn)速，順序控制廢粕輪和連續(xù)滲出器的啟停。改造后的系統(tǒng)運(yùn)行正常，幾乎無(wú)故障停機(jī)，并且操作非常簡(jiǎn)便。 在碳酸法清凈工藝的預(yù)灰、主灰等工序里，S7-300PLC應(yīng)用到了比例加灰裝置中，其要求是在滲出汁加入石灰以調(diào)節(jié)糖汁的PH值。該系統(tǒng)配置了1個(gè)操作站，通過(guò)西門子MPI網(wǎng)連接，為以后網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展奠定基礎(chǔ)，下位與S7-300PLC相連，現(xiàn)場(chǎng)的液位、流量、PH值、閥門開度等模擬量信號(hào)和其它開關(guān)量信號(hào)通過(guò)模塊進(jìn)入S7-300PLC控制器內(nèi)運(yùn)算、比較后輸出控制加灰泵，達(dá)到調(diào)節(jié)PH值的目的。該系統(tǒng)的投入大大提高了加灰的效率，還減輕了勞動(dòng)力。在有些糖廠S7200/300系列PLC還應(yīng)用到了蒸發(fā)罐、結(jié)晶罐單臺(tái)及多臺(tái)同時(shí)控制系統(tǒng)中。而單臺(tái)自動(dòng)包裝秤的PLC控制已經(jīng)遍布各個(gè)加工廠了。 我公司自上世紀(jì)90年代末至今先后從德國(guó)PUTSCH公司引進(jìn)了用于切絲工序的TSM1800、TSM2200轉(zhuǎn)鼓切絲機(jī)，用于清凈工序的PKF140壓濾機(jī)、HKF80過(guò)濾機(jī)，從BMA公司引進(jìn)了用于分離工序的B1750間歇式分離機(jī)、K2300連續(xù)分離機(jī)，以及由西門子公司給我公司提供的結(jié)晶罐自動(dòng)煮糖系統(tǒng)。這些裝備的控制系統(tǒng)都是由西門子S7系列PLC組成的。 PUTSCH公司的TSM2200轉(zhuǎn)鼓切絲機(jī)是目前世界上最先進(jìn)，加工能力最大的切絲設(shè)備，它的最大加工能力是日處理甜菜10000噸。該設(shè)備控制系統(tǒng)由S7-300PLC控制器、三臺(tái)電機(jī)、兩臺(tái)變頻器、一個(gè)液壓系統(tǒng)、和一些按鈕、限位開關(guān)、指示燈等組成，完成主電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速、自動(dòng)定位更換刀框、自我保護(hù)等功能。它的控制點(diǎn)較多，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，下圖2是該設(shè)備S7-300PLC控制單元的系統(tǒng)配置圖。圖中CPU通過(guò)輸出模塊控制變頻器，再由變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，并給CPU提供相關(guān)信號(hào)。當(dāng)安全裝置或者硬件限位開關(guān)動(dòng)作后，變頻器都會(huì)停止驅(qū)動(dòng)電機(jī)。編碼器用來(lái)反饋位置、方向等信息給CPU，以便繼續(xù)執(zhí)行PLC內(nèi)固化的應(yīng)用程序，并達(dá)到自我保護(hù)的作用。 PG/PC用來(lái)組態(tài)CPU功能及參數(shù)，對(duì)CPU來(lái)說(shuō)，我們可以使用用戶程序直接執(zhí)行程序系統(tǒng)的功能模塊。TSM2200轉(zhuǎn)鼓切絲機(jī)自動(dòng)化程度高，故障率非常低，并有故障顯示。操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便。為我公司帶來(lái)了非常大的經(jīng)濟(jì)效益。 BMA公司的分離機(jī)廣泛用于食品、藥品等行業(yè)，國(guó)內(nèi)進(jìn)口的也非常多，種類也很多。它們的控制系統(tǒng)大多選用S7-300PLC控制器。在制糖行業(yè)中，大多選用的是該公司生產(chǎn)的G1250、B1750等型號(hào)的間歇式分離機(jī)和K2300、K2400等型號(hào)的連續(xù)分離機(jī)，分別用于一砂和二、三砂分離，它們的自動(dòng)化程度高，工作效率高。 B1750型分離機(jī)全過(guò)程由程序控制，工作過(guò)程中一般不需要人操作。它也采用了S7-300PLC控制器及OP17操作面板，能隨意監(jiān)查、修改工作過(guò)程中的各個(gè)技術(shù)參數(shù)，比如轉(zhuǎn)速、分離時(shí)間等參數(shù)，充分發(fā)揮設(shè)備能力，保證產(chǎn)品質(zhì)量，并有良好的安全保護(hù)設(shè)施。設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，它能顯示故障點(diǎn)及原因，并可儲(chǔ)存?zhèn)洳?；同時(shí)使用2臺(tái)以上設(shè)備時(shí)，當(dāng)一臺(tái)分離機(jī)在降速過(guò)程中，它可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，反饋補(bǔ)充給另一臺(tái)正在升速的分離機(jī)，起到穩(wěn)定電網(wǎng)，節(jié)約用電的作用。 結(jié)晶罐自動(dòng)化煮糖多年來(lái)一直是制糖行業(yè)研究的主要項(xiàng)目之一，煮糖煮的好壞直接影響成品糖的質(zhì)量。BMA公司、西門子公司及國(guó)內(nèi)一些廠家都研發(fā)了自己的自動(dòng)煮糖控制系統(tǒng)。下圖3是西門子公司為我公司提供的一套由S7-300控制器組成的自動(dòng)煮糖系統(tǒng)。 煮糖是用加熱蒸發(fā)水分，繼續(xù)濃縮糖漿的方法，使糖液達(dá)到一定的過(guò)飽和度而析出蔗糖晶體，并將其培養(yǎng)長(zhǎng)大到一定大小。它對(duì)管體內(nèi)的真空度、溫度、液位、錘度要求非常高，并且伴隨著很多化學(xué)反應(yīng)，糖煮的好壞直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。西門子公司為我公司設(shè)計(jì)的由S7-300控制器組成的自動(dòng)煮糖系統(tǒng)將過(guò)程分為了四個(gè)階段：入料蒸濃、起晶、養(yǎng)晶、最終濃縮。S7-300控制器通過(guò)錘度、液位的實(shí)時(shí)信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)罐內(nèi)的真空度、溫度、進(jìn)料量等參數(shù)，最終控制錘度、液位連續(xù)、逐步的升高，使糖漿達(dá)到一定的過(guò)飽和度析出完整的蔗糖晶體。該系統(tǒng)由于是自動(dòng)、連續(xù)又是實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此較人工煮糖時(shí)間縮短，效率大大提高，并且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。 五、未來(lái)展望 制糖工業(yè)未來(lái)的發(fā)展將朝著規(guī)?；?、過(guò)程自動(dòng)化控制、機(jī)械自動(dòng)化方的向發(fā)展。根據(jù)制糖生產(chǎn)線跨距較長(zhǎng)，工序較多，控制點(diǎn)比較分散的生產(chǎn)特點(diǎn)，其控制管理理念必將向著“分散控制，集中管理”模式發(fā)展。DCS系統(tǒng)、總線控制系統(tǒng)將會(huì)大量應(yīng)用到制糖工業(yè)中來(lái)。該系統(tǒng)基于PLC控制系統(tǒng)作為現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)控制器，著重強(qiáng)調(diào)整體的連續(xù)性、安全性的概念，主要特點(diǎn)為系統(tǒng)的離散性、靈活性、快速性和開放性。S7系列PLC的靈活、可靠、耐高溫、耐潮等特點(diǎn)適應(yīng)制糖工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，而它的體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能強(qiáng)，可靠性高等特點(diǎn)非常適應(yīng)DCS系統(tǒng)、總線控制系統(tǒng)。下圖4為西門子公司最新設(shè)計(jì)的用于甜菜制糖行業(yè)的DCS過(guò)程自動(dòng)化控制構(gòu)架圖。從圖中可以看出全過(guò)程分為甜菜預(yù)處理、滲出、清凈過(guò)濾、蒸發(fā)、結(jié)晶分離五個(gè)部分，整體分成了三級(jí)管理控制站，即S7200/300PLC控制站（操作員站）、工程師站和最終的管理員站（經(jīng)理人管理站），其中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，也是最主要的現(xiàn)場(chǎng)控制站還是由太網(wǎng)聯(lián)接的第三段S7200/300系統(tǒng)。