西門子自動化與驅(qū)動產(chǎn)品在不銹鋼線材

1項目介紹

不銹鋼是20世紀(jì)重要發(fā)明之一,具有強度高、耐蝕性強、耐熱性好等諸多優(yōu)點,因此在工業(yè)上廣泛應(yīng)用,石化工業(yè)、電子機械、醫(yī)療機械、住宅裝飾等無處不用。但不銹鋼在進(jìn)行冶煉、熱軋、熱處理等的過程中,表面上會生成一層氧化皮,為生產(chǎn)加工帶來困難。為了保障不銹鋼表面的光潔度、光亮度和使用壽命,必須在拉拔、鈍化、電鍍等下道工序加工之前進(jìn)行酸洗清除氧化皮。

國內(nèi)典型不銹鋼酸洗工藝,主要包括堿浸和酸洗兩個體系,稱為堿-酸復(fù)合酸洗:而國外不銹鋼酸洗大多采用HN03/HF混酸酸洗,業(yè)內(nèi)比較知名的幾家企業(yè)分別是德國STEULER公司、日本五十鈴公司、美國UVK公司、捷克EK0M0R公司以及德國HenKe1公司。其中德國STEULER公司不銹鋼酸洗線特點尤為突出,除采用還原型堿浸與HN03/HF混酸酸洗工藝外,其三廢處理設(shè)施也十分先進(jìn)、齊全。該生產(chǎn)線特點:隧道式不銹鋼酸洗生產(chǎn)線:全自動化立體倉庫存儲系統(tǒng),全過程物料跟蹤,自動化程度高:采用還原型堿浸,技術(shù)先進(jìn)環(huán)保:酸洗技術(shù)先進(jìn),工藝穩(wěn)定完善:廢混酸采用酸過濾和酸再生系統(tǒng),回收返回酸洗線循環(huán)利用:廢水采用Ca(0H)2中和處理:氮氧化物廢氣采用先進(jìn)的SCR脫氮系統(tǒng)處理,硫酸酸霧采用Na0H進(jìn)行噴淋處理。

2工藝流程及廠內(nèi)設(shè)備布局工序流程如圖1所示。

廠內(nèi)設(shè)備布局如圖2所示。

3控制系統(tǒng)構(gòu)成和產(chǎn)品應(yīng)用特點

3.1西門子產(chǎn)品的配置

為保證整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在設(shè)計選型上沿用了我們一直信賴的西門子品牌產(chǎn)品。低壓開關(guān)設(shè)備中,如VL160x系列塑殼斷路器,提供柜內(nèi)24VDC的S1T0PPSU100M40A調(diào)節(jié)型電源,開關(guān)設(shè)備如5SY4小型斷路器、S1T0PPSE200U選擇模塊,保護(hù)設(shè)備如3RT2系列功率接觸器,驅(qū)動單元采用SNAM1CSG120系列變頻器等等。

通信方面,本系統(tǒng)采用的是西門子常用的工業(yè)以太網(wǎng)(SCALANCEx108,非管理型1E交換機)與PR0F1BUS相結(jié)合的方式,由于主控柜與遠(yuǎn)程站之間傳輸距離較遠(yuǎn),還采用了SIMATIC S7診斷中繼器(6ES7972-0AB01-0xA0),在線診斷PR0F1BUS電纜,確保通信穩(wěn)定及可靠性。

整個系統(tǒng)由西門子公司生產(chǎn)的S7-300F系列PLC(CPU319F-3PN/DP)控制,遠(yuǎn)程站采用ET200S模塊。人機界面系統(tǒng)采用西門子公司的"WinCC亞洲版",基于微軟公司的視窗系統(tǒng),并建立在兩套完全獨立的WinCC工作站上(冗余系統(tǒng))。這兩套工作站完全互相獨立,當(dāng)一套工作站出現(xiàn)故障無法操作時,所有關(guān)于生產(chǎn)線的操作均可由另一套工作站來完成?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2人機界面系統(tǒng)及操作系統(tǒng)

人機界面如圖4所示,上層的"概覽"窗口由兩行連續(xù)按鈕組成,它提供了整個工廠的概覽,每個區(qū)域由"概覽"窗口中的選擇按鈕表示,點擊區(qū)域選擇列表中的圖片,可直接進(jìn)入各個工作區(qū)域畫面。

在工作區(qū)域中,包含了所有的運行工藝畫面。區(qū)域中的圖片是一個概覽圖,不同的過程畫面可以通過概覽窗口來選擇。此外,可以通過點擊指定槽罐的圖片進(jìn)入詳細(xì)控制畫面,例如點擊槽罐PK21B01,畫面跳轉(zhuǎn)至該槽罐的詳細(xì)控制畫面,如圖5所示。

4控制系統(tǒng)完成的主要功能

前面已經(jīng)講到,本項目設(shè)備的特點是自動化程度高、酸洗技術(shù)先進(jìn)、工藝穩(wěn)定完善,那么如何實現(xiàn)這些特點呢?除了西門子各硬件設(shè)備外,西門子在PLC的程序控制以及HMI的人性化操作等軟設(shè)備上也提供了極大的幫助。

4.1工藝P1D調(diào)節(jié)及控制

HC1/HF/HNo3酸洗溶液的處理工藝,通俗地說,如加酸和排酸的計算控制,是依據(jù)一系列處理槽中的產(chǎn)量和不定時的酸液成分分析,由PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行酸洗操作中酸液的添加和排放:還有沖洗管路、循環(huán)管路中的液壓控制,各槽罐中溶液溫度的計算控制(不同的溫度對金屬線材表面的處理效果也會有差異)等等。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)、輸入/輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構(gòu)加到被控系統(tǒng)上,控制系統(tǒng)的被控量經(jīng)過傳感器、變送器通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng),其傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)是不一樣的,比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器,電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。

過程控制的實現(xiàn)需要借助PID算法,那什么是PID控制呢?比例、積分、微分控制,簡稱"PID控制",又稱"PID調(diào)節(jié)"。控制系統(tǒng)原理如圖6所示。

PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成,其輸入e(u)與輸出.(u)的關(guān)系為:

其中,積分的上下限分別是0和u,因此它的傳遞函數(shù)為:

式中,Kp為比例系數(shù):7i為積分時間常數(shù):7d為微分時間常數(shù)。

PID算法控制看起來很復(fù)雜,但好在西門子公司提供了純粹的PID軟件控制產(chǎn)品,在編程設(shè)備中安裝了"標(biāo)準(zhǔn)PID軟件包"后,在STEP7編程軟件庫中將包含一個名稱為"STDCoN(V5)"的軟件包,它主要包括兩個功能塊"PID-CP"和"PID一ES",“PID一CP"即FB1功能塊包括連續(xù)PID控制器的所有功能,主要用于產(chǎn)生連續(xù)控制信號或脈沖控制信號:“PID一ES"即FB2主要用于產(chǎn)生位式控制信號。每個標(biāo)準(zhǔn)功能塊必須配置一個或幾個背景數(shù)據(jù)塊用于數(shù)據(jù)傳遞和功能參數(shù)分配。另外,為了能快速分配控制參數(shù),并盡量減少編程錯誤,標(biāo)準(zhǔn)PID軟件包還提供有圖形界面化的參數(shù)配置工具。

標(biāo)準(zhǔn)PID控制軟件包的適用范圍非常廣泛,它對于所控制的過程類形是沒有限制的,無論是慢速過程(例如溫度、液位控制過程)還是快速過程(例如流量、電機速度控制過程)都適用。在本程序中,PID功能模塊如圖7所示。

4.2編程軟件

下面以酸洗線中PK21136罐中蒸汽調(diào)節(jié)為例,簡單介紹使用STEP7中“PID一ES"即FB2模塊的編程過程。

第1步,裝載數(shù)據(jù)機構(gòu),向內(nèi)部變量加載外部變量(圖8)。

第2步,確認(rèn)人機界面上的操作模式(圖9)。

第3步,設(shè)定脈沖及中斷時間,導(dǎo)入當(dāng)前反饋數(shù)值以及各設(shè)定參數(shù)值(圖10)。

第4步,調(diào)用PID調(diào)節(jié)模塊,并填入相關(guān)變量(圖11)。

當(dāng)然,針對PID控制,在HMI中,我們做了比較詳細(xì)的描述,如圖12所示。

頂部的柱狀圖中,SV為設(shè)置值,這里是5.0bar(0.5MPa):PV是過程值,也是5.0bar(0.5MPa):MV則是PID控制器輸出信號所代表的操縱值,這里是73.1%。中間一欄是操作模式的選擇,操作方式可在手動和自動之間切換。手動模式下,“MV一MAN"中的數(shù)值將直接作為控制器“MV"的輸出值:自動模式下,PID控制器是主動的,并試圖控制過程值PV達(dá)到設(shè)定值SV。第三欄則用于調(diào)整PID控制器的時間常數(shù)和比例值,TI是積分時間常數(shù),TD是微分時間常數(shù),GAIN是比例因子。最后一欄是控制器的設(shè)定值,可以通過改變值來對調(diào)節(jié)值進(jìn)行限制,如“Setpointupperlimit"是設(shè)置最大值上限,“Setpointlowerlimit"是設(shè)置最低值下限:相同地,控制器的輸出信號(MV)也可以被限制,控制器不會給出更高或更低的值,因為它在這里被限制了。

5結(jié)語

在項目實際安裝、調(diào)試過程中,西門子產(chǎn)品的靈活性、開放性,完善的技術(shù)文檔,良好的技術(shù)支持,通達(dá)便利的客戶服務(wù)網(wǎng)絡(luò),使現(xiàn)場調(diào)試時間得到了有力保障,大大縮減了項目成本,這為我們?nèi)蘸蟠笈康厥褂煤屯茝V西門子的產(chǎn)品奠定了良好的基礎(chǔ)。