西门子自动化与驱动产品在不锈钢线材

1项目介绍

不锈钢是20世纪重要发明之一,具有强度高、耐蚀性强、耐热性好等诸多优点,因此在工业上广泛应用,石化工业、电子机械、医疗机械、住宅装饰等无处不用。但不锈钢在进行冶炼、热轧、热处理等的过程中,表面上会生成一层氧化皮,为生产加工带来困难。为了保障不锈钢表面的光洁度、光亮度和使用寿命,必须在拉拔、钝化、电镀等下道工序加工之前进行酸洗清除氧化皮。

国内典型不锈钢酸洗工艺,主要包括碱浸和酸洗两个体系,称为碱-酸复合酸洗:而国外不锈钢酸洗大多采用HN03/HF混酸酸洗,业内比较知名的几家企业分别是德国STEULER公司、日本五十铃公司、美国UVK公司、捷克EK0M0R公司以及德国HenKe1公司。其中德国STEULER公司不锈钢酸洗线特点尤为突出,除采用还原型碱浸与HN03/HF混酸酸洗工艺外,其三废处理设施也十分先进、齐全。该生产线特点:隧道式不锈钢酸洗生产线:全自动化立体仓库存储系统,全过程物料跟踪,自动化程度高:采用还原型碱浸,技术先进环保:酸洗技术先进,工艺稳定完善:废混酸采用酸过滤和酸再生系统,回收返回酸洗线循环利用:废水采用Ca(0H)2中和处理:氮氧化物废气采用先进的SCR脱氮系统处理,硫酸酸雾采用Na0H进行喷淋处理。

2工艺流程及厂内设备布局工序流程如图1所示。

厂内设备布局如图2所示。

3控制系统构成和产品应用特点

3.1西门子产品的配置

为保证整个控制系统的稳定性,在设计选型上沿用了我们一直信赖的西门子品牌产品。低压开关设备中,如VL160x系列塑壳断路器,提供柜内24VDC的S1T0PPSU100M40A调节型电源,开关设备如5SY4小型断路器、S1T0PPSE200U选择模块,保护设备如3RT2系列功率接触器,驱动单元采用SNAM1CSG120系列变频器等等。

通信方面,本系统采用的是西门子常用的工业以太网(SCALANCEx108,非管理型1E交换机)与PR0F1BUS相结合的方式,由于主控柜与远程站之间传输距离较远,还采用了SIMATIC S7诊断中继器(6ES7972-0AB01-0xA0),在线诊断PR0F1BUS电缆,确保通信稳定及可靠性。

整个系统由西门子公司生产的S7-300F系列PLC(CPU319F-3PN/DP)控制,远程站采用ET200S模块。人机界面系统采用西门子公司的"WinCC亚洲版",基于微软公司的视窗系统,并建立在两套完全独立的WinCC工作站上(冗余系统)。这两套工作站完全互相独立,当一套工作站出现故障无法操作时,所有关于生产线的操作均可由另一套工作站来完成。控制系统网络结构如图3所示。

3.2人机界面系统及操作系统

人机界面如图4所示,上层的"概览"窗口由两行连续按钮组成,它提供了整个工厂的概览,每个区域由"概览"窗口中的选择按钮表示,点击区域选择列表中的图片,可直接进入各个工作区域画面。

在工作区域中,包含了所有的运行工艺画面。区域中的图片是一个概览图,不同的过程画面可以通过概览窗口来选择。此外,可以通过点击指定槽罐的图片进入详细控制画面,例如点击槽罐PK21B01,画面跳转至该槽罐的详细控制画面,如图5所示。

4控制系统完成的主要功能

前面已经讲到,本项目设备的特点是自动化程度高、酸洗技术先进、工艺稳定完善,那么如何实现这些特点呢?除了西门子各硬件设备外,西门子在PLC的程序控制以及HMI的人性化操作等软设备上也提供了极大的帮助。

4.1工艺P1D调节及控制

HC1/HF/HNo3酸洗溶液的处理工艺,通俗地说,如加酸和排酸的计算控制,是依据一系列处理槽中的产量和不定时的酸液成分分析,由PLC控制系统进行酸洗操作中酸液的添加和排放:还有冲洗管路、循环管路中的液压控制,各槽罐中溶液温度的计算控制(不同的温度对金属线材表面的处理效果也会有差异)等等。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入/输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构加到被控系统上,控制系统的被控量经过传感器、变送器通过输入接口送到控制器。不同的控制系统,其传感器、变送器、执行机构是不一样的,比如压力控制系统要采用压力传感器,电加热控制系统的传感器是温度传感器。

过程控制的实现需要借助PID算法,那什么是PID控制呢?比例、积分、微分控制,简称"PID控制",又称"PID调节"。控制系统原理如图6所示。

PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成,其输入e(u)与输出.(u)的关系为:

其中,积分的上下限分别是0和u,因此它的传递函数为:

式中,Kp为比例系数:7i为积分时间常数:7d为微分时间常数。

PID算法控制看起来很复杂,但好在西门子公司提供了纯粹的PID软件控制产品,在编程设备中安装了"标准PID软件包"后,在STEP7编程软件库中将包含一个名称为"STDCoN(V5)"的软件包,它主要包括两个功能块"PID-CP"和"PID一ES",“PID一CP"即FB1功能块包括连续PID控制器的所有功能,主要用于产生连续控制信号或脉冲控制信号:“PID一ES"即FB2主要用于产生位式控制信号。每个标准功能块必须配置一个或几个背景数据块用于数据传递和功能参数分配。另外,为了能快速分配控制参数,并尽量减少编程错误,标准PID软件包还提供有图形界面化的参数配置工具。

标准PID控制软件包的适用范围非常广泛,它对于所控制的过程类形是没有限制的,无论是慢速过程(例如温度、液位控制过程)还是快速过程(例如流量、电机速度控制过程)都适用。在本程序中,PID功能模块如图7所示。

4.2编程软件

下面以酸洗线中PK21136罐中蒸汽调节为例,简单介绍使用STEP7中“PID一ES"即FB2模块的编程过程。

第1步,装载数据机构,向内部变量加载外部变量(图8)。

第2步,确认人机界面上的操作模式(图9)。

第3步,设定脉冲及中断时间,导入当前反馈数值以及各设定参数值(图10)。

第4步,调用PID调节模块,并填入相关变量(图11)。

当然,针对PID控制,在HMI中,我们做了比较详细的描述,如图12所示。

顶部的柱状图中,SV为设置值,这里是5.0bar(0.5MPa):PV是过程值,也是5.0bar(0.5MPa):MV则是PID控制器输出信号所代表的操纵值,这里是73.1%。中间一栏是操作模式的选择,操作方式可在手动和自动之间切换。手动模式下,“MV一MAN"中的数值将直接作为控制器“MV"的输出值:自动模式下,PID控制器是主动的,并试图控制过程值PV达到设定值SV。第三栏则用于调整PID控制器的时间常数和比例值,TI是积分时间常数,TD是微分时间常数,GAIN是比例因子。最后一栏是控制器的设定值,可以通过改变值来对调节值进行限制,如“Setpointupperlimit"是设置最大值上限,“Setpointlowerlimit"是设置最低值下限:相同地,控制器的输出信号(MV)也可以被限制,控制器不会给出更高或更低的值,因为它在这里被限制了。

5结语

在项目实际安装、调试过程中,西门子产品的灵活性、开放性,完善的技术文档,良好的技术支持,通达便利的客户服务网络,使现场调试时间得到了有力保障,大大缩减了项目成本,这为我们日后大批量地使用和推广西门子的产品奠定了良好的基础。