基于PLC和WINCC平台的泡沫混凝土保温板砂浆设备自动监控系统设计

【摘要】 泡沫混凝土保温板的需求日渐增加，原始的搅拌机和人工配料已经无法满足现在市场要求。大批量、高水准生产刻不容缓，这样的生产条件必须依靠一套安全、精准、稳定、反应速度快的系统和设备。目前，国内市场上很多的厂家依然依靠的是半自动化的生产设备，原始搅拌机、人工配料，从而导致大量的产品不合格，同时降低企业的生产效率，而且很容易出现遗漏的次品流向市场，导致企业的信誉度降低。因此全自动化泡沫混凝土保温板砂浆设备的诞生不仅满足了市场大批量需求而且满足车间内操作人员安全、全程监控、操作简单的要求。整个生产过程无需人力到现场参与，提高产品的质量和一致性，适合目前市场的大批量生产，降低企业的生产成本，提高企业的效益。本文对泡沫混凝土保温板砂浆设备的自动监控系统中软硬件的背景、国内外发展过程和研究状况进行系统的介绍和分析。针对目前控制要求设计出此监控系统，主要包含：PLC与驱动装置之间的控制实现和WinCC与PLC之间的通信控制实现。论文中对变频器本地驱动电机和PLC远程驱动电机技术进行了简单介绍，详细描述PLC通过PROFIBUS-DP通信协议控制现场变频器技术。而且，对上位机与下位机的工业以太网控制实现和生产注意事项进行详细介绍，并对如何操作OPC通信协议进行描述。生产过程中，通过上位机WinCC对下位机PLC的数字量和模拟量进行修改，从而达到现场最大程度的精准控制和安全生产。利用此系统可以完全在控制室进行实时监控和操作，设计中我们采用西门子的PLC、WinCC和ABB的变频器，目前系统运行安全且稳定，同时操作数据量小，处理速度极快。为了更好的满足市场需求，在日后的生产上难免会增加特殊的点位，从而必须增加控制器的处理速度和控制能力，本文只是对现阶段的控制需求进行满足式设计，本文在最后还对集散控制系统（DCS）进行简单的探讨。

第1 章 绪论 

1.1  课题研究的背景和意义 

1.1.1  课题的研究背景 

近年来全国各大城市以及县城乡镇都普遍进行大规模住房大楼改建，这些住房大部分楼层较高、跨度较大，无论在导热系数方面、防水防火、强度以及环保等方面要求都较高，像以前那些水泥混凝土生产的普通建筑材料都因无法满足现在建筑市场的要求已经渐渐突出舞台，同时普通建筑材料，因防水防火性较差、隔音降噪能力过低、释放有毒气体过高等特点给社会群众带来了较大的麻烦。从而应运而生地诞生了泡沫混凝土保温板，又称发泡混凝土保温板、无机防火水泥发泡保温板。该产品在是一种高性能无机保温材料，它是一种多孔轻质高性能文物级板材，是由多种无机胶凝材料与改性剂、发泡剂等添加剂经搅拌、养护、切割等环节设备生产制成的一种导热系数低、保温隔热性能好、耐高温、耐老化、A1级不燃的无机保温材料，已经广泛应用于建筑外墙保温。 

产品的需求使得企业不得不放弃原始的生产设备，将目光投向自动化。因为在生产过程中靠操作人员人为的进行操作，使得生产效率大打折扣。同样靠人工添料往往会导致产品不合格，加大产品报废率，增加生产成本，降低企业信誉度。企业最看重的无非是产品的合格率和生产效率，所以老板们都期望拥有一台自动化的设备，可以安全、稳定、精准地进行生产。因此，本文基于 WINCC 和 PLC的自动控制系统可以完全满足实现所需的控制要求，可以实时地进行监控和操作现场设备，操作人员可以根据现场需求实时地进行参数修改或点点动作，大大提高企业生产效益和产品质量。 

1.1.2  课题的研究意义 

目前，国内绝大部分企业生产车间内仍然采用原始的搅拌机进行发泡搅拌，这样不但提高了生产成本、降低了生产质量、提高了产品的报废率，而且给操作人员的人身健康带来了极大的危害。利用高新的自动化知识和设备可以高效地进行产品生产，可以实现生产整个过程的实时监控和操作。因此，实现生产全自动化，对提高企业的文化和竞争力都极其重要。其具体意义如下： 

(1)  提高生产效率，降低生产成本。在生产过程中，无需操作人员参与，全自动化的生产过程，在PLC、WINCC的控制下按照预定的设计安全、稳定、快速的进行，时可以不间断地生产，提高生产效率。并且可以降低人员成本，保证操作人员的身心健康。因此自动控制系统在目前的生产要求下是不可缺少的； 

1.2  国内外研究现状和水平 

就砂浆设备来说，目前国内知名生产厂家有：科拉斯的 KB-6“宝玉兰”，北京杰瑞的慧科Ⅱ--10 型，等。国内对于砂浆设备自动化研究起步较晚，但像北京杰瑞慧科和科拉斯等生产厂商，他们虚心地从国外引进先进技术，不断提升自己，并独立创新，不断不缺国内自动化砂浆设备的不足。国内北京杰瑞的慧科Ⅱ--10，具有独立产权，已经投入量产，填补了国内发泡保温板砂浆自动化设备的空白。但目前还没有在国内见过有关开拓创新出新型设备打破国外设计理念的报道。 

在控制自动化理念发面，国内大部分生产厂家依旧采用原始搅拌机进行原料搅拌，而且人工加料、人工称料。大部分厂家对自动控制的理念还很模糊，没有将全自动化的设备加到生产流程中的想法。对工业自动化没有相应的理解，变频器控制电机，进行正反转等的设计目前已经走进大部分工厂，但运用可编程控制器PLC和上位机操作组态 WinCC，它们的默契配合对于大多数的人来说还是很陌生的，更别说这几年才走进国内人视线的集散控制系统（DCS）。通过对上位机画面中参数的修改，来改变相应参数，从而输出控制现场阀门或电机等设备。这种控制理念给企业带来的效益，对于大多数企业来说还是很模糊的。 

目前国外先进的砂浆设备生产厂家均采用自上而下的工艺布局，将所有原料运送到配料罐顶，依靠原料自身的重量从原料罐中流出，经称量、配料、混合、包装等工序，成为最终产品。生产全过程是在计算机控制系统的操作和监控条件下完成的，操作人员无需到达现场，只需根据工艺要求对相关参数进行相应修改和对一些阀门、电机等进行相关动作即可。大大提高了生产效率和生产安全性。 

第2 章 可编程控制器的应用 

2.1  可编程控制器概述 

2.1.1  可编程控制器的定义及特点 

可编程序控制器（PLC）是一种专门为了工业自动化服务而设计，运用数字运算进行操作的电子装置。其内部存储器有可修改可编程的特点，方便用户依据自己生产工艺要求再修改程序，该存储器可以包含一些常规和复杂指令。可以根据工艺要求通过数字量和模拟量信号对控制器进行输入和输出，从而控制现场的设备，达到预计的控制要求。 

可编程序控制器（PLC）因其为了服务于现在工业制造需求而出现，所以PLC的特点就应该具有易于让企业和员工接受等。具体特点如下： 

(1)程序编程简单容易理解 

可编程序控制器在目前工厂生产中，主要的编程语言为梯形图，在编程中用到的大部分符号和逻辑表达和日常的电气逻辑图相似，编程完的程序形象直观，有电气基础的操作人员只需花费几天时间就可以熟悉。 

(2)可靠性高，抗干扰能力强 

在以往的控制系统中，运用大量的继电器、接触器，这些元件都会因为各种原因造成触电不良，导致系统出现故障，还难于查出坏点。而 PLC 将大量的继电器等用软件来代替，大大提高了系统的可靠性。同时 PLC 无论在硬件还是软件上做了大量的抗干扰措施，使得可以直接运用在干扰比较严重的生产现场。 

(3)功能丰富，性价比高 

PLC 编程软件里含有丰富的编程元件可更用户选择，用户可以根据现场的控制要求来编程，可以实现很复杂的控制功能。而如果用继电器等来实现相同的控制系统，造价会高很多，所以性价比也很高。 

(4)体积小，能耗低 

一台PLC 只有几个继电器的大小，但在一个复杂的控制系统中，一台PLC可以取代很多继电器，从而减小控制柜的体积，同样减少系统的配线，系统的能耗也随之降低。 

(5)维修方便，工作量小 

PLC 在日常生产中的故障率是很小的，即使出现了故障，维修人员可以根据PLC 上的二极管指示和编辑器中的故障指示迅速的找到故障原因，所以 PLC 的日常故障维修很方便。 

2.1.2  可编程控制器的构成及原理 

PLC 的组成主要为 CPU 模块、输入模块、输出模块和编称装置四大模块组成。如图2.1所示 

从图中可以看出，CPU 模块为整个控制器的重要部位，相当于人的大脑和心脏。CPU 模块在工作时，不断地刷新采集输入输出信号，同时执行存储器内部的程序。I/O模块作为控制器的输入输出，相当于人类的眼睛、耳朵、手、脚，可以将现场的信号传入CPU模块进行处理，并依据CPU的指令控制现场的设备。而编程装置主要是进行设计和修改用户程序，并且可以根据编程装置上的提示快速地查处故障。 

2.2 可编程控制器的通信网络与通信协议 

PLC 与计算机之间可以直接或间接通过一些通信处理器等相连接构成一个网络系统，可以实现信息之间的交换，满足工业生产和发展需求。各个智能设备按照工艺要求放置在现场，形成一个现场分散控制网络，然后通过网络连接起来统一进入控制器进行处理，形成集中管理的分布式网络系统。 

2.2.1  可编程控制器的通信网络 

可编程控制器的通信网络采用统一集成通信技术，从公司管理级到现场控制级，通信标准为国际通用的开放的，确保现场实时数据的准确、统一、及时，通信网络主要分为：工业以太网、PROFINET、PROFIBUS、AS-i 等。开放系统互连模型（OSI）由国际标准化组织（ISO）提出，作为目前国际上通信网络的参考标准，模型包括 7个层次，见图2.5。 

工业以太网位于SIMATIC NET的顶层，它是基于国际标准IEEE 802.3的开放式网络。网络可包含 1024 个站，电器网络传输距离可达 1.5km，光纤网络的传输距离甚至远达 200km。PROFINET 是基于工业以太网的现场总线国际标准，实时通信响应时间仅需10ms，PROFINET的同步实时功能常用于一些高性能的同步运动控制，其响应时间小于 1ms，而抖动时间小于1μs，西门子的工业以太网还采用了新的技术。 

(1) 全双工方式 

(2) 交换技术 

(3) 自适应，可以自动识别信号传输速率 

同时西门子通信网络的中间层为工业现场总线 PROFIBUS，工业现场总线是用于车间级和现场级的国际标准，传输速率最高为12Mbit/s，响应时间为1ms，使用屏蔽双绞线电缆时最长可达 9.6km，光缆最长可达 90km，整个网络最多可以包含 127 个站。PROFIBUS 提供三种通信协议：分布式外部设备(PROFIBUS-DP)、过程自动化（PROFIBUS-PA）、现场总线报文规范（PROFIBUS-FMS）。PROFIBUS-FMS 是处理单元级的多主站数据通信，但目前已经很少被采用，基本上被以太网取代。而 PROFIBUS-DP 的应用很广泛，特别适用于完成 PLC 与现场级分布式 I/O 设备之间的通信。S7-200 就是通过 PROFIBUS-DP 扩展从站模块EM277 连接到网络中。PROFIBUS-PA 主要用于现场过程自动化的传感器与执行器的低速数据传输，它采用屏蔽双绞线电缆。 

第3 章 变频器技术............ 21 

3.1 变频器的概述 ............21 

3.1.1 变频器的定义与特点..............21 

3.1.2 变频器的结构及原理...................22 

3.1.3 变频器的应用.............. 24 

3.2 变频器的控制方式.......... 25 

3.2.1 基于U/f控制变频器.............. 26 

3.2.2 转差频率控制变频器........... 27 

3.2.3 矢量控制变频器............... 27 

3.2.4 直接转矩控制变频器........... 28 

第4 章 WinCC 组态的应用.............. 37 

4.1 组态软件的概述 ................. 37 

4.1.1 组态软件的定义与特点........... 37 

4.1.2 组态软件的构成与组态方式................ 38 

4.1.3 组态软件的发展方向............ 40 

第5 章 总结与展望 .............. 57 

5.1 总结 .................. 57 

5.1.1 设计主要研究内容........... 57 

5.1.2 系统优势............. 57 

5.1.3 实践心得.............. 58 

5.2 展望................... 59 

第4 章 WinCC 组态的应用 

目前，生产企业居中调度人员需要根据现场的实时参数值，做出相应的控制指令，无论从产品质量要求上，还是在生产效率上，都需要一个体现现场所需点位数值显示的监控平台，可以供中控人员进行实时监控和控制现场设备。拥有这样的平台，不但可以监控生产线上的生产情况，一些现场参数，比如压力、温度、阀门开度等，又简化了现场操作人员的劳动量，排除了因为人为原因造成的生产事故，同时根据组态可以记录相关生产数据，在一些情况下可以根据参数的记录曲线图可以判断出问题工艺条件，并系统设有相关报警界面、趋势图界面、数据报表功能、数据一览画面等功能。生产时运用组态软件进行监控可以提高企业的自动化程度和生产效率，全自动化生产线，必须拥有全程监控系统，不但可以全程自动控制，而且可以全程监控生产情况的系统是目前自动化生产技术发展的趋势。 

4.1  组态软件的概述 

4.1.1  组态软件的定义与特点 

在现在工控行业，组态经常被企业和设计人员提到。组态在监控系统中作为指挥中心，操作人员可以根据现场应用对象和工艺控制要求，来进行操作对象的定义、制作和编辑以及属性的设定，从而完成现场生产的监控。组态软件对计算机和软件的各种资源进行配置，实现通过软件可以自动执行预定任务，满足各种生产要求的目的。组态软件主要可以分为两类：人机界面HMI 和控制与数据采集SCADA。 

在工业生产控制中，组态一般不进行程序编写，主要是进行参数设置、图形化编程、文件生成等，并通过相关协议与下位机进行通信。利用组态进行生产工控，给生产带来了很大效益。 

组态软件具有很多特点： 

(1)  开放性 

组态软件大量使用OPC、DDE、ActiveX等控件。在设计中，用户可以根据自己的需求，进行针对性地二次开发，可以运用相关开发语言编写生成自己的应用程序模块，方便自己的使用。 

(2)  封装性 

软件中，大部分的命令等功能，都做好了封装，用户无需再进行一些编程，只需进行一些简单的连接就可以完成一些复杂的控制要求，所以用户可以很容易的入手。 

(3)  通用性 

生产中，利用现场的 PLC、智能仪表、变频器等通用组态软件提供的底层设备的数据库和界面编辑工具，就可以完成一项具有动画特性、实时监控、记录数据等功能的工程，制作出来的工程可以放在任何行业运用，不会受行业的限制。 

(4)  方便性 

组态软件为了方便使用者，自己内部的一些程序都是不需要设计人员进行开发修改的，我们只需要根据现场控制要求进行参数设置、图形化编程、文件生成等。组态软件为使用者主要解决的是数据之间的交换、现场点位与组态中的关联、处理报警信息、记录历史数据等经常用到的需求。自动化工程设计人员在进行组态工作时，工作量会减轻很多，所以运用起来十分方便。 

第5 章 总结与展望 

5.1  总结 

本论文主要是以现在建筑行业，发泡保温板砂浆设备自动监控系统为研究对象。介绍了一种以西门子 WinCC 组态软件为监控平台，S7-200作为下位机控制器和ABB变频器作为现场电动机驱动器的自动监控系统。针对设计内容，主要是研究上位机监控系统的软件的设计和应用原理。 

5.1.1  设计主要研究内容 

本论文的主要研究内容如下： 

(1)  介绍了发泡保温板在现在生产中的流程，和生产时候的注意事项，水温的控制等相关注意事项。 

(2)  西门子 PLC 的相关理论性的知识介绍，并对 PLC 的一些扩展模块进行介绍，现在生产过程中，模拟量信号的接受处理等功能的完成，和组态系统之间的通信连接，包括和变频器的通信设置进行详细介绍。对 PLC 支持的通信网络和通信协议进行介绍。最后针对此项目，PLC 在项目中的实际体现进行了程序介绍，和相关注释分析。 

(3)  介绍了变频器的相关理论知识，对变频器的内部构造，结构原理进行解说，针对变频器的控制，分别描述交-直-交变频器和其他种类的变频器的结构原理和控制适应场合进行介绍，并针对现在企业要求，变频器带来的节能效果进行实例解说。对变频器的控制进行分别介绍，变频器和 PLC 直接的控制进行了详细描述。最后针对此项目，变频器在现场的实际运用情况进行介绍。 

(4)  介绍了组态软件的相关知识，其中针对此系统中运用的 WinCC 进行详细描述，对创建 WinCC 项目的步骤和注意事项进行仔细描述，并对组态如何与PLC进行通信搭建进行了简单的介绍。并针对设计的项目，组态的创建进行了简单的创建步骤介绍，并在最后介绍了浙大中控的 ECS-100 系统，介绍了两个系统之间的区别和利弊。最后对项目实际组态系统进行解说。 

5.1.2  系统优势 

此系统的投入使用给企业带来了很大的改善，企业领导对设计的系统和整个设备很认可，并希望可以将设备和系统再继续完善。车间中的操作人员，进入车间看到有大型全自动化设备，都很兴奋，看到车间中越来越干净，而且生产效率越来越快，同时他们也不用那么劳累，对我们设计的系统都很敬佩，希望可以进一步接触、了解此系统。系统带来的效益很大，具体体现在下面几点： 

(1)  环保，不会给车间带来太大的粉尘污染，给工人的身体健康带来了一定的保障。生产设备采用几乎全封闭的安装方式，整个生产流程很少有粉尘泄露，不会将生产原料释放到生产车间中，生产环境可以得到很大的改善，操作人员机会可以在车间中不戴口罩。 

(2)  节约成本，原先使用的原始搅拌机，加料都是凭借操作人员进行手工执行，再熟练的操作工都无法做到没有浪费，而本系统的设备，属于全自动化控制，称料、加料、搅拌、切割等操作程序都是按照标准的计量仪器进行的，所以可以将浪费降到最低； 

(3)  产品质量高，因为整个生产工艺都是在机器的监控下进行的，没有操作人员参与，所有动作都是按照程序设计完成，成品的一致性得到很大的提高，合格率很高，大大提高了企业的效益。  

(4)  效率高，此系统的投用，明显能够感觉到生产效率得到了很大提高，机器可以全天24小时进行工作，而且不会出现人工带来的误操作，投产之后的产品效率比人工搅拌要快上3倍左右。 
 

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