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)鍵工序都從德國引進了世界上最先進、自動化程度最高的糖機設(shè)備。經(jīng)過幾年的使用、維護、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技術(shù)性能，確保了公司日處理甜菜8000噸以上，各項經(jīng)濟技術(shù)指標居全國甜菜制糖行業(yè)首位的良好形勢。這些糖機設(shè)備都采用了西門子S7系列的PLC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，加之優(yōu)化的程序設(shè)計，強大的通訊功能，使其成為了制糖工業(yè)中單機自動化的主控裝置。
二、西門子PLC簡介
德國西門子公司是世界上研制PLC最早的少數(shù)幾個公司之一。歐洲第一臺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S7三個系列。M7系列PLC是嵌入式的高檔機，用于解決對時間要求非常高的的技術(shù)問題，它既可作為CPU，也可以作為功能模塊使用，目前國內(nèi)引進比較少；C7系列PLC往往在一個單元中集成一個PLC和一個控制操作面板（OP），由于PLC和OP同是SIMATIC系列產(chǎn)品，因此，C7控制系統(tǒng)的擴展也很容易，并可簡便的在SIMATIC自動化網(wǎng)絡(luò)中進行集成； S7系列又分為 S7-200、S7-300、S7-400幾個子系列，分別為小型、中型和大型PLC，這個系列的PLC體積小、速度快、標準化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強，可靠性更高，因此，應用最廣泛，遍布各行各業(yè)。
三、西門子S7系列PLC的性能及特點
西門子S7系列PLC更接近于現(xiàn)場要求：高可靠性，減少了中間接口，具有多中斷、現(xiàn)場總線口、集成電位器、定時器、 計數(shù)器、碼盤接口等高級成功能，以及強大的網(wǎng)絡(luò)功能：RS232／485接口及多種現(xiàn)場總線標準、遠程I/O，還可以作為DCS的下位站和PC機的下位機。同時支持多種編程語言，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)，各種場合中的自動檢測、監(jiān)測及控制等。S7-200 PLC的強大功能使其無論單機運行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實現(xiàn)復雜的控制功能。它可提供4個不同的基本型號與8種CPU可供選擇使用，成為當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)模可以從幾點到幾百點。S7-200PLC可以方便地組成PLC-PLC網(wǎng)絡(luò)和微機-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PLC編程、調(diào)試、監(jiān)控。使得PLC的編程更加方便、快捷。可以說，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用。各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合構(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）的指令運算速度；用浮點數(shù)運算比較有效地實現(xiàn)了更為復雜的算術(shù)運算；一個帶標準用戶接口的軟件工具方便用戶給所有模塊進行參數(shù)賦值；方便的人機界面服務(wù)已經(jīng)集成在S7-300操作系統(tǒng)內(nèi)，人機對話的編程要求大大減少。SIMATIC人機界面（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、記錄錯誤和特殊系統(tǒng)事件（例如：超時，模塊更換，等等）；多級口令保護可以使用戶高度、有效地保護其技術(shù)機密，防止未經(jīng)允許的復制和修改；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，當鑰匙拔出時，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。具備強大的通信功能，S7-300 PLC可通過編程軟件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、簡單。S7-300 PLC具有多種不同的通信接口，并通過多種通信處理器來連接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連接點到點的通信系統(tǒng)；多點接口（MPI）集成在CPU中，用于同時連接編程器、PC機、人機界面系統(tǒng)及其他SIMATIC S7/M7 /C7等自動化控制系統(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。它采用模塊化無風扇的設(shè)計，可靠耐用，同時可以選用多種級別（功能逐步升級）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)。當控制系統(tǒng)規(guī)模擴大或升級時，只要適當?shù)卦黾右恍┠０澹隳苁瓜到y(tǒng)升級和充分滿足需要。
四、西門子S7系列PLC在制糖工業(yè)自動化中的應用
制糖工業(yè)是高度機械化、連續(xù)化的現(xiàn)代化生產(chǎn)工業(yè)，它的生產(chǎn)品就是我們通常說的食糖。它的生產(chǎn)過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)品都是以千噸計算的。
德國于1802年在庫內(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200多年的發(fā)展，隨著制糖工業(yè)的科技要求及工藝指標要求越來越高，對制糖裝備的要求也越來越高。我國由于制糖工業(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)達國家相比，還有一定差距，特別是在規(guī)模化生產(chǎn)、裝備開發(fā)和自動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，工序較多，控制點比較分散，但又是一個連續(xù)的，相互關(guān)聯(lián)的整體流水線，每個工序又有各自的特點，因此，目前小型 S7200/300系列PLC的在這些工序的生產(chǎn)自動化中應用很多，并收到了非常好的效益。它的靈活、可靠、耐高溫、耐潮等特點正好適應了部分工序的現(xiàn)場環(huán)境。
我公司有一臺丹麥制造的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，并且無法購買，該系統(tǒng)故障率高，嚴重影響了生產(chǎn)的連續(xù)進行。后我公司對其控制系統(tǒng)進行了改造，選用S7-200PLC控制系統(tǒng)來控制油泵開度、工作壓力及回油壓力向四個液壓馬達供油，并保證四路馬達的同步轉(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)運行正常，幾乎無故障停機，并且操作非常簡便。
在碳酸法清凈工藝的預灰、主灰等工序里，S7-300PLC應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個操作站，通過西門子MPI網(wǎng)連接，為以后網(wǎng)絡(luò)擴展奠定基礎(chǔ)，下位與S7-300PLC相連，現(xiàn)場的液位、流量、PH值、閥門開度等模擬量信號和其它開關(guān)量信號通過模塊進入S7-300PLC控制器內(nèi)運算、比較后輸出控制加灰泵，達到調(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，還減輕了勞動力。在有些糖廠S7200/300系列PLC還應用到了蒸發(fā)罐、結(jié)晶罐單臺及多臺同時控制系統(tǒng)中。而單臺自動包裝秤的PLC控制已經(jīng)遍布各個加工廠了。
我公司自上世紀90年代末至今先后從德國PUTSCH公司引進了用于切絲工序的TSM1800、TSM2200轉(zhuǎn)鼓切絲機，用于清凈工序的 PKF140壓濾機、HKF80過濾機，從BMA公司引進了用于分離工序的B1750間歇式分離機、K2300連續(xù)分離機，以及由西門子公司給我公司提供的結(jié)晶罐自動煮糖系統(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)鼓切絲機是目前世界上最先進，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、三臺電機、兩臺變頻器、一個液壓系統(tǒng)、和一些按鈕、限位開關(guān)、指示燈等組成，完成主電機無級調(diào)速、自動定位更換刀框、自我保護等功能。它的控制點較多，結(jié)構(gòu)比較復雜，下圖2是該設(shè)備S7-300PLC控制單元的系統(tǒng)配置圖。圖中CPU通過輸出模塊控制變頻器，再由變頻器驅(qū)動電機，帶動主軸旋轉(zhuǎn)，并給CPU提供相關(guān)信號。當安全裝置或者硬件限位開關(guān)動作后，變頻器都會停止驅(qū)動電機。編碼器用來反饋位置、方向等信息給 CPU，以便繼續(xù)執(zhí)行PLC內(nèi)固化的應用程序，并達到自我保護的作用。 PG/PC用來組態(tài)CPU功能及參數(shù)，對CPU來說，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)鼓切絲機自動化程度高，故障率非常低，并有故障顯示。操作簡單、維護方便。為我公司帶來了非常大的經(jīng)濟效益。
BMA公司的分離機廣泛用于食品、藥品等行業(yè)，國內(nèi)進口的也非常多，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等型號的間歇式分離機和K2300、K2400等型號的連續(xù)分離機，分別用于一砂和二、三砂分離，它們的自動化程度高，工作效率高。
B1750型分離機全過程由程序控制，工作過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、修改工作過程中的各個技術(shù)參數(shù)，比如轉(zhuǎn)速、分離時間等參數(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設(shè)施。設(shè)備出現(xiàn)故障時，它能顯示故障點及原因，并可儲存?zhèn)洳椋煌瑫r使用2臺以上設(shè)備時，當一臺分離機在降速過程中，它可以把機械能轉(zhuǎn)化成電能，反饋補充給另一臺正在升速的分離機，起到穩(wěn)定電網(wǎng)，節(jié)約用電的作用。
結(jié)晶罐自動化煮糖多年來一直是制糖行業(yè)研究的主要項目之一，煮糖煮的好壞直接影響成品糖的質(zhì)量。BMA公司、西門子公司及國內(nèi)一些廠家都研發(fā)了自己的自動煮糖控制系統(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，使糖液達到一定的過飽和度而析出蔗糖晶體，并將其培養(yǎng)長大到一定大小。它對管體內(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反應，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)計的由S7-300控制器組成的自動煮糖系統(tǒng)將過程分為了四個階段：入料蒸濃、起晶、養(yǎng)晶、最終濃縮。S7-300控制器通過錘度、液位的實時信號來調(diào)節(jié)罐內(nèi)的真空度、溫度、進料量等參數(shù)，最終控制錘度、液位連續(xù)、逐步的升高，使糖漿達到一定的過飽和度析出完整的蔗糖晶體。該系統(tǒng)由于是自動、連續(xù)又是實時監(jiān)控，因此較人工煮糖時間縮短，效率大大提高，并且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。
五、未來展望
制糖工業(yè)未來的發(fā)展將朝著規(guī)模化、過程自動化控制、機械自動化方的向發(fā)展。根據(jù)制糖生產(chǎn)線跨距較長，工序較多，控制點比較分散的生產(chǎn)特點，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)將會大量應用到制糖工業(yè)中來。該系統(tǒng)基于PLC控制系統(tǒng)作為現(xiàn)場基礎(chǔ)控制器，著重強調(diào)整體的連續(xù)性、安全性的概念，主要特點為系統(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、耐潮等特點適應制糖工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，而它的體積小、速度快、標準化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能強，可靠性高等特點非常適應DCS系統(tǒng)、總線控制系統(tǒng)。下圖4為西門子公司最新設(shè)計的用于甜菜制糖行業(yè)的DCS過程自動化控制構(gòu)架圖。從圖中可以看出全過程分為甜菜預處理、滲出、清凈過濾、蒸發(fā)、結(jié)晶分離五個部分，整體分成了三級管理控制站，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)場控制站還是由太網(wǎng)聯(lián)接的第三段S7200/300系統(tǒng)。
