浅析DCS控制系统在粉仓温度测量以及新增温度变送器新技巧

  【浅   析】：

         模拟一种煤炭料仓温度的监控作为操作物体，介绍了基于S80-700DCS的扩容及温变控制系统，针对新增温度的控制系统无空余的模拟量点位的情况，通过对新增模块根据实际需要进行选型、添加硬件组态、重新编写控制程序、底层温度变送器的选型、组态程序及画面的更改等步骤，实现了对新增温变的实时监控。

    引言
    自动控制是能自动调节及检测加工的机器设备及仪表，按规定的程序或指令自动进行作业的技术措施。其目的在于增加产量、提高质量、降低成本和劳动强度、保障生产安全等。为了加强储煤料仓温度的监控，防止温度过高引起的自燃，特为储煤料仓新增温度变送器，并在控制系统的监控画面上新增报警等设置，为安全生产提供可靠保证。

    1 设计思路
    经过长期实地观察与研究发现，储煤料仓里的煤由于空间密闭、通风条件不好，很容易发生自燃，针对上述情况，为料仓设计新增温度变送器，实时监控出料料仓温度，防止出料温度高，堆积后发生自燃的情况。由于现新增温度的控制系统无空余的模拟量点位，在原有的控制系统上扩容并新增温变程序以及画面。

    2 设计内容
    2.1 新建内容 
    1）给料仓的中部以及下部开孔安装温度变送器。
    2）原系统无空余模拟量点位，新增模块 6ES7331- 7KF02- 0AB0 两个并添加硬件组态和编写800控制程序。 
    3）新增安全栅以及系统接线工作。 
    4）添加组态画面以及报警。

    2.2 新建实施步骤 
    2.2.1 场温度变送器的选型安装以及系统接线
    温度传感器按其传感器材料及元件特性分为热电偶和热电阻两类，是一种能够把所感受到的温度转换为所需输出信号的检测装置。在所有类型的温度传感器中，由于热电偶结构简单，安装不复杂，使用比较方便，测量范围宽，同时还具有比较高的准确度。所以在环境比较恶劣的加热炉系统中，常选用热电偶作为温度检测装置，能够更好地反应出温度变化。

    2.2.2 热电偶工作原理
    热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势———热电动势，这就是所谓的塞贝克效应（Seebeck effect）[1]。两种不同成分的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。

    2.2.3 热电偶分类
    常用热电偶可分为标准化热电偶和非标准化热电偶两大类。我国标准化热电偶按其分度号分为 S、 B、E、K、R、J、T 七种类型。根据现场情况，温度变送器采用型号为WRN- 240G的热电偶，测量范围：0~1 200℃；分度号为 K 型。现场温度变送器为法兰盘式安装，所以在料仓中下部以及下部焊接相应的对接法兰，安装温度变送器。把信号线放入控制室内，通过两入两出安全栅接入系统，以防止现场有大电流信号对控制系统造 成 冲 击 。 并在导轨上安 装新增的 6ES7331- 7KF02- 0AB0 模块两个，调节量程卡为 C 型。

    2.3  dcs的选型
    通过对现场实际情况的分析，本设计选择西门子S80-700DCS 系列的DCS。根据本系统设计的控制要求我们选用的 CPU为带有 DP 口的 315- 2DP CPU，它具有 48 kB的 RAM，80 kB的装载存储器，而且其可以扩展的存储容量达到 512 kB，可以扩展 1 024 点的数字量或者 128 点的模拟量[2]。

    S80-700DCS CPU模块有以下类型 CPU313、CPU314、CPU315/315- 2DP、CPU318- 2DP 等不同的 CPU可以去选择。编程梯形图可以使用 LAD、FBD或 STL 进行编程所需的程序。

    2.4 硬件组态以及改编程序
    STEP7 是用于西门子可编程控制器组态和编程的一个编程软件，它用于 SIMATIC S7、C7 和基于 PC的 WinAC中，其基本功能包括：硬件和参数的设置、硬件组态、编程、启动和维护、运行和诊断功能等[3]。STEP7 利用项目来管理一个自动化系统的软硬件，用 SIMATIC管理器对项目进行集中管理，可以很方便地浏览 SIMATIC S7、M7 、C7 和 WinAC 的数据。实现各种功能所需的 SIMATIC软件工具都集成在 STEP7 中。

    本设计是利用   的 PLC对加热炉系统进行控制的，当 PC机上安装好 STEP7 软件后，需要对它进行设置。其中不能忽略的是要对 PC机的接口参数进行正确的设置，以保证 PC机和 PLC之间能够进行通信。

     STEP7 的基本编程语言包括：语句表（STL）、梯形图（LAD）和功能块（FBD），其中，梯形图使用非常为普遍。

    2.4.1 梯形图
    梯形图是在传统的电气控制系统电路图的基础上演变而来，在形式上类似于电气控制电路，由触点、线圈和方框表示的功能块等组成。梯形图编程具有形象、直观的特点，为广大电气工程技术人员熟悉、使用，特别适用于开关量逻辑控制，是 DCS的主要编程语言。

    2.4.2 语句表
    PLC的指令称作语句，由若干条指令构成的程序成为语句表。这种编程语言类似于计算机的汇编语言，用助记符来表示各种指令的功能，是 CPU直接执行语言。梯形图语言程序和其他编程语言一样需要转换成语句表指令后才可被 CPU执行。由于其他的图形语言必须遵循一些特定的规则，因此语句表语言可以实现一些其他图形语言不能实现的功能，是 PLC编程的基本要素。

    2.4.3 功能块图
    功能块图程序设计语言采用功能块来表示所具有的功能，不同的功能块代表着不同的功能。它有若干的输入和输出端，通过软连接的方式分别连接到所需的其他端子，完成所需的运算或控制功能。由于采用软连接的方式进行功能块之间及功能快于外部端子的连接，因此控制方案的修改、信号连接的替换等操作可很方便地实现。

    S80-700DCS不同的编程方式各有自己的优点和缺点，STEP7 支持这三种语言之间的相互转换。通常 LAD和 FBD编写的程序段可以转换成 STL 语句程序，多数情况下，STL 也可转换成 LAD 和 FBD，但并非所有的 STL语句都可以转换成 LAD和 FBD。 在 Step7 软件中打开工程项目，点击 PLC300中的硬件组态，添加新增的模块 6ES7 331- 7KF02-0AB0 进入机架并把信号改为 4~20 mA四线制，量程卡为 C 型 （要求与实物组态对应）。在工程的FC150 块中添加如图 1 程序（共添加 12 个其他的同理），把采集的数字量信号通过 FC105（模拟量采集块） 转化成与现装温度计相匹配的温度值，显示出来，图中 IN引脚为输入硬件组态中的地址，HI_LIM和 LO_LIM引脚为实际温度计的量程 0~150 ℃，OUT 引脚为输出到数据块的地址。再在 DB201 数据块中添加 15个温度变量信号为组态王监控软件提供传输信号。

    2.5  S80-700DCS组态画面编写以及在全厂 PIMS 系统中显示 报警
    打开组态王软件中对应的组态工程，在软件的变量中新建变量如图 2，连接设备为S7_300_204，寄存器地址为 DB201.92，数据类型为 FLOAT 型同理等 12 个温度信号值，再在画面中打开组态画面，添加变量显示框，点击后出现如下页图 3 所示，在模拟值输出中点击问号选择相应的变量。通过 PIMS 采集系统把数据采集到 PIMS 系统中，非常后在 PIMS 系统中添加报警显示如下页图 4 所示。

    3 结 语
        在现代化工业生产中，自动化、智能化的S80-700 DCS产品使用越来越广泛，本次改造通过使用温度变送器实时监测料仓温度，再通过 PIMS 生产管理系统，将其直观地显示在监控页面，控制室的监控人员可实时监控料仓温度，从而保障生产安全运行，为2020年度中的安全生产保驾护航，杜绝火灾以及各种隐患的发生。