[摘要] 本文重點介紹了以Siemens S7 PLC為核心,采用現場總線分布式控制系統(FCS)，在我公司開發的日產150噸大容量滌綸紡絲生產線中的應用、特點、系統結構與實現方式。
[關鍵詞] 分布式控制系統(FCS)、現場總線、可編程序控制器PLC、現場I/O、紡絲機、卷繞牽引喂入、盛絲桶往復機。
一、工藝流程及概況
熔體直接紡大容量滌綸紡絲生產線的工藝流程：熔體增壓泵---熔體輸送管---紡絲箱體---計量泵---中心內環吹裝置---卷繞機---牽引機---喂入機---盛絲桶往復機。本聯合機共有6個紡絲箱，有36個紡絲位，每個紡絲位配置一臺高精度的計量泵。直紡熔體經增壓泵增壓后由熔體輸送管將熔體輸送至紡絲箱，經計量泵計量后由噴絲板噴出，通過中心內環吹裝置，受空氣冷卻固化后進入卷繞機，各紡絲位絲束經過上油裝置后進入牽引機，再由喂入機送入盛絲桶往復機。
日產150噸大容量滌綸短纖維紡絲生產線電氣控制系統是基于PLC的現場總線的分布式控制系統(FCS)。系統的控制范圍涵蓋熔體直接紡生產線的熔體配管增壓泵到盛絲桶往復機的全部范圍。
二、控制系統的特點
大容量滌綸短纖維紡絲生產線電氣自動控制系統的主要特點：
1、采用基于現場總線的控制系統FCS，系統高度穩定可靠，有很強的抗干擾能力；
2、開放式的總線，容納第三方設備；
3、變頻調速采用高精度的Siemens 變頻傳動系統；
4、實現全數字化、全現場化控制；
5、設備集中監控、友好的人機界面；
6、可以實現車間和工廠級的信息化管理，向信息系統自動提供實時數據；
三、控制系統架構
1、系統結構
整個控制系統的結構采用分層控制方式，由上位工業PC機、HMI觸摸屏、OP操作屏、S7 PLC，變頻控制柜和現場I/O及現場設備等組成。系統結構示意圖如〈圖一〉所示：
2、功能組成
如上圖所示，控制系統分為三個控制層次：
中央監控管理層---工業PC計算機、HMI觸摸屏
生產過程邏輯判斷和數據采集層---S7 PLC
設備運行操作層---MCC控制柜和現場I/O及現場設備
下面對各層次的功能和它們之間的聯系做簡單的介紹：
上位工業PC機以圖形畫面顯示設備模型及運行狀態，監控和修改各個工藝參數，發出控制命令，并完成報警，存檔，打印等信息處理。上位機組態軟件采用組態王（Kingview6.5）。組態王是目前國內比較廣泛用于工業控制的組態軟件。組態王能實現對所有PLC內存單元的讀寫。系統運行時，通過讀取PLC內存單元中的內容，上位機可以將系統的運行過程用畫面的形式顯示，對之進行監控，同時，通過向PLC的內存單元寫入數據，可以下發命令給PLC，控制系統的運行。開發工業PC機程序時，充分利用了軟件系統提供的資源，使開發過程快速便捷。
圖一 系統結構示意圖
PLC與上位工業PC機的通信采用西門子專用的Profibus或Ethernet通信模塊，通過Profibus或Ethernet網與上位機、觸摸屏通訊，PLC向上位機、觸摸屏傳送設備的實時數據及狀態，接收并執行上位機、觸摸屏的實時控制指令；在上位機、觸摸屏上可以修改各單元機的工藝參數及各單元機的實時狀態。
四、PLC的配置1、1PLC及2PLC：紡絲機PLC
大容量滌綸短纖維紡絲機電氣自動控制系統采用西門子2臺S7 PLC、模擬量輸入模塊對紡絲箱體溫度、組件壓力等對象進行監控，同時通過Profibus現場總線控制計量泵及油濟泵傳動變頻器；現場智能I/O采用ET200模塊，通過Profibus現場總線與CPU完成數據高速傳輸，現場I/O模塊對環吹小車升降、進退及計量泵起停進行控制。ET200作為從站，通過IM153-2與CPU完成。紡絲箱體ET200從站歸紡絲PLC。通過CP340通訊模塊與聯苯爐溫度控制器RKC-D系列儀表進行通訊; 在紡絲層設有一個現場操作臺，在操作臺上設設置一個Siemens HMI觸摸屏，可在現場修改計量泵及油劑泵變頻器的頻率。
2、3PLC：卷繞牽引喂入PLC
卷繞機電氣自動控制系統采用西門子S7 PLC通過數字I/O模塊卷繞機吸絲、切絲、牽引輥、導入棍、喂入輪、上油泵等對象進行控制，同時經過PROFIBUS現場總線控制牽引輥、導絲輥、喂入輪、上油傳動變頻器速度或頻率，并在牽引喂入機處設有一個操作臺，在操作臺上設置一個Siemens HMI觸摸屏，可設定牽引喂入機的速度。
3、4PLC：盛絲桶往復機PLC：
盛絲桶往復機電氣自動控制系統單獨采用一套西門子S7 PLC，通過PROFIBUS現場總線控制盛絲桶往復機縱向、橫向傳動伺服變頻器以及現場I/O，盛絲桶往復機主機橫動小車及縱動小車傳動采用了西門子CUMC伺服控制系統，對橫動小車及縱動小車進行定位控制。精確控制盛絲桶往復裝置的定位及往復運動。盛絲桶往復裝置的操作臺上設置一個Siemens OP操作面板，可進行定時控制。
五、軟件設計PLC的軟件設計主要有以下幾個部分：
1、S7-300PLC與變頻器之間的PROFIBUS通訊：
S7-300PLC與變頻器之間的PROFIBUS通訊可以設定變頻器的頻率，讀取變頻器的運行頻率，電流和電壓。軟件設計框圖見<圖二>,在進行硬件組態時就要確定PROFIBUS通訊的PPO通訊類型，根據PPO的類型和要通訊的變頻器的數量，生成一個相對應的DB塊，西門子變頻器的50Hz對應的頻率代表值為16384，根據我們要設定的頻率換算成相對應的頻率代表值、命令字、控制字等，送入通訊用的DB塊中，通過西門子提供的功能塊FC21、FC22、FC23進行編程，在OB100中調用功能塊FC23對PROFIBUS通訊進行初始化。調用
圖二 PLC與變頻器通訊框圖 圖三 PLC與溫控表通訊框圖
功能塊FC21對變頻器進行頻率設定，調用功能塊FC22讀取變頻器的運行頻率代表值，電流和電壓。頻率代表值換算成相對應的頻率。通過上位機和HMI觸摸屏與PLC進行數據交換，就可以在上位機和HMI觸摸屏上修改變頻器的設定頻率，在上位機和HMI觸摸屏上顯示變頻器的運行頻率、電壓、電流等參數。
2、S7-300PLC與RKC-D系列儀表進行通訊：
S7-300PLC采用CP340與RKC-D系列儀表的RS485通訊，軟件設計框圖見<圖三>,根據RKC-D系列儀表提供的RS485通訊協議，在S7-300PLC編程時生成兩個DB塊，設定RKC-D系列儀表的設定值，讀取RKC-D系列儀表的測量值，通過調用S7-300PLC的FB2、FB3發送和接收組織塊，與RKC-D系列儀表的RS485通訊，設定值轉換成ASCII碼后，送至DB塊中，通過調用FB2發送組織塊，通過調用FB3接收組織塊, 把測量值送至DB塊中的ASCII碼轉換成十進制，即可完成設定值的發送和測量值接收。
3、PLC與上位機、SIEMENS HMI操作屏進行通訊
紡絲、卷繞部分的PLC通過總線與操作員站工控機PC通訊，上位機提供友好的人機操作界面。人機界面以簡潔、清晰的風格組態各個操作畫面，畫面上準確明了地以圖形方式表示出當前生產線設備工況，如停止、運行、速度和故障等信息并以不同顏色、圖形和文字表示。通過界面上的操作，可對計量泵、牽引輥、導絲輥、喂入機及盛絲桶往復機的速度進行設定和修改；可對卷繞油濟泵的速度進行設定和修改；牽引、喂入機系統設置中速和工藝速二檔速度。實現系統的工藝參數設置、運行控制、工況顯示、報警顯示、運行和報警數據記錄和查詢、打印等功能。
六、結束語通過PROFIBUS或Ethernet網使PLC與上位工業PC機、HMI操作屏進行通訊，通個PLC的PROFIBUS網對變頻器和現場I/O及現場設備進行通訊，通過網絡傳送過程數據，這種基于現場總線的分布式控制系統(FCS) 減少了現場布線工作量和維護工作量、規范了軟件程序的編制、同時系統具有易于擴展并對整個生產線的工藝參數進行集中管理的優點。總之，FCS在滌綸紡絲生產線中的應用降低了系統設計、制造、安裝、維護的成本，并提高了系統的控制精度和系統的可靠性。該系統已成功應用在我公司的日產150噸大容量滌綸短纖紡絲生產線上。
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