西门子授权|触摸屏代理商|2023

喷油器是柴油内燃机的一个关键部件，是油泵油嘴行业中的主导产品之一。随着我国汽车工业的发展，对喷油器的需求无论在数量上还是质量上都有了新的要求，针对这一情况，我们设计制造了用来加工喷油器的组合机床。

　　该机床的机械结构复杂，动力头均由法国制造。要求加工精度高，电气挖掘系统功能强，工件加工动作紧，生产效率高。

　　为了实现该机床钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及复合钻孔等功能，我们选用了SIEMENS公司的SIMATIC S7-300可编程控制器和OP15字符操作员面板来达到电气控制的目的，使机床完成在自动方式、半自动方式和手动调零方式下的运行，并且可进行参数的设置及运行状态显示。当机床出现故障时，及时地发出报警信息，准确地排除故障，这种直观的显示方式，提供了良好的人机交互界面。

　　S7-300可编程控制器的结构为导轨式模块组合，易于更换，可任意选择所需要的模块。而与之相配套的STEP BASIC软件则功能更加强大，具有多样化的编程方式，可在线调试程序或监视标志位、定时器、计数器的实际运行状态，实现PLC的故障诊断、信息查询等功能。

　　OP15字符显示操作员面板可直接显示状态信息、错误住处和过程变量，这为使用者了角机床运行状态和故障住处带来了很大的方便。
OP15的编程软件PROTOOL/LITE，用于定义OP15的功能和接口，可实现各种显示的画面。
OP15通过MPI接口与S7-300可编程控制器连接，并由S7程序通过用户数据区建立和OP15的通讯。

　　有了上述的硬件和软件的支持，则非常有益于系统的软件设计。
机床的程序设计采用的是分布式编程，程序分成独立的指令块，每个块包含给定的作业组的逻辑。

　　使用的编程方法是梯形图、语句表，根据实现的名作业功能编写出显示块、参数设置块、工作台运行块、自动循还块、动力注调整块等。这块程序块由组织块OB1调用，实现整体和程序的协调运行。

　　该机床经过几年的运行表明，整个系统设计合理，控制精度高，运行可靠，提高了喷油器生产的自动化水平，减小了操作人员的劳动强度，提高了生产效率。

 系统介绍
2.1 控制要求
汽化冷却系统主要控制以下两大控制设备:
(1) 汽包系统
汽包给水阀、汽包主汽阀、汽包放汽阀、汽包加热阀、汽包1#、2#排污阀、汽包紧急放水阀、汽包1#、2#给水泵;1#、2#强制循环泵、1#强制循环泵出口阀、2#强制循环泵出口阀、强制循环泵旁通阀;
(2) 蓄热器系统
蓄热器补水阀、蓄热器充汽阀、蓄热器放散阀、1#、2#软水泵。
根据工艺要求要对汽包水位、汽包蒸汽阀前压力、蓄热器水位、除氧器进汽阀前压力进行自动调节，工艺示意图见图1。

图1 工艺示意图

2.2 系统的配置与构成
系统采用两套西门子S7-300 PLC，其中一套置于31m，另一套置于地面，31m处的PLC控制汽包系统，地面的PLC控制蓄热器系统。两套PLC除了信号模板不同，其它模板选型都相同。
在监控系统的选择上，为了和西门子PLC通讯的方便性以及本身功能的强大性，使用WINCC监控软件实现重要的设备操作记录和重要数据的历史存档，并提供重要数据的声光报警，为整个生产中出现的故障进行及时预警，并提出相应的处理方法。

图2 系统配置功能图

系统配置功能图如图2所示。
3 控制功能
3.1阀位控制
汽化冷却系统中基本上是电动阀，为了设备的安全，要进行联锁，包括按钮互锁、正反转输出互锁、正反转反馈运行互锁以及限位开关，必要时可通过画面解除限位联锁。

3.2 泵控制
给水泵、软水泵、循环泵:一运一备，互为备用，当工作泵(运行泵)出现故障时，马上启动备用泵。一旦备用泵启动，则另一个泵就作为备用泵备用。

3.3 仪表回路调节
除汽包水位调节外,其他3个调节都采用PID自动调节。
对于汽包水位给水调节，由于引起汽包水位变化的因素较多，如储水量、水位下汽包容积、锅炉负荷、燃烧工况、给水压力等，加上锅炉特有的虚假水位现象，简单的单回路控制难以满足对控制的要求，尤其是对于炼钢厂这样的工况变化频繁，变化幅度大，对于水位的控制来说仅仅使用传统的仪表控制是非常困难的，即使是使用了专用的进口多回路可编程调节仪表对水位进行控制，也仅能够在工况稳定的情况下满足控制的需要，而当工况产生突变时，仪表则根本无法对水位进行控制。为此，我们采用了先进的三冲量控制技术对水位进行动态调节。虽然影响因素较多，但其中主要是蒸汽流量和给水流量，其原理如图3所示。

图3 蒸汽流量和给水流量调节原理图

我们采用前馈-串级控制系统，方框图见图4。其前馈为蒸汽流量，图4中:GC—调节器; GV—调节阀; GO—控制对象; FW—给水流量干扰; FD—蒸汽流量干扰; 加上汽包水位和给水流量的串级控制，当负荷稳定时，蒸汽流量和给水流量基本不变，由液位主控回路反馈闭环控制。当负荷变化较大时，蒸汽流量突然变化，其测量值不经调节器直接加到加法器，控制加水阀，所以滞后小，超前作用强，避免了虚假液位带来的误动作。

图4 前馈-串级控制系统的方框图

控制方式:当水位低于-100mm时，主调节阀开度在100，当水位上升到-50mm时，开度在60，以后每当水位上升20mm，开度就依次关闭10，当水位上升至-10mm时，开度保持在40，一旦水位上升到50mm，则开度保持在20，当水位升至100，则开度为0，若判断水位还在上升，则停止给水泵。

3.4 监控画面
系统监控操作画面包括:方便工人操作的监控画面和为软件工程师提供接口的整定画面。
操作员画面向操作人员提供了各种数据、曲线，显示内容丰富鲜明、操作简捷可靠，即可以用光电鼠标操作，也可用键盘操作。

画面中主体设备位置确切，工作状态形象生动，各种参数“就地显示”，整个系统运行工况集于一屏，一目了然，操作非常方便，同时也方便维修工处理故障。

工程师画面为软件工程师提供了进行系统整定的良好界面，是工程师在调节中进行参数修改和设定的重要环境，也是自控系统的核心。
伺服机构的进给速度取决于步进电动机的转速，而步进电动机的转速取 决于输入的脉冲频率。因此可以根据该工序要求的进给速度确定其 PLC 输 出的脉冲频率： f=Vf/60d（Hz） 式中，Vf 为伺服机构的进给速度（mm/min）。 3. 进给方向控制 进给方向控制即步进电动机的转向控制。步进电动机的转向可以通过改 变步进电动机各绕组的通电顺序来改变其转向，如三相步进电动机通电顺序 为 A-AB-B-BC-C-CA-A…时步进电动机正转；当绕组按 A-AC-C -CB -B -BA -A…顺序通电时步进电动机反转。因此可以通过 PLC 输出的方向控制信号 改变硬件环行分配器的输出顺序来实现，或经编程改变输出脉冲的顺序来改 变步进电动机绕组的通电顺序实现。 7.3.2 PLC 软件控制逻辑 由滑台的 PLC 控制方法可知，应使步进电动机的输入脉冲总数和脉冲 频率受到相应的控制，因此在控制软件上设置一个脉冲总数和脉冲频率可控 制的脉冲发生器。 1. 对于低频率的脉冲控制 可以利用 PLC 中的定时器构成，如图 7.14 所示。脉冲频率可以通过 定时器的定时常数控制脉冲周期，脉冲总数控制则可以设置脉冲计数器。当 脉冲数达到设定值时，计数器动作切断脉冲发生器回路，使其停止工作。伺 服机构的步进电动机无脉冲输入时便停止转动，伺服执行机构定位4 结束语
该系统自投运以来，运行十分稳定可靠，故障率极低，所有信号处理及联锁控制均在PLC内自动完成，并可通过MMI进行在线监控及历史记录分析，使得电气线路变得十分简捷、可靠，减少了不安全因素，有效地提高了劳动生产率，改善了工作人员的工作环境，减轻了工作人员的劳动强度，取得了十分显著的经济效益。由于该控制系统取得了极好的经济效益，具有很强的实用性、可移植性，在本行业及其它相关行业具有很高的推广价值。