硬质合金喷雾干燥制粒生产是一种间隙生产过程，它包括不同牌号料浆的搅拌和料浆的喷雾干燥制粒两个主要流程，涉及多个子系统。为了获得稳定的生产工艺和很好的操作柔性，提高产品的质量和市场竞争能力，必须采用先进的计算机控制系统。

西门子公司的S7系列PLC是当今可编程序控制器中的主流产品，它包括S7-200，S7-300，S7-400三种产品，适用于大中小各型工业控制规模的需要，已广泛应用于各种工业控制领域。其中，S7-300由于其系统的优良特性，近年来，被广泛应用于各个工业领域。S7-300提供的各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务。本文介绍一种基于PROFIBUS-DP的S7-300PLC和研化工作站构成一种计算机控制系统。

1工艺原理

工艺流程如图1所示。硬质合金混合料的喷雾干燥制粒包括料浆搅拌和喷雾干燥制粒两个过程。喷雾前首先对研磨好的混合料浆进行搅拌，四个搅拌槽用于不同牌号料浆的搅拌，搅拌动力由液压站提供，搅拌时间由定时器（本地）或计算机设定（远程），可满足不同牌号料对搅拌的要求。油加热器及热油循环系统，提供干燥所需的热源。喷雾干燥制粒的具体方法是：当循环气体稳定（塔内压在规定范围），含氧量合适且塔内气体温度均匀稳定（即塔出口温度稳定）后，采用氮气密闭加压的方法，将搅拌槽中搅拌好的料浆从槽底阀（Y120）沿规定管道路径经电磁阀（Y121等）从喷嘴喷出雾化，自下而上与由顶（经顶部气体分配器）往下循环的气体相遇干燥成空心粒，产品料从塔底部由阀Y106/Y107（二阀间隙式轮换开闭），放至传送带上经垂直螺旋震动传输装置（料冷却过程）送进地面料筒。塔内温度和热载气体冷淋回收的效果直接影响粒料的质量，因此，塔出口温度和冷却水温度（确保循环冷淋己烷的温度）为关键的控制参数。

2系统设计参数

根据生产工艺的要求，喷雾干燥塔控制系统的监控参数为：

开关量输入（DI）：185点（包括搅拌槽的4路转速反馈数字脉冲）

开关量输出（DO）：219点（包括油加热器固态继电器的4路数字触发信号）

模拟量输入（AI）： 46点（其中：隔爆热电阻直接接入19点；二线制4-20mmA标准信号27点）

模拟量输出（AO）：8点（包括4路变送输出，不含FM355的输出量）。 

1基本原理

控制系统硬件原理如图2所示。S7-300选用CPU315-2 DP，具有中到大容量程序存储器并带PROFIBUS-DP主/从接口。S7-300的系统扩展方式有两种：一是通过接口模板IM，至多可以扩展3个机架（ER），操作32块模板；另一种方法是通过CPU集成的PROFIBUS接口与ET200M站组成主/从关系的现场单元控制系统。系统利用CPU315-2 的PROFIBUS总线接口，下挂了4个ET200M模块化站，采用集中式结构方式来构成S7-300系统。通过通讯处理器CP341（1块）与制冷机控制器进行点对点的通讯连接和数据交换，传输接口采用RS485，执行协议ASCII， 通过集成在STEP7的参数化赋值工具，可方便简单地对通讯处理器CP341进行参数化。现场各个工艺及设备监测参数通过传感器或变送器检测后送到相应的模入板，S7-300通过各种模块接口采集信号；控制信号由PLC输出4-20 mmA电流形式或脉冲信号送到执行机构，控制调节阀或固态继电器的动作。塔出口温度的控制是通过一台气动薄膜调节阀（Y105）调节经过热交换器热油量的大小来实现的。利用PLC的通信功能，实现PLC与工作站的之间的数据交换。PLC采集的数据及PLC的状态可传送给工作站，也可通过工作站来修改控制参数或直接控制现场设备。触摸屏（GP337S）是另一人机界面，通过与PLC的通信连接可以直接读取关键工艺参数，在工作站故障或人为屏蔽的情况下，也可以修改关键工艺参数并下载到PLC

2 计算机工作站

系统上位机选用了研化一体化工业级工作站AWS-8248 VTP 15.1″TFT LCD。前面板保护体系可以有效防止腐蚀特性物质，潮湿和灰尘。工作站具有抗冲击，震动和适应高温的特性。基本配置；主板AWS-6179，PЩ866，高速自适应网卡：TF3239D（10/100M网卡）；IDE硬盘阵列卡RAID-100 40GB（双硬盘）；512MB内存，分辨率1024×768；MPI卡CP5611,通过MPI卡（CP5611MPI）与S7-300通讯。

3触摸屏

   触摸屏是控制系统的另一个人-机窗口，选用DIGITAL公司GP-377S，显示分辨率320×240像素，6″STN彩色LCD 100MHz，RISC CPU FLASH EPROM 1M（画面存储器），支持高速RS-232C据传输（115.2Kps），屏幕画面数据开/关闪烁速度可选；智能化操作界面，实时记录工艺检测数据，方便快捷设置工艺控制参数并下载到PLC。

在进入STEP7编程之前，必须对其I/O定义地址表并做好位存储器地址的分配，同时写出对应的符号定义表，这样便于进行绝对地址编程和符号编程，这是STEP7程序设计很重要的一环。程序结构是在主循环OB1中建立。此外，软PID采用OB35循环中断，I/O点故障诊断中断是OB82，OB100则为重新启动组织块。

根据工艺及控制要求和结构化编程的思想，系统的控制程序实现以下几大块功能：4个搅拌槽组成的料浆搅拌的运行；干燥塔闭路循环的喷雾干燥制粒启动运行；干燥塔闭路循环的喷雾干燥制粒零位运行；电机启停控制，电磁阀通断控制；高压清洗等其它功能；联锁与报警；通讯（第5部分），数值控制（第6部分）等。下面对其中几个部分的分析如下：

1 搅拌槽系统控制主程序块（FC11～FC14）

实现的基本功能包括：I组或II组自动运行启动按钮（S6/或S7）；I组1号和2号槽的选定开关（S5）；II组3号和4号槽的选定开关（S9）；I组槽的分步选择按钮（S7）/执行按钮（S8）；II组槽的分步选择按钮（S11）/执行按钮（S12）。搅拌槽（4个都一样）的基本操作步序如下：

（1）装料准备--(打开槽盖)-(清洗槽内壁)-(加入球磨好的料浆)-(补充己烷)-(关闭槽盖)--（2）启动搅拌调速（定时/定速）--（3）氮气加压--（4）喷料制粒--（5）清洗管线-（6）卸压。理想的自动运行方式（自动位/S1.2）是顺序地一步一步的执行下去，但从基本操作步骤的工序特点可知，由于存在工艺的不确定（装料，制粒加压等），实际上更多情况是采用手动（S1.1）顺序的操作方式。为了在“自动方式”下运行，必须有“装料准备”结束标志，还要解决何时制粒（制粒的条件）和何时制粒结束以及选哪组槽进入制粒等等问题。为此按下面思路程序设计：（1）要让“装料结束”，需像手动方式那样，按一下“步选”按钮，以继续下步程序；（2）将搅拌混合结束时间和另一组不在“清洗”或“加压”，作为当前槽的“允许加压喷雾”的条件，而且一旦当前槽建立起“加压选择标志”，就将封锁其它槽进入加压程序；（3）加压完成（压力达到规定压力）后，还需视塔出口循环气体的是否温度稳定，如果出口温度稳定在工艺温度±1℃/10MIN以上并无报警出现，即可进入喷雾程序（打开喷雾控制阀）；(4)一旦喷雾开始，倒计时搅拌喷雾的时间（如果中途出现故障停喷，可停止倒计时，待故障消除，又可从停止点开始）；（5）喷雾计时结束后，自动转入下道工序：定时清洗；（6）清洗结束，开始卸压，当槽压低于一定值，程序返回“槽运行准备就绪”状态。 “装料准备”（第1步）的程序流程如图3所示。

2干燥塔系统控制主程序（FC10）

干燥塔系统控制主程序的设计思想与搅拌主程序相同。对应于面板操作，实现的基本功能包括：自动/手动（开关S1.1/S1.2）选择，自动运行启动（按钮S2），手动分步选择（按钮S3）/手动分步执行（按钮S, 4）。实现的工艺步骤：（1）塔冲/排氮气（Y101阀/Y102阀）--（2）启动油加热器循环泵（M101）--（3）启动油加热器控温系统（CPU软PID工作）--（4）启动槽夹套热油循环泵（M102）- -（5）启动冷凝己烷循环泵（M103）--（6）启动风机密封液循环泵（M104）--（7）启动引风机（M105）--（8）压力风机（M106）。干燥塔系统控制主程序的几个特点：一，按顺序的单步选择功能和执行功能（无论是手动还是自动），上步操作选择标志是下步选择操作的条件逻辑；本步选择标志是本步执行的条件逻辑，先选择后执行；同时下步选择抑制要上步选择，为工艺操作提供了很大的灵活性；其二，从任何一步起都可以进行自动/手动（S1.1/S1.2）方式的切换，进行下步选择/执行下步；其三，每步选择之间，为消除操作按键可能的抖动，确保每一步的可靠，上步标志建立后经一定延时（自动：5s，手动：0.3s）才接通下一步。这一设计通过一个延时接通定时器T18来实现。干燥塔系统控制主程序“塔冲氮气”（第1步）的程序流程如图4所示。

   3联锁与报警系统

对任何一个控制系统来说，必要的安全保护和报警系统都是很重要的。根据整个系统的实际情况，对报警级别进行了分类：予警，报警和制粒联锁报警。予警是根据整个工艺系统情况，对一些不常出问题的检测点进行监视，当超过规定限时，仅在工作站屏幕上警示并记录，如搅拌槽压力，密封液温度等；报警，是对生产，设备安全影响较大的监测点进行声光报警，如塔进口氮气温度上限，循环泵的热保护等，出现报警后必须解除故障才能将操作进行下去；制粒联锁报警，当系统在正常情况下进入喷雾干燥制粒后，为了确保干燥制粒过程的工艺，对一些会影响制粒工艺的故障（H66红色指示灯，如氧含量超标5%等），要中断正在进行的喷雾，否则会影响干燥粒料的质量或出现不安全因素。程序设计上，除电机热保护和流量开关等故障外，其它报警大多在制粒工序开始后其监测结果才有效。开关量报警直接取自现场的数字输入，模拟量报警则由上位机下载限值至CPU，由PLC完成数值的比较处理给出信号进行报警处理。

4 WinCC组态软件

本系统采用WinCC5.0 在中文Windows 2000 下，其组态界面全部汉化。

工艺画面监视：包括总的工艺流程动态画面和局部动态画面，动态画面給出实际的运行工况（管道，电动机，阀等），并在工艺检测点，通过虚拟仪表显示实时参数。WinCC通过短期归档（记录间隔可达500ms），环行对列，先入先出，动态刷新不同的静态画面，加上新的动态实时数据，构成了带动态显示点的工艺画面；

工艺控制趋势图：包括历史工艺曲线和实时工艺曲线图，模拟量棒图，通过WinCC的历史趋势控件来实现。通过点击虚仪表可得到相应的趋势图，也可在一个画面中对多条关键工艺曲线（最多4条）进行实时监视，多条关键工艺曲线共画面有助于工艺和操作人员对工艺状况的了解。

故障报警信息：画面上虚仪表显示闪烁（报警控件来做），报警表中记录有（包括历史记录）对故障发生的时间，工位，故障类型等，便于查询和处理。并通过历史查询获得故障前后较为详细的信息。

生产工艺数据记录和历史数据查询：WinCC具有长期归档功能。数据记录时间1分钟，数据库放在硬盘上（40G），并采用了硬盘镜像技术，通过ID100阵列，将历史数据同时存入两个40G的硬盘中，从而提高的数据保存的可靠性。为方便故障分析，在WinCC的内部脚本规定文件格式（WinCC的写和由VB读），对I/O状态和模拟参数，每秒钟记录一次，由WinCC保存故障报警前后2分钟的信息数据，可通过VB程序读出报警前后2分钟较为详细历史数据或趋势图并将数据保存在硬盘上。

报表功能：生产日报表，历史趋势图，历史数据等。通过WinCC的报表编辑器实现。

工艺及控制参数：包括工艺参数和工艺曲线。利用画面编辑器，通过与PLC连接的外部变量来实现该功能。设定好后，经确认，下载到CPU。工艺参数包括：工艺设定值，量程，上下限值。工艺曲线主要是4个槽的搅拌速度曲线。

权限管理：通过定义用户组权限管理规定操作员，工艺员和设计工程师允许进入系统的权限。工艺员可以进入工艺参数修改画面，而只有程序设计工程师才能修改PLC控制器的结构和PID参数等。  

   控制系统通信联络方式中涉及了PROFIBUS和LonWorks两种现场总线的应用。

1.LonWorks与RS485的转换

日立制冷机组是带有控制系统的独立成套设备，其控制器带有H-Linker/LonWorks通讯转换器，它将日立公司的内部通讯通过转换器成了LonWorks标准。为了将制冷机组融入计算机控制系统，为此要进行LonWorks/ RS485的转换设计。选用微联电子公司的串行口适配器Ulink103-1A，通过它把具有RS232或RS485的设备接入LonWorks网或作为进行协议转换。设计中分别将各自的电子文档（识别文件：Harc70c4.XIF/Cdhk.XIF）写入对方的转换器就可以进行相互通讯

2.CP341与 适配器Ulink103-1A 连接

CP341的接口设计为RS485接口，与下面的通讯体Ulink103-1A串行口RS485一致，确保通信符合物理层规定。

     3.ET-200M与CPU的通讯

   ET-200M通过IM153接口与PROFIBUS-DP现场总线相连接。S7-300通过集成在CPU 315-2 DP上的PROFIBUS-DP接口连接到PROFIBUS-DP网络上（设CPU板上PROFIBUS的口地址：2）。CPU 315-2 DP与ET-200M是一种主从关系。

4.触摸屏与PLC的通讯

S-300是通过S7-ADAPTER适配器与触摸屏进行通讯连接的。触摸屏是RS232C串行接口，波特率可达115.2Kbps。

5.PLC与工作站的通信

设计中通过在工作站配置西门子提供的适配卡CP5611MPI，将S7-300通过其MPI（多点接口）总线与上位机的通信连接起来。CP5611MPI的波特率为9600bps.

6.工作站与MIS系统的通信

通过高速自适应网卡TF3239D与MIS以太网连接。带宽可达100M。

  6  闭环控制系统设计

 喷雾干燥塔计算机控制系统涉及的控制参数包括：塔出口氮气温度（TE102），油加热器油温度（TE406），搅拌槽速度（4个，SE301-SE304），冷淋己烷温度（TE104）。冷淋己烷温度是通过对板式冷却器冷冻水温的控制来间接调控的。制冷机组带有独立的进或出水温度控制系统，因此，冷淋己烷温度的控制任务并不由PLC来完成，仅通过通讯接口与PLC和工作站融为一体。S7-300主要完成塔出口氮气温度，油加热器温度，搅拌槽速度（4个）的控制。塔出口氮气温度是最关键的控制参数，控制精度要求达到±2℃。由于喷雾塔氮气循环热交换是一个热滞后较大的系统，因此采用了串级控制方法，由FM355闭环控制器单独控制出口温度；油加热器温度及搅拌转速则用CPU提供的集成“闭环控制”（软PID）来调节。控制工艺参数和PID等均可通过工作站设定，修改下载到CPU。

FM355提供了两种控制算法：PID算法和自寻优FUZZY温度控制器。由于传统PID参数整定较为麻烦且难以得到最优的控制参数，因此采用后一种自整定或自校正参数的方法。FM355专门为温度控制系统提供的这种自整定模糊控制器（自寻优），采用一种可称为自适应模糊控制的方法来获得优化的参数，从而得到更佳的控制特性。这是一种间接模糊自适应控制方法：首先在线地辨识控制对象的模型，然后利用该模型并根据期望的闭环系统性能设计出模糊控制器或控制器的参数（如PID等）。模糊控制在一定程度上模仿了人的控制，它不需要有准确的控制对象模型，是一种人工智能控制的方法。

  7 结束语

硬质合金喷雾干燥塔计算机控制系统采用了目前较为先进流行的控制模式，能很好地满足了柔性生产过程的要求；其完善的工艺参数检测和直观丰富的人机界面为工艺操作和监督提供了极大的方便。但是，按现场总线控制系统的标准来看，本控制系统还未实现用高度智能化的现场仪表和现场控制单元来分散测控功能，仅仅应用了现场总线技术，其真正的优势并未得到体现，这样仍存在现场大量的接线工作和与之带来的管线成本高等问题，有待今后使用数字化传感器，进一步提升控制水平。