1、引言
電子銅箔的生產(chǎn)流程主要是：溶銅、生箔、表面處理及分切，如圖一所示，其中電解液的制備系統(tǒng)及供液系統(tǒng)為主要工藝的核心，如何確保整個(gè)供液系統(tǒng)中電解液的流量、溫度、濃度、液位、壓力、PH等工藝參數(shù)符合生產(chǎn)工藝要求是生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)銅箔的前提條件。
整個(gè)工藝過程設(shè)備多，布局分散、工藝復(fù)雜，主要原料硫酸，又是強(qiáng)腐蝕性液體。為保證安全生產(chǎn)、保證產(chǎn)品質(zhì)量采用可靠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)顯得尤為重量。
2、工藝及控制功能
電子銅箔生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)可分為電解液制備、毛箔生產(chǎn)、表面處理等系統(tǒng)。本文主要闡述了PROFIBUS-DP在生箔和表面處理中電解液制備和電解液供液系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
電解液制備：主要由下料、溶銅、循環(huán)、熱交換、凈化等構(gòu)成。被控對(duì)象有：循環(huán)槽、凈液槽、高位槽等設(shè)備的溫度、液位、流量、濃度等控制和監(jiān)測。
供液系統(tǒng)：硫酸銅溶液制備好后，進(jìn)入到下一工序生箔機(jī)和表面處理機(jī)。生箔機(jī)主要是通過電解生成毛箔，而表面處理機(jī)是對(duì)毛箔進(jìn)行處理，主要由酸洗、粗化、固化、防氧化等構(gòu)成。被控對(duì)象有：各槽罐液位、溫度、離子濃度、PH、流量及攪拌等控制和監(jiān)測。
電控任務(wù)是電解銅箔生產(chǎn)線重要組成部分之一，是生產(chǎn)線各工步有序進(jìn)行、各工步中設(shè)備協(xié)調(diào)動(dòng)作的組織者和指揮者。銅箔質(zhì)量的好壞與硫酸銅溶液的濃度、溫度、流量、PH值等工藝參數(shù)的穩(wěn)定關(guān)系密不可分人;同時(shí)，參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理及故障報(bào)警等也是系統(tǒng)的主要任務(wù)。電氣控制系統(tǒng)要求可靠性高，適用性強(qiáng)，控制精度波動(dòng)小，控制點(diǎn)數(shù)量達(dá)到1300多點(diǎn)。有溫度監(jiān)控、壓力監(jiān)控、流量監(jiān)控、液位監(jiān)控、離子濃度監(jiān)控、PH監(jiān)控等諸多參數(shù)，且各參數(shù)點(diǎn)分布廣、執(zhí)行機(jī)構(gòu)多。其工藝流程如圖1：
圖1 電解銅箔生產(chǎn)工藝流程
3、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
采用三層分布式計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖2，第一層為監(jiān)測層，以西門子ET200S及變頻器為監(jiān)測終端，完成對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的測控;第二層為控制層，以西門子S7-300PLC為控制核心，完成對(duì)整個(gè)生產(chǎn)工藝的自動(dòng)化控制;第三層為監(jiān)視層，以三臺(tái)計(jì)算機(jī)為硬件基礎(chǔ)，配以測控軟件，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)視及運(yùn)行管理，工藝參數(shù)修改、運(yùn)行過程顯示，事件報(bào)警及記錄，生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄，生產(chǎn)報(bào)表的生成等。
這三層采用PROFIBUS-DP、USS及Ethernet三種通訊網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程站采用PROFIBUS-DP;變頻器的測控采用USS通訊，將易產(chǎn)生諧波等其它因素干擾的變頻器采用USS通訊網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程站PROFIBUS-DP相隔離，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
圖2電解液制備及供液系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
3.1 現(xiàn)場監(jiān)測層
現(xiàn)場監(jiān)測層選用西門子遠(yuǎn)程I/O站ET200S，共有40臺(tái)，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場的溫度、流量、壓力、離子濃度、液位、PH值等模擬量參數(shù)，以及操作現(xiàn)場控制按鈕的狀態(tài)等。所有的遠(yuǎn)程I/O站均工作在Profibus-DP Slave模式下，每個(gè)遠(yuǎn)程I/O站均配置適量的DI、DO、AI及AO模塊。變頻器選用西門子MM430系列產(chǎn)品，通過其自帶的RS485接口，利用其內(nèi)置的USS協(xié)議與控制層PLC進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備轉(zhuǎn)速的控制。
3.2 控制層
整個(gè)控制系統(tǒng)由6套PLC控制，PLC選用西門子S7-300系列，支持Profibus-DP的CPU 315-2 PN/DP，通過Profibus-DP現(xiàn)場總線和USS高效、可靠的完成系統(tǒng)的過程控制和邏輯控制，通過以太網(wǎng)Ethernet組成局域網(wǎng)向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。每個(gè)站均配置適量的DI、DO模塊以及1塊CP340模塊進(jìn)行現(xiàn)場的控制，CP340模塊與西門子MM430變頻器進(jìn)行通訊。
3.3 監(jiān)控層
監(jiān)控主站選用美國DELL商用計(jì)算機(jī)，2臺(tái)操作員工作站，1臺(tái)工程師站兼服務(wù)器。3臺(tái)計(jì)算機(jī)與6套S7-300PLC主站組成局域網(wǎng)，采用西門子WinCC視窗控制中心進(jìn)行控制和監(jiān)測，完成對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線重要工藝參數(shù)監(jiān)測、分析和存儲(chǔ)，并能優(yōu)化各工藝參數(shù);通過對(duì)不同規(guī)格的銅箔工藝參數(shù)的錄入提供多套最佳工藝參數(shù)的運(yùn)行程式;能夠?qū)ο到y(tǒng)各個(gè)裝置提供各種報(bào)警保護(hù)功能、故障監(jiān)測功能、保護(hù)并顯示可能的故障位置，將系統(tǒng)出現(xiàn)的意外故障損失降到最小。
監(jiān)控層實(shí)現(xiàn)了在中控室對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測控，具有實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控顯示功能。在中控室匯集的來自生產(chǎn)現(xiàn)場的溫度、流量、液位、離子濃度、PH值、壓力等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并以工藝流程圖、曲線圖、報(bào)表等方式通過數(shù)值或圖形來實(shí)時(shí)反映生產(chǎn)現(xiàn)場的信號(hào)變化情況。
4、硬件組態(tài)
該系統(tǒng)由3臺(tái)上位機(jī)、6個(gè)Profibus-DP主站、多個(gè)Profibus-DP從站及現(xiàn)場設(shè)備組成;Profibus-DP總線將所有主站和從站連接成一個(gè)完整的過程控制網(wǎng)。
6個(gè)Profibus-DP總線主站分別為生箔(2套)和表面處理(2套)中電解液制備和電解液供液系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立。Profibus-DP從站按子系統(tǒng)劃分歸屬，此系統(tǒng)為控制網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場設(shè)備級(jí)。
變頻器通過USS協(xié)議與各個(gè)主站進(jìn)行通訊，與主站進(jìn)行快速數(shù)據(jù)交換;變頻器具有高可靠性和高精度要求，并具有快速響應(yīng)和綜合自診斷能力，配合CP340模塊，組成一個(gè)保護(hù)功能完備、通訊快捷的過程控制網(wǎng)絡(luò)。CP340模塊與傳動(dòng)裝置與主站之間通過屏蔽雙絞線傳送數(shù)據(jù)，傳輸距離取決于傳輸速率。
5、軟件構(gòu)成及組態(tài)
軟件包括下位機(jī)PLC控制軟件和上位機(jī)人機(jī)界面軟件，組態(tài)軟件為STEP7-5.4及WINCC6.2，其中STEP7-5.4完成系統(tǒng)組態(tài)和編程，WINCC6.2用于系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面。
5.1 控制層下位機(jī)PLC控制軟件
本系統(tǒng)下位機(jī)采用SIMATIC S7-300的配套編程工具STEP7，完成硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、PLC程序編制、測試、調(diào)試和文檔處理。通常，用戶程序由組織塊(OB)、功能塊(FB、FC)和數(shù)據(jù)塊(DB)構(gòu)成。其中OB是系統(tǒng)操作程序與應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運(yùn)行;FB、FC是用戶子程序;DB是用戶定義的用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存取區(qū)。PLC程序在上位機(jī)編譯完成后下載到CPU 315-2 PN/DP，并存儲(chǔ)在CPU 315-2 PN/DP中。每個(gè)從站的設(shè)備控制程序均存儲(chǔ)在主站中，并由主站執(zhí)行。在Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中，上位機(jī)或主站PLC可編程序控制器要對(duì)DP進(jìn)行組態(tài)。通過STEP7軟件來進(jìn)行站號(hào)設(shè)定：主站PLC可編程序控制器設(shè)為2;從站站號(hào)最小設(shè)為3;其它從站站號(hào)依次為4、5、6、……。從站為分布式I/O模塊ET200S時(shí)，無需單獨(dú)編程，只需將模塊的BUS開關(guān)設(shè)置與站號(hào)地址一致即可。
變頻器，應(yīng)首先定義功能塊。主要定義參數(shù)有：模塊類型、通訊模塊、從站站號(hào)、波特率、傳送字號(hào)等。通過對(duì)變頻器通訊參數(shù)的組態(tài)，可以與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，也可以通過主站與其它從站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。
5.2 上位機(jī)人機(jī)界面軟件
利用組態(tài)軟件WINCC6.2提供的驅(qū)動(dòng)程序，通過以太網(wǎng)與下位機(jī)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，包括數(shù)據(jù)采集和發(fā)送數(shù)據(jù)及指令，這樣的通訊組態(tài)構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)高效率運(yùn)行。通過人機(jī)界面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控管理、故障報(bào)警、工況記錄及參數(shù)設(shè)置等功能。
6、結(jié)束語
本系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，數(shù)據(jù)采集量大，控制站多，系統(tǒng)可靠性高，經(jīng)過硬、軟件組態(tài)后，通過主站對(duì)從站的通訊控制實(shí)現(xiàn)了電子銅箔溶液制備及供給系統(tǒng)過程的自動(dòng)控制。另外通過DP總線的應(yīng)用現(xiàn)場控制電纜使用量非常少，節(jié)約了投資成本。實(shí)踐表明，西門子S7-300產(chǎn)品及技術(shù)應(yīng)用在電子銅箔行業(yè)工藝控制系統(tǒng)上，具有通訊速度快、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、控制精度高、方便安裝、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
參考文獻(xiàn)：
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3、《Profibus-DP現(xiàn)場總線在軋機(jī)過程控制中的應(yīng)用》 焦獻(xiàn)軍，沈德耀
聲明：
“S7-300在電子銅箔行業(yè)工藝控制系統(tǒng)上的應(yīng)用” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請(qǐng)聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：安徽銅冠銅箔有限公司
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