S7-400 PLC和WinCC在硅片清洗设备中的应用

引言
               
　　作为可再生能源的重要分支，太阳能以其清洁，相对便利的使用也得到了飞速发展，其中的硅材料太阳能电池在近几年的发展尤为迅速。硅片清洗机是硅材料太阳能电池生产过程中的重要设备，通过清洗机对原料硅片以及半成品电池的清洗保证了最终产品的性能稳定和优良的质量。作为一种高度智能并且功能多样的设备，plc配合上位机的控制方式就成为这类设备的首选。
            
1  系统组成及功能
               
　　整个太阳能电池的生产是一个十分复杂的工艺过程，即使清洗工艺也需根据工序、产品的区别存在多种不同配方。同时作为工业化连续生产和产品生产状态连续传递的需要，硅片清洗机应准备足够的软硬接口与erp系统和前后工序设备进行数据通讯以保证生产状态的连续性。
               
　　硅片清洗机的控制大致分为4部分：
               
　　·机械手动作控制
               
　　·清洗槽水温控制
               
　　·清洗槽工艺控制
               
　　·药品定量添加控制
               
    所有的工艺参数和状态记录全部存储于上位机，上位机可以对plc进行工艺参数的上传下载控制；并可以通过工业以太网接受上级设备传送的硅片相关产品编号，工艺标准，工艺配方等多种信息，同时将产品的相关信息传送至下道工序和erp系统。plc通过profibus上的外围模块进行模拟量、数字量数据的采集和相关执行器件的工作控制。
            
2  系统网络结构
           
　　2.1系统的组成
               
　　系统由上位计算机wincc、s7-400 plc控制器、外部i/o链路组成。wincc和s7-300之间通过industrial ethernet网络连接，外部i/o、伺服驱动器、化学药品流量仪表通过profibus总线进行连接。s7-400通过编程软件step 7进行编程和机架模块及profibus总线网络的组态配置。

         系统结构图如图1所示。

图1  系统结构图

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　　2.2控制系统的特点
               
　　安装有wincc软件的scada(supervisory control and data acquisition:数据采集监控系统)上位机通过工业以太网和plc(cpu-416-2dp)进行连接，利用工业以太网的高速特性将大量的设备实时数据从plc中读取，同时在生产的任何时刻都可以高速稳定的依据操作员的操作进行工艺配方的重新下载。具有大量数据的多个工艺配方存储在上位机的硬盘中，其数量只取决于pc机硬盘的内存空间，任何时刻plc只运行唯一的工艺配方。这样可以大大节省plc的内存空间。各种设备的实时状态通过高速以太网从plc迅速及时地传回上位机，通过wincc的报表系统将各种数据分类存档，供erp及下游下设备进行访问。plc通过profibus的各种外设i/o、伺服驱动器、流量计收集各种设备状态并对设备进行控制。

　　(1)控制器
               
　　系统使用的plc控制器为s7-400系列的cpu 416-2dp，cpu 416-2dp具有2.8mb的大容量运算内存，指令执行周期0.04us，最大寻址空间16kb，其背板k总线提供了高速数据传输。强大的自诊断功能可以帮助现场调试人员迅速的找到故障点并及时解决故障，通过扩展ip功能模块cp-443-1，cpu 416-2dp实现了工业以太网接口功能，使系统的实时通讯能力大大加强。
               
　　(2)i/o模块
               
　　系统并未选用西门子公司的分布式i/o模块，而是选择了德国倍福公司的分布式i/o模块，主要原因是同样点数的分布式系统，倍福公司的现场总线端子具有更紧凑的布局和更强大的功能。
               
　　通过现场耦合器的一次简单运算可以帮助cpu完成一些基本的数学、逻辑运算，这样大大减轻了中央处理器的运算量，使系统的反应速度大大提高。其总线端子对模拟量的处理也有其闪光之处，强大的故障诊断功能，短线保护的精准判断，系统运行的稳定性都是选择其作为现场基础总线端子的原因。
               
　　(3)上位机系统
               
　　系统上位机scada界面软件采用西门子的wincc系统软件，此软件为西门子公司开发的基于windows的上位机软件，用于开发和运行人机界面的应用程序。scada系统用来显示输送系统状态/报警信息。操作员可以凭此监视和控制设备的运行。

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　　scada系统经由industrial ethernet网络经由cp-443-1和cpu-416-2dp交换系统信息。scada 系统主动从plc取得信息，而plc是被动的，也就是说，当一个事件产生时，plc不会主动的发送信息到scada系统。所以，scada系统利用它本身的软件功能来实现事件信息记录和报警功能。
               
　　(4)编程及组态软件
              
　　cpu 416-2dp控制器编程采用step 7编程软件包，具有完善的数据处理、易于使用的i/o寻址方法、自由灵活的程序编辑环境、图形化的控制管理器及i/o组态对话框。

　　2.3 系统网络设置
               
　　系统所使用的profisbus是一个实时的现场总线控制网络，用于高速传送实时的i/o数据和控制指令，profisbus是不依赖生产厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可通过同样的接口交换息，适用于传输中小量的数据。其物理传输介质可以是屏蔽双绞线、光纤或无线传输。而工业以太网是为工业应用专门设计的，而且已经广泛的应用于生产和过程自动化，适用于大量的数据传输和长距离通信。其物理传输介质可以是同轴光缆、双绞线、光纤或无线通信。西门子工业以太网可以将控制网络无缝集成到管理网络和互联网。本例就是如此。
               
　　通过西门子step 7的netpro网络组态软件进行profibus现场总线的组态配置，通过被组态器件厂家的gsd说明文件可以很方便的将其进行组态，经过简单的参数设置就可以完成系统的组态。在实际编程中设计人员可以将伺服驱动器、远端阀岛、流量计的参数可控制指令当作简单的数字量、模拟量进行编程，大大的简化了设计人员的劳动强的，缩短了设计周期。

　　上位机的网络组态通过wincc和西门子公司的simaticnet软件实现对industrialnet支持，通过固定ip地址对plc，erp客户机上、下游几台客户机等ip站点的访问。和相关客户机归档数据的传输通过opc控件的使用实现，这大大减轻了程序员编程的时间；通过wincc自定义的通讯协议及外部变量实现同plc的实时通讯。

3  控制系统工作描述
               
　　上游设备在载片篮随传送带传送至清洗机上料台后，其上位机会将相关工艺选项号，加工号，批号等基本信息通过工业以太网实时传送给清洗机的上位机，清洗机上位机通过工艺选项号从硬盘数据库中调出相应配方并将其通过工业以太网传送至plc。
               
　　plc在接到新的配方并进行确认后进行与设工艺流程。设备分为多种清洗槽，每个槽又可以实现一个或多个清洗功能，其工作顺序由配方决定，在清洗槽中的水温按照预设的配方工艺进行加温并保持，其pid控制使用西门子系统pid功能块实现。在清洗过程中水流的循环流速是通过水泵的变频控制器实现的，变频控制器的输出频率由plc按照配方要求运算后，通过profibus总线传送，变频器的状态和实际输出频率通过plc的系统功能块进行定期读取。机械手的位移是通过festo公司提供的s7功能块运算控制，控制方法是位置控制，通过将各槽的装、卸载位置通过相应功能的运算后传送给伺服控制器控制伺服电机运转，在程序里对机械手的状态进行控制和监视。反应时间、所使用的配方、工艺选项号、工号、批号通过opc模块传送给相关客户机。整个控制协调流畅，从而完成高度的自动化任务。
            
4  结束语 
               
　　本系统是高度集成自动化系统，综合了plc控制、计算机、网络信息和现场总线技术.。特别是对通信有较高的要求，同时通信一直是工业控制中的一大难点，本系统正是利用了西门子公司提出的ti(totally integrated automation：全集成自动化)技术较好地完成了控制。从而也证明tia技术的成熟和完善。相信随着国家对信息自动化产业进一步发展，对自动化装备要求会越来越高，肯定会有越来越多的高度集成自动化系统设备面市。本系统于2004年7月投入运行，目前，系统运行稳定可靠。为公司创造了较大的社会效益和经济效益。

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