1、引言
电子铜箔的生产流程主要是：溶铜、生箔、表面处理及分切，如图一所示，其中电解液的制备系统及供液系统为主要工艺的核心，如何确保整个供液系统中电解液的流量、温度、浓度、液位、压力、PH等工艺参数符合生产工艺要求是生产出优质铜箔的前提条件。
整个工艺过程设备多，布局分散、工艺复杂，主要原料硫酸，又是强腐蚀性液体。为保证安全生产、保证产品质量采用可靠的自动化控制系统显得尤为重量。
2、工艺及控制功能
电子铜箔生产线的控制系统可分为电解液制备、毛箔生产、表面处理等系统。本文主要阐述了PROFIBUS-DP在生箔和表面处理中电解液制备和电解液供液系统中的控制系统设计。
电解液制备：主要由下料、溶铜、循环、热交换、净化等构成。被控对象有：循环槽、净液槽、高位槽等设备的温度、液位、流量、浓度等控制和监测。
供液系统：硫酸铜溶液制备好后，进入到下一工序生箔机和表面处理机。生箔机主要是通过电解生成毛箔，而表面处理机是对毛箔进行处理，主要由酸洗、粗化、固化、防氧化等构成。被控对象有：各槽罐液位、温度、离子浓度、PH、流量及搅拌等控制和监测。
电控任务是电解铜箔生产线重要组成部分之一，是生产线各工步有序进行、各工步中设备协调动作的组织者和指挥者。铜箔质量的好坏与硫酸铜溶液的浓度、温度、流量、PH值等工艺参数的稳定关系密不可分人;同时，参数设置、系统状态监控、数据处理及故障报警等也是系统的主要任务。电气控制系统要求可靠性高，适用性强，控制精度波动小，控制点数量达到1300多点。有温度监控、压力监控、流量监控、液位监控、离子浓度监控、PH监控等诸多参数，且各参数点分布广、执行机构多。其工艺流程如图1：
图1 电解铜箔生产工艺流程
3、控制系统设计
采用三层分布式计算机测控系统，系统网络拓扑图见图2，第一层为监测层，以西门子ET200S及变频器为监测终端，完成对现场设备的测控;第二层为控制层，以西门子S7-300PLC为控制核心，完成对整个生产工艺的自动化控制;第三层为监视层，以三台计算机为硬件基础，配以测控软件，完成对整个系统的自动化监视及运行管理，工艺参数修改、运行过程显示，事件报警及记录，生产数据记录，生产报表的生成等。
这三层采用PROFIBUS-DP、USS及Ethernet三种通讯网络，远程站采用PROFIBUS-DP;变频器的测控采用USS通讯，将易产生谐波等其它因素干扰的变频器采用USS通讯网络与远程站PROFIBUS-DP相隔离，以提高系统的抗干扰能力。
图2电解液制备及供液系统控制网络拓扑图
3.1 现场监测层
现场监测层选用西门子远程I/O站ET200S，共有40台，负责采集现场的温度、流量、压力、离子浓度、液位、PH值等模拟量参数，以及操作现场控制按钮的状态等。所有的远程I/O站均工作在Profibus-DP Slave模式下，每个远程I/O站均配置适量的DI、DO、AI及AO模块。变频器选用西门子MM430系列产品，通过其自带的RS485接口，利用其内置的USS协议与控制层PLC进行通讯，实现对现场设备转速的控制。
3.2 控制层
整个控制系统由6套PLC控制，PLC选用西门子S7-300系列，支持Profibus-DP的CPU 315-2 PN/DP，通过Profibus-DP现场总线和USS高效、可靠的完成系统的过程控制和逻辑控制，通过以太网Ethernet组成局域网向上位机传输数据。每个站均配置适量的DI、DO模块以及1块CP340模块进行现场的控制，CP340模块与西门子MM430变频器进行通讯。
3.3 监控层
监控主站选用美国DELL商用计算机，2台操作员工作站，1台工程师站兼服务器。3台计算机与6套S7-300PLC主站组成局域网，采用西门子WinCC视窗控制中心进行控制和监测，完成对整个生产线重要工艺参数监测、分析和存储，并能优化各工艺参数;通过对不同规格的铜箔工艺参数的录入提供多套最佳工艺参数的运行程式;能够对系统各个装置提供各种报警保护功能、故障监测功能、保护并显示可能的故障位置，将系统出现的意外故障损失降到最小。
监控层实现了在中控室对整个控制系统的实时测控，具有实时采集与监控显示功能。在中控室汇集的来自生产现场的温度、流量、液位、离子浓度、PH值、压力等进行实时采集，并以工艺流程图、曲线图、报表等方式通过数值或图形来实时反映生产现场的信号变化情况。
4、硬件组态
该系统由3台上位机、6个Profibus-DP主站、多个Profibus-DP从站及现场设备组成;Profibus-DP总线将所有主站和从站连接成一个完整的过程控制网。
6个Profibus-DP总线主站分别为生箔(2套)和表面处理(2套)中电解液制备和电解液供液系统、冷却循环水系统及辅助系统，各个子系统相对独立。Profibus-DP从站按子系统划分归属，此系统为控制网络的现场设备级。
变频器通过USS协议与各个主站进行通讯，与主站进行快速数据交换;变频器具有高可靠性和高精度要求，并具有快速响应和综合自诊断能力，配合CP340模块，组成一个保护功能完备、通讯快捷的过程控制网络。CP340模块与传动装置与主站之间通过屏蔽双绞线传送数据，传输距离取决于传输速率。
5、软件构成及组态
软件包括下位机PLC控制软件和上位机人机界面软件，组态软件为STEP7-5.4及WINCC6.2，其中STEP7-5.4完成系统组态和编程，WINCC6.2用于系统现场监控，实现人机界面。
5.1 控制层下位机PLC控制软件
本系统下位机采用SIMATIC S7-300的配套编程工具STEP7，完成硬件组态、参数设置、PLC程序编制、测试、调试和文档处理。通常，用户程序由组织块(OB)、功能块(FB、FC)和数据块(DB)构成。其中OB是系统操作程序与应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的运行;FB、FC是用户子程序;DB是用户定义的用于存储数据的存取区。PLC程序在上位机编译完成后下载到CPU 315-2 PN/DP，并存储在CPU 315-2 PN/DP中。每个从站的设备控制程序均存储在主站中，并由主站执行。在Profibus-DP网络中，上位机或主站PLC可编程序控制器要对DP进行组态。通过STEP7软件来进行站号设定：主站PLC可编程序控制器设为2;从站站号最小设为3;其它从站站号依次为4、5、6、……。从站为分布式I/O模块ET200S时，无需单独编程，只需将模块的BUS开关设置与站号地址一致即可。
变频器，应首先定义功能块。主要定义参数有：模块类型、通讯模块、从站站号、波特率、传送字号等。通过对变频器通讯参数的组态，可以与主站进行数据通讯，也可以通过主站与其它从站进行数据通讯。
5.2 上位机人机界面软件
利用组态软件WINCC6.2提供的驱动程序，通过以太网与下位机PLC进行数据通讯，包括数据采集和发送数据及指令，这样的通讯组态构成一个完整的系统，保证了系统高效率运行。通过人机界面，可实现对整个系统的动态监控管理、故障报警、工况记录及参数设置等功能。
6、结束语
本系统自动化程度高，数据采集量大，控制站多，系统可靠性高，经过硬、软件组态后，通过主站对从站的通讯控制实现了电子铜箔溶液制备及供给系统过程的自动控制。另外通过DP总线的应用现场控制电缆使用量非常少，节约了投资成本。实践表明，西门子S7-300产品及技术应用在电子铜箔行业工艺控制系统上，具有通讯速度快、抗干扰能力强、可靠性高、控制精度高、方便安装、易于维护等优点，经济效益显著。
参考文献：
1、《从入门到精通:西门子S7-300/400PLC技术与应用》张运刚，宋小春，郭武强
2、《西门子MM430变频器使用手》 西门子(中国)有限公司
3、《Profibus-DP现场总线在轧机过程控制中的应用》 焦献军，沈德耀
声明：
“S7-300在电子铜箔行业工艺控制系统上的应用” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：安徽铜冠铜箔有限公司
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2024年06月21日 ~ 23日 
