基于總線(xiàn)控制的SIMATIC分布式I/O堆取料機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳中華（唐山冀東裝備工程股份有限公司，河北 唐山 0630000）

0 前言

隨著環(huán)保及安全生產(chǎn)形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，投產(chǎn)于2008年的金隅冀東水泥西南區(qū)域某公司的煤堆取料機(jī)由于其建成較久、地理位置環(huán)境較潮濕、運(yùn)行環(huán)境惡劣、粉塵大、控制柜密閉性差等原因，電氣柜內(nèi)粉塵對(duì)元件運(yùn)行可靠性和壽命造成巨大影響，同時(shí)響應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)保與安全管理部門(mén)要求，現(xiàn)提高煤堆取料機(jī)運(yùn)行的可靠性成了重中之重，需要對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造。

目前冀東水泥煤堆取料機(jī)或其他設(shè)備使用的大部分電控系統(tǒng)，都是采用傳統(tǒng)空開(kāi)+接觸器控制方法來(lái)控制電機(jī)的啟停，建設(shè)初始時(shí)可能布線(xiàn)縝密，但調(diào)試時(shí)難免對(duì)線(xiàn)路進(jìn)行調(diào)整，尤其是發(fā)生故障、檢修后無(wú)法恢復(fù)至初始狀態(tài)，導(dǎo)致電氣柜內(nèi)線(xiàn)路繁雜，因此很容易發(fā)生線(xiàn)路故障；同時(shí)對(duì)電機(jī)的監(jiān)測(cè)參數(shù)單一，只能監(jiān)控一些斷路器分合狀態(tài)、接觸器吸合狀態(tài)信號(hào)等開(kāi)關(guān)量信號(hào)，對(duì)電機(jī)電流等重要運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也不能及時(shí)有效地進(jìn)行故障預(yù)警和生產(chǎn)工藝調(diào)整。對(duì)此，我們采用SIMATIC ET 200AL分布式I/O系統(tǒng)對(duì)堆取料機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)，以下作一介紹。

1 SIMATIC分布式I/O系統(tǒng)

以SIMATIC ET 200AL分布式I/O系統(tǒng)為例，分布式I/O是一個(gè)可擴(kuò)展的、高度靈活的分布式I/O系統(tǒng)，用于通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)將過(guò)程信號(hào)連接到上一級(jí)控制系統(tǒng)。易于使用，其接頭采用了不同的顏色編碼，可以輕松的完成設(shè)備間的連接。適用于狹小空間、移動(dòng)式應(yīng)用中的裝配和處理技術(shù)。由接口模塊(PROFINET/PROFIBUS)、數(shù)字量和模擬量I/O模塊、通信模塊組件構(gòu)成。借助其可擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)，用戶(hù)可以根據(jù)自己的現(xiàn)場(chǎng)需求精確自定義具體組態(tài)。防護(hù)等級(jí)為IP65/IP67。

帶有PROFINET接口模塊的SIMATIC ET 200AL分布式I/O系統(tǒng)的組態(tài)示例見(jiàn)圖1。

圖1 分布式I/O系統(tǒng)的組態(tài)示例

2 堆取料機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備老化問(wèn)題的針對(duì)性設(shè)計(jì)

該水泥廠由于建成年代較遠(yuǎn)，許多設(shè)備已老化。對(duì)此我們將所有設(shè)備的驅(qū)動(dòng)采用基于總線(xiàn)技術(shù)的分布式驅(qū)動(dòng)，各種傳感器、限位開(kāi)關(guān)的信號(hào)采集使用防護(hù)等級(jí)IP67的SIMATIC分布式I/O模塊，采用基于PROFINET介質(zhì)冗余協(xié)議（MRP）環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。電控系統(tǒng)的主要元件支持MRP協(xié)議。

2.2 水泥廠環(huán)境惡劣，數(shù)據(jù)單一

對(duì)此水泥廠環(huán)境惡劣，數(shù)據(jù)單一的問(wèn)題，我們對(duì)原控制室電控柜內(nèi)一次回路、控制回路和PLC控制元件進(jìn)行重新布置，采用總線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集和設(shè)備驅(qū)動(dòng)，減少輸入、輸出繼電器和接觸器，大大減少各種接線(xiàn)，同時(shí)豐富監(jiān)測(cè)參數(shù)；采用高防護(hù)等級(jí)的分布式模塊，在提高整個(gè)電氣系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的基礎(chǔ)上豐富和完善設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)，降低設(shè)備故障率，減少運(yùn)維工作量和成本。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見(jiàn)圖2。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.3 水泥廠密閉性差，安保性差

根據(jù)不同的密閉和防護(hù)需求，有專(zhuān)門(mén)針對(duì)性的配置不同的SIMATIC分布式I/O系統(tǒng)，系統(tǒng)控制單元組成部分如下：

（1）懸臂皮帶I/O單元。由皮帶機(jī)保護(hù)傳感器、料位控制檢測(cè)傳感器組成，主要配置一般分布式I/O模塊，再分配一面I/O控制柜，控制柜防護(hù)等級(jí)IP65。

（2）回轉(zhuǎn)電機(jī)控制單元。由回轉(zhuǎn)電機(jī)、強(qiáng)制潤(rùn)滑泵電機(jī)、回轉(zhuǎn)抱閘組成，配置專(zhuān)門(mén)針對(duì)環(huán)境惡劣的防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP65的變頻器以及高性能的SIMAT?IC分布式I/O系統(tǒng)，防護(hù)等級(jí)高達(dá)IP67，再分配一面I/O控制柜，控制柜防護(hù)等級(jí)IP65。

（3）干油潤(rùn)滑單元。由上支承干油泵、中部支承干油泵、外齒輪干油泵組成，配置專(zhuān)門(mén)針對(duì)環(huán)境惡劣的SIMATIC分布式I/O系統(tǒng)，其防護(hù)等級(jí)高達(dá)IP67，再分配一面I/O控制柜，控制柜防護(hù)等級(jí)IP65。

（4）液壓系統(tǒng)單元。由變幅泵、油冷卻電機(jī)、液壓站傳感器組成，主油泵配置高性能總線(xiàn)軟起動(dòng)器，其余設(shè)備配置專(zhuān)門(mén)針對(duì)環(huán)境惡劣的高性能分布式I/O系統(tǒng)，防護(hù)等級(jí)高達(dá)IP67，分配一面I/O控制柜，控制柜防護(hù)等級(jí)IP65。

（5）行走控制I/O單元。由工作行走電機(jī)、調(diào)車(chē)行走電機(jī)、行走抱閘組成，配置專(zhuān)門(mén)針對(duì)環(huán)境惡劣的防護(hù)等級(jí)大道IP65的變頻器以及高性能的SIMAT?IC分布式I/O系統(tǒng)，防護(hù)等級(jí)高達(dá)IP67，分配一面I/O控制柜，控制柜防護(hù)等級(jí)IP65。

SIMATIC分布式I/O系統(tǒng)具有體積小、接線(xiàn)簡(jiǎn)單、放線(xiàn)成本小，美觀度高、功能更豐富的特點(diǎn)，離散型模塊化的系統(tǒng)，高度靈活的DP從站，用于連接中央控制器或現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)上的過(guò)程信號(hào)，特別適合用于需要電機(jī)啟動(dòng)器和安全裝置的開(kāi)關(guān)柜，支持現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)類(lèi)型PROFIBUS DP和PROFINET IO，這些也為后期公司智能工廠建設(shè)打下網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）可靠性?；赑ROFINET介質(zhì)冗余協(xié)議（MRP）環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，介質(zhì)冗余結(jié)構(gòu)典型重新組態(tài)時(shí)間為200ms，顯著提高了設(shè)備的可用性，因?yàn)閱蝹€(gè)設(shè)備的故障對(duì)通信沒(méi)有影響；在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，可以進(jìn)行快速的網(wǎng)絡(luò)診斷并加快故障排除。

IP65（I/O柜）+IP67（元件）的雙重防護(hù)，大大降低柜內(nèi)粉塵對(duì)元件的影響。

（2）先進(jìn)性。設(shè)備全部采用基于PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的分布式驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行設(shè)備控制和狀態(tài)參數(shù)采集。極大的減少柜內(nèi)布線(xiàn)，豐富數(shù)據(jù)采集內(nèi)容，是目前最先進(jìn)的工業(yè)控制系統(tǒng)。

（3）防爆設(shè)計(jì)的優(yōu)化。尤其是在煤的堆取料機(jī)上或防護(hù)要求高的易燃易爆物的堆取料上，采用防爆電控柜，符合可燃粉塵環(huán)境GB12476.1—2000標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定的21區(qū)、22區(qū)使用規(guī)定。

通過(guò)這種方式改造，能夠使設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性大幅提高，降低維護(hù)工作量及運(yùn)維成本，同時(shí)也滿(mǎn)足當(dāng)?shù)丨h(huán)保與安全管理部門(mén)要求。