西門子1500 系列PLC 在焦爐推焦車控制系統中的應用

鄒玉超

（云南大為制焦有限公司，云南 曲靖 655000）

推焦車是焦爐生產中必不可少的重要設備，其能否安全可靠運行直接關系到焦爐生產系統的正常運轉。但由于焦爐各機車長期工作在溫度高、振動大等環境惡劣的工況下。加之其自身存在運動部件多，使用操作頻繁，聯鎖控制條件復雜等特點，這就對電氣控制系統的安全性、穩定性、可靠性提出了更高的要求。基于西門子1500 系列PLC 的機車電氣控制系統，具有性能穩定、功能強大、使用維護方便等優點，能夠有效地解決推焦車在生產使用過程中存在的問題，達到充分滿足生產工藝的使用要求，同時提高裝置的可視化、自動化程度，達到保障電氣控制系統穩定可靠運行的目的。

1 推焦車的結構及工作過程

1.1 推焦車的主要功能及結構

推焦車為搗固焦爐配套的主要機械設備之一，運行在焦爐的機側。主要功能是將炭化室中的燒結成熟的焦餅推出，并在推焦前后完成開、關機側炭化室爐門。

搗固焦爐上使用的推焦車主要由鋼結構、走行裝置、余焦處理裝置、推焦裝置、取門裝置、液壓系統和電氣系統等七部分組成。

1.2 推焦車的工作過程

根據計劃出焦爐號，推焦車走行至相應爐號前，使推焦裝置對準炭化室中心；啟動余焦刮板機組，以刮走摘門后掉落的焦炭；取門機摘下爐門；控制推焦桿將成熟的焦炭推出；推焦結束后，向裝煤車的反方向走行避讓裝煤車裝煤；裝煤結束后，推焦車再次開回至剛裝完煤的爐孔，利用取門裝置關閉爐門；停止余焦刮板機組運轉。上述各部分操作動作結束后，推焦機完成一個循環操作動作，又行駛到下一出焦的炭化室前，進入下一次循環操作。[1]

2 控制系統方案設計

2.1 總體電氣控制系統方案設計

控制系統采用西門子1500 系列PLC 控制器，由于現場設備輸入輸出信號較為分散，為減少控制電纜敷設的長度和數量，同時降低后續維護工作量及電氣故障率，提高控制系統的安全性和穩定性，控制系統采用PROFIBUS-DP 總線控制方式，共設置一個主站，一個從站。在配電室內裝設一套PLC 主站，同時配置相應的IO 模塊，用于配電室內相應設備的信息采集和控制；在液壓室內設置一套IO 從站及相應的IO 模塊，用于液壓室及部分現場相應設備的信息采集和控制。[2]

設備的操控采用按鈕、主令開關及觸摸屏相結合的方式。按鈕主要用于緊急停車、控制電源的分合等；主令開關用于推焦車走行及推焦桿的控制；其余設備的控制均可通過觸摸屏操作實現，同時在觸摸屏上組態推焦車相應監視畫面，便于操作人員使用和掌握相關狀態。觸摸屏與PLC 之間通過PRFINET 協議使用網線進行連接。

2.2 推焦車走行單元控制

推焦車走行裝置主要由4 臺額定功率為30kW 的變頻調速三相異步電動機進行驅動。由于是重載啟動，變頻器選用2 臺額定功率為90kW 的西門子G120 系列變頻器，通過一拖二的方式驅動4 臺走行電機。推焦車的左、右走行方向及速度通過操作臺上的主令開關進行控制。

2.3 推焦車推焦單元控制

推焦車推焦裝置主要由1 臺額定功率為132kW 的三相繞線式異步電動機進行驅動，通過轉子回路串電阻進行調速。推焦桿的前、后行方向及速度通過操作臺上的主令開關進行控制，共設置4 個調節速度。

2.4 推焦車液壓單元控制

推焦車的液壓控制系統主要為油泵、總溢流閥、電磁閥等，其動作均通過操作室內的觸摸屏進行操作。取門機前/后行、提門、落門等動作通過液壓油缸驅動，油缸各溢流閥、電磁閥由PLC 模塊輸出控制后，再經中間繼電器進行隔離、擴容。[3]

3 控制系統硬件設計

3.1 可編程控制器PLC

3.1.1 PLC 的選型

控制系統選用西門子S7-1500 系列PLC 作為控制器，它是一套模塊化控制系統，適用于自動化領域內的各種應用，其集成有各種不同類型的 CPU，可通過PROFINET、PROFIBUS 等通信模塊以及IO 模塊對CPU進行擴展，硬件配置較為靈活。

3.1.2 PLC 的硬件系統配置

PLC 硬件系統采用PROFIBUS 總線通訊方式，設置1 個主站，1 個從站，各主、從站根據IO 通道的數量配置不同的模塊類型及數量。

1.PLC 主站共配置11 塊模塊，具體分配如下：

（1）模塊1 為系統電源模塊，連接到背板總線，并通過內部電源為已組態的模塊供電。

（2）模塊2 為CPU,它是PLC 的核心部件，主要作用是控制整個系統協調一致地運行。

（3）模塊3 為通信處理器，用于將1500 PLC 連接至PROFIBUS 總線，設置通信地址為2。

（4）模塊4 為高速計數模塊，通過與現場推焦桿旋轉編碼器連接，用于監測推焦桿的實時行程。

（4）模塊5、6、7、8 為數字量輸入模塊，用于接收配電室內相應設備的開關量輸入信號，如推焦、走行主令的輸入信號；推焦接觸器的反饋信號等。

（5）模塊9、10 為數字量輸出模塊，用于控制配電室內相應設備的接通或斷開，如推焦前、后行及速度接觸器的通斷控制；左、右走行及調速中間繼電器的通斷控制等。

（6）模塊11 為模擬量輸入信號模塊，用于接收4mA～20mA 的推焦電流模擬信號。

2.推焦車液壓室從站共配置7 塊模塊，具體分配如下：

（1）模塊1 為接口模塊，用于連接PROFIBUS 總線，設置通信地址為3。

（2）模塊2、3、4、5 為數字量輸入模塊，用于接收液壓室、現場設備相應的開關量輸入信號，如油缸限位開關輸入信號、現場限位開關輸入信號、油泵接觸器的反饋信號等。

（3）模塊6、7 為數字量輸出模塊，用于控制液壓室內相應設備的接通或斷開，如油泵接觸器的通斷控制；各油缸動作的通斷控制等。

3.2 變頻器

變頻器選擇西門子SINAMICS G120 系列變頻器，該系列變頻器功能強大，操作簡單，擴展性強，使得在使用和調試過程中較為方便，提高了工作效率，節約了維護成本。

西門子SINAMICS G120 系列變頻器采用模塊式結構，主要由功率單元+控制單元+操作面板，構成一臺標準的G120 變頻器。

3.3 觸摸屏

為了便于PLC 與觸摸屏之間建立通信，以及提高監控畫面的組態效率，同時為便于操作人員的操控使用，選用的觸摸屏類型為西門子TP1500 HMI 精智面板，該HMI 精智面板是新一代西門子HMI 觸摸屏中重要的一款產品，具有多種配置，能夠滿足在不同現場情況下的需求。通過TIA 博途軟件，可以方便地對設備進行組態編程和控制操作，提高工程效率。

4 控制系統軟件設計

4.1 PLC 程序設計

PLC 程序采用梯形圖進行編程，由一個主程序及4 個子程序（推焦、走行、取門、液壓）構成，程序的編寫在計算機上完成，編譯后通過網線將程序下載到PLC，實現控制任務的完成。

4.1.1 控制系統主程序設計

PLC 主程序主要由走行移門單元允許推焦、走行推焦單元允許移門、推焦移門單元允許走行、推焦行程檢測、監控畫面自動切換、子程序調用等程序構成。走行、移門、推焦三個單元之間具有相互聯鎖，相應單元聯鎖程序滿足后，另一單元才具備允許操作的條件，確保設備的安全操作。

推焦行程檢測程序段，主要將與推焦桿傳動裝置連接的旋轉編碼器輸入信號轉換后，用于檢測推焦桿實時行程。

4.1.2 移門單元子程序設計

該子程序主要為移門單元各液壓裝置電磁閥的輸出控制，移門單元設置有現場及操作室2 種操作方式，通過轉換開關進行切換，當切換為現場操作時，可通過現場按鈕操作各液壓裝置動作，操作室操作無效；當切換為操作室操作時，可在操作室觸摸屏上操作各液壓裝置動作，現場操作無效。[4]

4.1.3 推焦單元子程序設計

該子程序主要為推焦方向及速度控制。當有外部推焦方向輸入信號時，相應推焦方向輸出觸點接通動作；在低轉速運行有反饋信號的前提下，有高速輸入信號時，相應的高轉速輸出觸點接通；當推焦桿控制無相應的輸入信號或推焦桿到達前、后限位時，則相應的輸出接點停止輸出；當推焦向前或向后運行時，推焦抱閘輸出觸點接通，抱閘打開；當推焦向前或向后停止時，推焦抱閘輸出觸點斷開，抱閘關閉。

4.1.4 走行單元子程序設計

該子程序主要為走行方向及速度控制。當有外部走行方向輸入信號時，相應走行方向輸出觸點接通，變頻器運行，推焦車開始走行；在低轉速走行有反饋信號的前提下，有高速輸入信號時，相應的高轉速輸出觸點接通，控制變頻器輸出對應的頻率，推焦車以輸入信號對應的速度走行；當走行向左/向右運行時，走行抱閘、散熱風扇輸出觸點接通，抱閘打開、散熱風機運行；當走行向左/向右停止時，走行抱閘、散熱風扇輸出觸點斷開，抱閘關閉、散熱風機停止運行。

4.1.5 液壓單元子程序設計

該子程序主要為油泵、刮板機、空壓機、溢流閥控制。油泵控制程序主要為：當油泵無故障信號、無運行信號時，在觸摸屏上點擊油泵啟動后，油泵啟動運行；當運行中的油泵出現故障信號或按下油泵停止后，油泵停止運行。溢流閥及各液壓裝置電磁閥控制段程序主要為：當油泵在運行的狀態下，任意一個液壓電磁閥有輸出信號時，溢流閥自動動作接通油壓。刮板機、空壓機控制程序主要為：當刮板機/空壓機無故障信號、無運行信號時，在觸摸屏上點擊啟動按鍵后，相應輸出繼電器動作，刮板機/空壓機啟動運行；當運行中的刮板機/空壓機出現故障信號或按下停止按鍵后，其輸出觸點斷開，刮板機/空壓機停止運行。

4.2 變頻器參數設置

根據變頻器的控制原理，結合西門子G120 變頻器的自身特點，在確保滿足工藝使用要求和充分發揮變頻器優良性能的前提下，將變頻器的主要參數設置如下：

電機額定電壓P304=400V；電機額定電流P0305=124A；電機額定功率P0307=60kW；電機額定頻率P0310=50Hz；電機額定轉速P0311=980rpm；轉速固定設定值選擇模式P1016=2；轉速固定設定值選擇位0 P1020=r722.0；轉速固定設定值選擇位1 P1021=r722.1；轉速固定設定值選擇位2 P1022=r722.4；轉速固定設定值選擇位3 P1023=r722.5；主設定值P1070=r1024 轉速固定設定值；斜坡函數發生器斜坡上升時間P1120=10S；斜坡函數發生器斜坡下降時間P1121=20S。

4.3 觸摸屏畫面組態

畫面組態仍然采用西門子公司提供的全集成自動化軟件TIA portal。組態內容包括設備添加、網絡連接、變量添加或導入、創建畫面等，并將監控畫面與PLC進行關聯，實現觸摸屏對PLC 的輸入控制、PLC 相應數值對觸摸屏的輸出顯示。為方便操作使用及設備狀態監控，推焦車共設置推焦、走行、取門3 個監控畫面。[5]

1.推焦監控畫面，主要監視推焦運行狀態、推焦桿前/后限位、推焦桿行程、允許推焦條件等，同時還可控制油泵、空壓機的啟停動作等。

2.走行監控畫面，主要監視走行方向、走行速度、走行電機及變頻器故障信息等。

3.取門監控畫面，主要監視取門單元各限位狀態、油泵及溢流閥運行狀態等；同時用于控制取門單元各電磁閥的動作，油泵、刮板機的啟停操作等。

5 結論

基于西門子1500 系列PLC 的自動化工控產品在焦爐推焦車上的綜合應用，極大地提高了設備的自動化控制水平，減少了大量外部繁雜的控制線路，使控制線路化繁為簡，提升了設備的安全性和可靠性，方便了操作人員的操作使用，大幅地降低了電氣設備維護工作量和故障發生率，具有較強的經濟性、可靠性和穩定性。