趙魯東

(本鋼(集團(tuán))礦業(yè)有限責(zé)任公司 石灰石礦，遼寧 本溪 117002)

1 研究背景

在當(dāng)今現(xiàn)代化企業(yè)中，工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的工業(yè)自動(dòng)化控制應(yīng)用越來越普及，特別是在一些冶金和汽車工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，PLC可編程邏輯控制器在生產(chǎn)控制領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位，近年來迅速發(fā)展，在生產(chǎn)工業(yè)自動(dòng)控制過程中所占比例越來越大。

PLC可編程邏輯控制器又是微機(jī)技術(shù)與常規(guī)繼電器控制相結(jié)合的產(chǎn)物，應(yīng)用簡(jiǎn)單地與電氣技術(shù)相近的編程語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)順序控制、時(shí)序控制、連鎖控制系統(tǒng)。隨著PLC軟硬件基礎(chǔ)提升，人工智能技術(shù)發(fā)展以及人類對(duì)生產(chǎn)過程更完整的認(rèn)識(shí)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)過程控制已趨成熟，并開始為全世界工廠過程控制專家提供方便可靠的協(xié)助。最新學(xué)術(shù)報(bào)告顯示，一個(gè)好的PLC控制系統(tǒng)控制結(jié)果相當(dāng)或略高于一般有經(jīng)驗(yàn)的專家水平。PLC利用高速的CPU分析現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行高速運(yùn)算并得到相應(yīng)控制結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的最優(yōu)控制。在生產(chǎn)過程自動(dòng)控制中，PLC通過幫助操作工分析、完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正確、高效控制。傳統(tǒng)的電氣自動(dòng)控制，通過繼電器和接觸器相結(jié)合實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的順序和時(shí)序控制方式，其存在接線復(fù)雜，電氣連鎖線多，維修不便，故障率高，控制方式固定，如工藝改變，需重新配線等缺陷。PLC可編程邏輯控制器根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，通過簡(jiǎn)單的電氣接線和相關(guān)的控制信號(hào)的引入，進(jìn)行邏輯編程和邏輯指令，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備順序和時(shí)序運(yùn)轉(zhuǎn)的功能。相對(duì)傳統(tǒng)的電氣自動(dòng)控制而言PLC可編程控制器系統(tǒng)具有維修方便、可靠性高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還具有不需改動(dòng)外部接線，就能根據(jù)工藝要求，改變控制方式的優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)PLC可編程控制器的特點(diǎn)，PLC可編程邏輯控制器常常應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中，如大型軋鋼機(jī)系統(tǒng)、工藝爐窯系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)中。

2 PLC電控系統(tǒng)實(shí)例分析

由于工作關(guān)系，經(jīng)常接觸到西門子S7-300和S7-200系列可編程控制器[1]。在一個(gè)960 m2負(fù)壓布袋除塵器的電控系統(tǒng)中，S7-300和S7-200系列兩個(gè)可編程控制器分別控制主電機(jī)部分和反吹風(fēng)系統(tǒng)。如圖1所示的960 m2負(fù)壓布袋除塵器PLC系統(tǒng)構(gòu)架圖，主電機(jī)由S7-300作為主站控制，反吹風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)中的反吹風(fēng)和切換閥電機(jī)由S7-200作為從站控制，操作人員通過PC機(jī)和鍵盤對(duì)主站進(jìn)行控制，主站通過DP電纜通訊又對(duì)從站進(jìn)行控制和讀取數(shù)據(jù)。

圖1 960 m2負(fù)壓布袋除塵器PLC系統(tǒng)構(gòu)架圖

960 m2負(fù)壓布袋除塵器的PLC工作構(gòu)架圖的配置，由于工程安裝時(shí)廠家隨機(jī)附帶的從站控制的遺留問題，此種PLC工作站配置方式，適用于主站控制模塊有限，采用從站擴(kuò)展模塊控制方式。從幾年運(yùn)行記錄看，這方式常出現(xiàn)是由于主從站控制環(huán)節(jié)和控制點(diǎn)多，其中有一點(diǎn)或環(huán)節(jié)動(dòng)作延遲，就會(huì)造成切換閥不動(dòng)作的故障，影響除塵器除塵效果。

經(jīng)實(shí)地調(diào)研和在線查看西門子S7-300PLC主站中的絕對(duì)地址分配情況和開關(guān)量模塊控制點(diǎn)的分配情況，此種配置方式，有利于PLC控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化和優(yōu)化，大大地化簡(jiǎn)了中間控制環(huán)節(jié)和控制點(diǎn)，同時(shí)還克服了原來切換閥不動(dòng)作的故障。對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化后的960 m2負(fù)壓布袋除塵器PLC系統(tǒng)，更為科學(xué)和合理，也對(duì)優(yōu)化后960 m2負(fù)壓布袋除塵器反吹風(fēng)系循環(huán)統(tǒng)的PLC電控系統(tǒng)程序進(jìn)行了重新編寫和設(shè)計(jì)[2]。

3 PLC電控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 PLC電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

反吹風(fēng)電機(jī)容量為7.5 kW，電機(jī)額定電流為13.5 A；切換閥電機(jī)容量為0.55 kW，電機(jī)額定電流為0.95 A。

3.1.1 空氣開關(guān)選用

根據(jù)電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)查得空氣開關(guān)選用經(jīng)驗(yàn)公式：空氣開關(guān)脫扣瞬時(shí)脫扣整定電流Ix?KIq(K為安全系數(shù)，一般取1.7；Iq為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流，一般為電動(dòng)機(jī)額定電流的5～7倍)。熱脫扣動(dòng)作值按線路額定電流的1～1.05倍整定，空氣開關(guān)的額定工作電流按線路最大的工作電流選擇。

3.1.2 接觸器選用

根據(jù)電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)查得接觸器選用經(jīng)驗(yàn)公式：

Ie=PN×103/KUN

式中：K為計(jì)算系數(shù)(取1～1.4)；PN為被控電機(jī)額定功率(千瓦)；UN為電機(jī)額定線電壓；Ie為接觸器主觸頭電流。

3.1.3 熱繼電器的選用

遵循熱繼電器的整定電流通常與電動(dòng)機(jī)的額定電流相等，如電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，或電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的是沖擊性負(fù)載，熱繼電器的整定電流要稍高于電動(dòng)機(jī)的額定電流的原則。

根據(jù)以上理論數(shù)據(jù)選擇，空氣開關(guān)的額定電流為15 A，開關(guān)瞬時(shí)脫扣整定電流為161 A，熱脫扣器電流為14.175≈15 A，接觸器的主觸頭額定電流為14 A，線圈吸引電壓為220 V， 熱繼電器選用動(dòng)作保護(hù)電流為15 A的熱繼電器。

3.2 PLC電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

反吹風(fēng)系統(tǒng)電氣原理圖中分別引入集中控制信號(hào)和運(yùn)行控制信號(hào)，兩信號(hào)通過輸入繼電器耦合方式，耦合到PLC控制器開關(guān)量輸入模板上，進(jìn)行邏輯控制，然后在通過PLC上開關(guān)量輸出模板，饋出控制信號(hào)，在通過輸出繼電器耦合，來控制接觸器線圈動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)反吹風(fēng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。

切換閥電氣原理圖中也分別引入集中和運(yùn)行控制信號(hào)，接近開關(guān)零位和艙室位信號(hào)通過輸入繼電器耦合，耦合到PLC控制器上開關(guān)量輸入模板上進(jìn)行邏輯控制，然后通過PLC上開關(guān)量輸出模板，饋出控制信號(hào)，通過輸出繼電器耦合，來控制接觸器線圈動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)切換閥電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，零位和艙室位信號(hào)給PLC的上位監(jiān)控機(jī)HMI的畫面提供信號(hào)。

3.3 PLC系統(tǒng)構(gòu)成PLC300站—HMI上位監(jiān)控機(jī)系統(tǒng)

PLC系統(tǒng)軟件系統(tǒng)采用Step7 V5.3設(shè)計(jì)與編程。Step7是一個(gè)對(duì)S7-300和S7-400 PLC進(jìn)行編程的應(yīng)用軟件包，在線調(diào)試直觀、便捷，可用梯形圖(LAD)、功能塊圖(FBD)、語(yǔ)言表(STL)方式編程，除了可以編制程序塊之外，還可設(shè)定各種參數(shù)、在線檢測(cè)、查詢故障等。本工程根據(jù)工藝流程，按照不同的連鎖關(guān)系組成各種運(yùn)行方式，在中控室對(duì)各設(shè)備進(jìn)行集中控制。對(duì)系統(tǒng)采集各種類型信號(hào)，利用各種計(jì)算功能、數(shù)據(jù)變換功能等實(shí)現(xiàn)，模擬量信號(hào)有主電機(jī)風(fēng)門的流量、壓力、溫度及熱值，以及數(shù)字量信號(hào)反吹風(fēng)電機(jī)和切換閥電氣的運(yùn)行狀態(tài)、故障和啟/停信號(hào)。系統(tǒng)操作功能有自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作方式，正常運(yùn)行時(shí)采用自動(dòng)方式，故障和調(diào)試時(shí)采用手動(dòng)方式[4]。

3.3.1 HMI上位監(jiān)控機(jī)系統(tǒng)

(1)960 m2負(fù)壓布袋除塵器反吹風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)的PLC電控系統(tǒng)連鎖控制；

(2)960 m2負(fù)壓布袋除塵器反吹風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。

3.3.2 HMI系統(tǒng)

上位監(jiān)控機(jī)作為系統(tǒng)的人機(jī)界面，通過監(jiān)控軟件WINCC V6.0實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的對(duì)話，通過工業(yè)ETHERNET對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)采用客戶/服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，服務(wù)器、客戶機(jī)均位于主控室，兩臺(tái)機(jī)器同步顯示操作畫面和設(shè)備狀態(tài)信息、故障信息警信息，因此維護(hù)人員可在第一時(shí)間獲得信息。監(jiān)控機(jī)軟件包括WINCC V6.0的開發(fā)版和運(yùn)行版，開發(fā)版軟件為將來的畫面修改提供了方便。

畫面顯示功能：該畫面通過WINCC 6.0軟件組態(tài)編輯實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬顯示整個(gè)960 m2負(fù)壓布袋除塵器反吹風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程。利用數(shù)據(jù)鏈接技術(shù)使得畫面上的元件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、閃爍、變色等功能，讓畫面上的工藝參數(shù)以數(shù)字、棒圖的形式實(shí)時(shí)顯示，并對(duì)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。

3.4 960 m2負(fù)壓布袋除塵器反吹風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)Step7梯形圖(LAD)程序工作介紹

960 m2負(fù)壓布袋除塵器反吹風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)Step7梯形圖(LAD)程序如圖2所示，它應(yīng)用了條件位邏輯運(yùn)算指令、復(fù)位優(yōu)先、脈沖定時(shí)器、加計(jì)數(shù)器指令來實(shí)現(xiàn)邏輯功能。

圖2 Step7梯形圖(LAD)程序

通過以上指令對(duì)960 m2負(fù)壓布袋除塵器反吹風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行邏輯動(dòng)態(tài)控制。具體程序中在畫面自動(dòng)的條件下實(shí)現(xiàn)邏輯功能的結(jié)果是：在上位監(jiān)控機(jī)畫面中用鼠標(biāo)點(diǎn)“反吹系統(tǒng)啟動(dòng)”按鈕→PLC系統(tǒng)通過執(zhí)行Step7程序中邏輯指令，令反吹電機(jī)運(yùn)行→PLC系統(tǒng)通過執(zhí)行Step7程序邏輯指令→切換閥電機(jī)運(yùn)行→PLC系統(tǒng)執(zhí)行Step7程序中邏輯指令→脈沖時(shí)間繼電器開始工作計(jì)時(shí)→對(duì)切換閥電機(jī)進(jìn)行按指定時(shí)間工作的邏輯指令來控制切換閥電機(jī)運(yùn)行或停止→上位監(jiān)控機(jī)通過WINCC的編輯畫面與Step7程序的鏈接來監(jiān)控系統(tǒng)工作畫面。960 m2負(fù)壓布袋除塵器反吹風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)Step7停止操作步驟與之相反。同時(shí)該系統(tǒng)還具有畫面手動(dòng)工作模式，用來進(jìn)行檢修調(diào)試設(shè)備和切換閥畫面復(fù)位的功能。

4 結(jié)論

經(jīng)過以上闡述的960 m2負(fù)壓布袋除塵器反吹風(fēng)循環(huán)PLC系統(tǒng)的優(yōu)化，可以看到PLC300系統(tǒng)比PLC200系統(tǒng)具有控制功能強(qiáng)大，存儲(chǔ)容量大，開關(guān)量輸入和輸出模塊控制點(diǎn)多，Step7軟件編程相對(duì)簡(jiǎn)單和CPU掃描速度快等優(yōu)點(diǎn)。因此，960 m2負(fù)壓布袋除塵器反吹風(fēng)循環(huán)PLC系統(tǒng)的優(yōu)化，不僅僅是簡(jiǎn)單電氣控制的優(yōu)化，而是對(duì)整個(gè)960 m2負(fù)壓布袋除塵器PLC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制軟件以及控制程序更為全面科學(xué)的優(yōu)化，優(yōu)化后960 m2負(fù)壓布袋除塵器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)高效，除塵效果優(yōu)異，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的效果，美化了作業(yè)環(huán)境。