鄒玉超

（云南大為制焦有限公司，云南 曲靖 655000）

推焦車是焦?fàn)t生產(chǎn)中必不可少的重要設(shè)備，其能否安全可靠運行直接關(guān)系到焦?fàn)t生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。但由于焦?fàn)t各機車長期工作在溫度高、振動大等環(huán)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(lián)鎖控制條件復(fù)雜等特點，這就對電氣控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性提出了更高的要求?；谖鏖T子1500 系列PLC 的機車電氣控制系統(tǒng)，具有性能穩(wěn)定、功能強大、使用維護方便等優(yōu)點，能夠有效地解決推焦車在生產(chǎn)使用過程中存在的問題，達到充分滿足生產(chǎn)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(tǒng)穩(wěn)定可靠運行的目的。

1 推焦車的結(jié)構(gòu)及工作過程

1.1 推焦車的主要功能及結(jié)構(gòu)

推焦車為搗固焦?fàn)t配套的主要機械設(shè)備之一，運行在焦?fàn)t的機側(cè)。主要功能是將炭化室中的燒結(jié)成熟的焦餅推出，并在推焦前后完成開、關(guān)機側(cè)炭化室爐門。

搗固焦?fàn)t上使用的推焦車主要由鋼結(jié)構(gòu)、走行裝置、余焦處理裝置、推焦裝置、取門裝置、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等七部分組成。

1.2 推焦車的工作過程

根據(jù)計劃出焦?fàn)t號，推焦車走行至相應(yīng)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(jié)束后，向裝煤車的反方向走行避讓裝煤車裝煤；裝煤結(jié)束后，推焦車再次開回至剛裝完煤的爐孔，利用取門裝置關(guān)閉爐門；停止余焦刮板機組運轉(zhuǎn)。上述各部分操作動作結(jié)束后，推焦機完成一個循環(huán)操作動作，又行駛到下一出焦的炭化室前，進入下一次循環(huán)操作。[1]

2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 總體電氣控制系統(tǒng)方案設(shè)計

控制系統(tǒng)采用西門子1500 系列PLC 控制器，由于現(xiàn)場設(shè)備輸入輸出信號較為分散，為減少控制電纜敷設(shè)的長度和數(shù)量，同時降低后續(xù)維護工作量及電氣故障率，提高控制系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP 總線控制方式，共設(shè)置一個主站，一個從站。在配電室內(nèi)裝設(shè)一套PLC 主站，同時配置相應(yīng)的IO 模塊，用于配電室內(nèi)相應(yīng)設(shè)備的信息采集和控制；在液壓室內(nèi)設(shè)置一套IO 從站及相應(yīng)的IO 模塊，用于液壓室及部分現(xiàn)場相應(yīng)設(shè)備的信息采集和控制。[2]

設(shè)備的操控采用按鈕、主令開關(guān)及觸摸屏相結(jié)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(guān)用于推焦車走行及推焦桿的控制；其余設(shè)備的控制均可通過觸摸屏操作實現(xiàn)，同時在觸摸屏上組態(tài)推焦車相應(yīng)監(jiān)視畫面，便于操作人員使用和掌握相關(guān)狀態(tài)。觸摸屏與PLC 之間通過PRFINET 協(xié)議使用網(wǎng)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(diào)速三相異步電動機進行驅(qū)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(qū)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(guān)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(qū)動，通過轉(zhuǎn)子回路串電阻進行調(diào)速。推焦桿的前、后行方向及速度通過操作臺上的主令開關(guān)進行控制，共設(shè)置4 個調(diào)節(jié)速度。

2.4 推焦車液壓單元控制

推焦車的液壓控制系統(tǒng)主要為油泵、總溢流閥、電磁閥等，其動作均通過操作室內(nèi)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(qū)動，油缸各溢流閥、電磁閥由PLC 模塊輸出控制后，再經(jīng)中間繼電器進行隔離、擴容。[3]

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 可編程控制器PLC

3.1.1 PLC 的選型

控制系統(tǒng)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(tǒng)，適用于自動化領(lǐng)域內(nèi)的各種應(yīng)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(tǒng)配置

PLC 硬件系統(tǒng)采用PROFIBUS 總線通訊方式，設(shè)置1 個主站，1 個從站，各主、從站根據(jù)IO 通道的數(shù)量配置不同的模塊類型及數(shù)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(tǒng)電源模塊，連接到背板總線，并通過內(nèi)部電源為已組態(tài)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(tǒng)協(xié)調(diào)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(shè)置通信地址為2。

（4）模塊4 為高速計數(shù)模塊，通過與現(xiàn)場推焦桿旋轉(zhuǎn)編碼器連接，用于監(jiān)測推焦桿的實時行程。

（4）模塊5、6、7、8 為數(shù)字量輸入模塊，用于接收配電室內(nèi)相應(yīng)設(shè)備的開關(guān)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(shù)字量輸出模塊，用于控制配電室內(nèi)相應(yīng)設(shè)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(diào)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(shè)置通信地址為3。

（2）模塊2、3、4、5 為數(shù)字量輸入模塊，用于接收液壓室、現(xiàn)場設(shè)備相應(yīng)的開關(guān)量輸入信號，如油缸限位開關(guān)輸入信號、現(xiàn)場限位開關(guān)輸入信號、油泵接觸器的反饋信號等。

（3）模塊6、7 為數(shù)字量輸出模塊，用于控制液壓室內(nèi)相應(yīng)設(shè)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(diào)試過程中較為方便，提高了工作效率，節(jié)約了維護成本。

西門子SINAMICS G120 系列變頻器采用模塊式結(jié)構(gòu)，主要由功率單元+控制單元+操作面板，構(gòu)成一臺標(biāo)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(jiān)控畫面的組態(tài)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(chǎn)品，具有多種配置，能夠滿足在不同現(xiàn)場情況下的需求。通過TIA 博途軟件，可以方便地對設(shè)備進行組態(tài)編程和控制操作，提高工程效率。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 PLC 程序設(shè)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(gòu)成，程序的編寫在計算機上完成，編譯后通過網(wǎng)線將程序下載到PLC，實現(xiàn)控制任務(wù)的完成。

4.1.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)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(jiān)控畫面自動切換、子程序調(diào)用等程序構(gòu)成。走行、移門、推焦三個單元之間具有相互聯(lián)鎖，相應(yīng)單元聯(lián)鎖程序滿足后，另一單元才具備允許操作的條件，確保設(shè)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(zhuǎn)編碼器輸入信號轉(zhuǎn)換后，用于檢測推焦桿實時行程。

4.1.2 移門單元子程序設(shè)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(shè)置有現(xiàn)場及操作室2 種操作方式，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)進行切換，當(dāng)切換為現(xiàn)場操作時，可通過現(xiàn)場按鈕操作各液壓裝置動作，操作室操作無效；當(dāng)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(xiàn)場操作無效。[4]

4.1.3 推焦單元子程序設(shè)計

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

4.1.4 走行單元子程序設(shè)計

該子程序主要為走行方向及速度控制。當(dāng)有外部走行方向輸入信號時，相應(yīng)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(zhuǎn)速走行有反饋信號的前提下，有高速輸入信號時，相應(yīng)的高轉(zhuǎn)速輸出觸點接通，控制變頻器輸出對應(yīng)的頻率，推焦車以輸入信號對應(yīng)的速度走行；當(dāng)走行向左/向右運行時，走行抱閘、散熱風(fēng)扇輸出觸點接通，抱閘打開、散熱風(fēng)機運行；當(dāng)走行向左/向右停止時，走行抱閘、散熱風(fēng)扇輸出觸點斷開，抱閘關(guān)閉、散熱風(fēng)機停止運行。

4.1.5 液壓單元子程序設(shè)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(dāng)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(dāng)運行中的油泵出現(xiàn)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(dāng)油泵在運行的狀態(tài)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(dāng)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(yīng)輸出繼電器動作，刮板機/空壓機啟動運行；當(dāng)運行中的刮板機/空壓機出現(xiàn)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(shù)設(shè)置

根據(jù)變頻器的控制原理，結(jié)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(fā)揮變頻器優(yōu)良性能的前提下，將變頻器的主要參數(shù)設(shè)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(zhuǎn)速P0311=980rpm；轉(zhuǎn)速固定設(shè)定值選擇模式P1016=2；轉(zhuǎn)速固定設(shè)定值選擇位0 P1020=r722.0；轉(zhuǎn)速固定設(shè)定值選擇位1 P1021=r722.1；轉(zhuǎn)速固定設(shè)定值選擇位2 P1022=r722.4；轉(zhuǎn)速固定設(shè)定值選擇位3 P1023=r722.5；主設(shè)定值P1070=r1024 轉(zhuǎn)速固定設(shè)定值；斜坡函數(shù)發(fā)生器斜坡上升時間P1120=10S；斜坡函數(shù)發(fā)生器斜坡下降時間P1121=20S。

4.3 觸摸屏畫面組態(tài)

畫面組態(tài)仍然采用西門子公司提供的全集成自動化軟件TIA portal。組態(tài)內(nèi)容包括設(shè)備添加、網(wǎng)絡(luò)連接、變量添加或?qū)?、?chuàng)建畫面等，并將監(jiān)控畫面與PLC進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)觸摸屏對PLC 的輸入控制、PLC 相應(yīng)數(shù)值對觸摸屏的輸出顯示。為方便操作使用及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控，推焦車共設(shè)置推焦、走行、取門3 個監(jiān)控畫面。[5]

1.推焦監(jiān)控畫面，主要監(jiān)視推焦運行狀態(tài)、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(jiān)控畫面，主要監(jiān)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(jiān)控畫面，主要監(jiān)視取門單元各限位狀態(tài)、油泵及溢流閥運行狀態(tài)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(jié)論

基于西門子1500 系列PLC 的自動化工控產(chǎn)品在焦?fàn)t推焦車上的綜合應(yīng)用，極大地提高了設(shè)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(shè)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(shè)備維護工作量和故障發(fā)生率，具有較強的經(jīng)濟性、可靠性和穩(wěn)定性。