西門子S7-1500 PLC 在輸煤裝置的應(yīng)用

李 波

（中海石油天野化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010070）

1 項目概述

1.1 背景介紹

天野化工輸煤裝置當(dāng)前控制系統(tǒng)采用的是三菱公司的A1S系列PLC，1995 年投用，2000 年增加了上位機(jī)顯示功能。目前存在以下問題：

（1）PLC 硬件備件停產(chǎn)，公司無庫存?zhèn)浼?；上位機(jī)操作系統(tǒng)為Windows 2000 系統(tǒng)，微軟公司已停止服務(wù)。

（2）上位機(jī)只能顯示，無操作功能；系統(tǒng)無報表、趨勢記錄功能，煤量、煤倉料位采用二次表顯示，無報警、邏輯控制功能。

1.2 控制系統(tǒng)方案確定

采用思維導(dǎo)圖工具，從硬件、軟件、系統(tǒng)功能和工藝操作4個方面進(jìn)行分析，提出不同的解決措施，通過匯總整理提出以下5 種控制系統(tǒng)改造方案：

（1）采用CENTUM VP DCS 系統(tǒng)，保留原按鈕/旋鈕操作臺，Windows 7 系統(tǒng)操作站。

（2）三菱PLC 系統(tǒng)，保留原按鈕/旋鈕操作臺，Windows 10系統(tǒng)操作站。

（3）西門子S7-300 PLC 系統(tǒng)，保留原按鈕/旋鈕操作臺，Windows 7 系統(tǒng)操作站。

（4）西門子S7-1500 PLC 系統(tǒng)，保留原按鈕/旋鈕操作臺，Windows 10 系統(tǒng)操作站。

（5）施耐德Modicon Quantum PLC 系統(tǒng)，保留原按鈕/旋鈕操作臺，Windows 10 系統(tǒng)操作站。

通過方案實施的技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、操作習(xí)慣的延續(xù)性、人員培訓(xùn)成本、系統(tǒng)的可擴(kuò)展性5 個方面進(jìn)行評分，可知采用西門子S7-300 和S7-1500 PLC 進(jìn)行系統(tǒng)改造為最優(yōu)備選方案。通過西門子S7-300 和S7-1500 的性能對比，決定采用采用西門子S7-1500 PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

項目選用了西門子S7-1500 系列的CPU1513-1 作為控制器，組態(tài)軟件采用的是TIA Portal V14 SP1。項目關(guān)鍵配置清單見表1。

TIA Portal V14 軟件由STEP 7 V14 SP1 Professional 和WinCC V14 SP1 Professional 組成，項目使用STEP7 Professional對S7-1500 進(jìn)行硬件、網(wǎng)絡(luò)配置和編程組態(tài)，使用WinCC Professional 軟件實現(xiàn)上位機(jī)操作和監(jiān)控。

3 控制系統(tǒng)功能

控制系統(tǒng)采用PLC、工業(yè)顯示器，結(jié)合電氣元件、現(xiàn)場傳感器進(jìn)行系統(tǒng)的總體控制和監(jiān)視?？刂葡到y(tǒng)采用西門子公司最新出品的西門子S7-1500 系列PLC和DELL T5820 工作站構(gòu)成，性能穩(wěn)定可靠，技術(shù)先進(jìn)。控制系統(tǒng)進(jìn)行了專門的軟硬件改造和開發(fā)，控制系統(tǒng)總的來說具有3 大功能：

表1 項目關(guān)鍵配置清單

（1）控制功能：PLC 根據(jù)現(xiàn)場工況自動控制現(xiàn)場設(shè)備啟停，如皮帶、給煤機(jī)、碎煤機(jī)等使其達(dá)到開車需要的條件；實時監(jiān)視設(shè)備運行狀況；同時也可以通過控制室計算機(jī)界面手動啟停相關(guān)設(shè)備、修改運行參數(shù)。

（2）管理功能：監(jiān)控軟件有控制系統(tǒng)的工藝實時動態(tài)圖，提供清晰、友善的人機(jī)界面。生動形象地反映設(shè)備運行過程中的實時數(shù)據(jù)、實時報警、歷史報警、歷史數(shù)據(jù)的存儲、顯示和查詢。操作人員通過計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對整個控制系統(tǒng)設(shè)備實現(xiàn)運行過程狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集、對生產(chǎn)情況進(jìn)行了解并指導(dǎo)，實現(xiàn)生產(chǎn)管理自動化。

（3）通信功能：PLC 系統(tǒng)現(xiàn)場控制站，可以連接符合MODBUS 協(xié)議的通信卡件，組成分布式控制系統(tǒng)。

4 控制系統(tǒng)的主要顯示及控制功能窗口

4.1 控制功能窗口

控制系統(tǒng)的主要顯示及控制功能窗口包括“主畫面窗口”，“計算機(jī)手動操作窗口”功能，“歷史曲線窗口”功能和“用戶登錄窗口”功能。

4.1.1 “主畫面窗口”功能

（1）主畫面顯示輸煤機(jī)系統(tǒng)設(shè)備運行時工藝流程圖，并對各種運行參數(shù)和實時工況進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。操作人員對輸煤機(jī)系統(tǒng)各設(shè)備的運行情況能一目了然，能根據(jù)實際情況和要求進(jìn)行相關(guān)調(diào)度和操作。

（2）畫面設(shè)備狀態(tài)定義：①設(shè)備狀態(tài)：綠色表示選中且停止，灰色表示未選中且停止，紅色表示運行中；②儀表：儀表數(shù)值，顯示煤倉料位；③時鐘：顯示當(dāng)前時間；④PLC COM：顯示顯示器與PLC 之間的通信狀態(tài)。每秒鐘累加一個數(shù)據(jù)，到10 000 時自動回零，如此循環(huán)。

4.1.2 “設(shè)備操作窗口”功能說明

頁面按照設(shè)備的分類，排列了各個相關(guān)設(shè)備的單臺啟動操作窗口。當(dāng)屏幕左上方設(shè)備操作選擇為“計算機(jī)”且綠色時，方可操作設(shè)備。點擊“啟動”“停止”按鈕即可啟停設(shè)備。

當(dāng)上方選擇框為灰色時，表示此條件不滿足。當(dāng)上方選擇框為綠色時，表示此條件滿足。當(dāng)設(shè)備方框中顏色為紅色時，表示此設(shè)備運行中。

4.1.3 “歷史曲線”功能

歷史曲線為生產(chǎn)控制、統(tǒng)計、工藝參數(shù)的整定、事故、報警追憶提供了可靠的參考數(shù)據(jù)。

4.2 用戶權(quán)限管理

控制系統(tǒng)為多用戶系統(tǒng)，為了系統(tǒng)的安全，必須制定不同安全級別的用戶名稱和密碼，用戶名稱和密碼級別決定了允許的操作權(quán)限。如果操作員進(jìn)行越限操作，軟件將不執(zhí)行操作。顯示器系統(tǒng)涉及到設(shè)備啟停操作的地方，已經(jīng)做了特殊處理，需在彈出窗口進(jìn)行二次確認(rèn)操作，防止了誤操作。

5 控制系統(tǒng)的輸煤工作模式

5.1 配電室電氣柜手動輸煤操作

（1）控制室操作臺，主令開關(guān)設(shè)置成手動。

（2）在配電室電氣柜上按啟/停按鈕操作設(shè)備。

5.2 現(xiàn)場操作柱手動輸煤操作

（1）控制室操作臺，主令開關(guān)設(shè)置成手動。

（2）在操作柱上按啟/停按鈕操作設(shè)備。

5.3 控制室計算機(jī)手動輸煤操作

（1）控制室操作臺，主令開關(guān)設(shè)置成手動。

（2）在控制室計算機(jī)顯示屏上，找到“設(shè)備操作選擇開關(guān)”，應(yīng)顯示“操作臺”灰色文字，用鼠標(biāo)雙擊此按鈕。

（3）顯示屏彈出密碼輸入窗口，鍵盤輸入“111”，然后鼠標(biāo)點擊確定。

（4）再次用鼠標(biāo)雙擊“設(shè)備操作選擇開關(guān)”，則開關(guān)切換到“計算機(jī)”綠色文字狀態(tài)。

（5）將畫面切換到“設(shè)備操作”畫面，此畫面排列有輸煤相關(guān)的各個設(shè)備。

（6）按相應(yīng)設(shè)備的啟動或停止按鈕，即可操作此設(shè)備。

5.4 控制室操作臺自動啟動輸煤操作

（1）控制室操作臺，主令開關(guān)設(shè)置成自動。

（2）操作臺選擇開關(guān)向上，選擇A 系統(tǒng)允許（或B 系統(tǒng)允許），此時計算機(jī)畫面上，A 系統(tǒng)（或B 系統(tǒng)）相應(yīng)的設(shè)備選中變?yōu)榫G色。

（3）操作臺選擇開關(guān)向上，根據(jù)情況，選擇轉(zhuǎn)運站允許（或禁止）。此時計算機(jī)畫面上，地斗給煤機(jī)（或1#皮帶）相應(yīng)的設(shè)備選中變?yōu)榫G色。按墻上的電鈴，提示現(xiàn)場準(zhǔn)備啟動設(shè)備。

（4）操作臺選擇開關(guān)向上，按下選擇A 系統(tǒng)啟動按鈕（或B系統(tǒng)啟動按鈕），此時PLC 控制器自動按順序間隔啟動4#皮帶、碎煤機(jī)A、2#皮帶、1#皮帶（或5#皮帶、碎煤機(jī)B、3#皮帶、1#皮帶）。

（5）1#皮帶啟動后大約10 s，待計算機(jī)屏幕上方文字“可以啟動給煤機(jī)M-01”變?yōu)榫G色后，可根據(jù)實際情況手動啟動給煤機(jī)M-01A、M-01B 或M-01C。

（6）M-01 三臺給煤機(jī)此時可任意切換，但要結(jié)合現(xiàn)場情況防止堆料。程序中，每個時刻只允許一臺給煤機(jī)運行，下一臺給煤機(jī)啟動的同時，前一臺給煤機(jī)會自動停止。

以上為輸煤自動啟動過程。全部啟動需要30 s。

5.5 控制室操作臺自動停止輸煤操作

（1）控制室操作臺，主令開關(guān)設(shè)置成自動；輸煤完畢，各個設(shè)備仍處于運行中，此時按操作臺上的紅色停止按鈕，則PLC 控制器將依照程序，按給煤順序自動停止相關(guān)設(shè)備。

（2）自動停止時，PLC 柜內(nèi)的蜂鳴器發(fā)出7 聲鳴響提示。

（3）A 系統(tǒng)停止順序為：M-01，2#皮帶，碎煤機(jī)A，4#皮帶，間隔（2～3）min，全部停止共需要8 min。

（4）B 系統(tǒng)停止順序為：M-01，3#皮帶，碎煤機(jī)B，5#皮帶，間隔（2～3）min，全部停止共需要8 min。

（5）輸煤停機(jī)完畢后，為安全起見，可將主令開關(guān)設(shè)置為中間位置，則手動、自動都將無法操作。

6 結(jié)束語

自2019 年10 月系統(tǒng)改造完成以來，該套控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠性強，能保證化工生產(chǎn)的連續(xù)運行，達(dá)到了技術(shù)改造的目的和要求。