基于SIMATIC S7-1500 PLC的全油回收控制系統(tǒng)設(shè)計

趙帥兵

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

在鋁板帶軋機(jī)軋制過程中，軋制油是必不可少的。但在軋制過程中，不可避免的產(chǎn)生軋制油霧，大量的汽態(tài)軋制油及粒徑微小的液態(tài)軋制油霧被排入大氣，在污染環(huán)境的同時也造成了極大的資源浪費。全油回收系統(tǒng)用于回收軋制過程中產(chǎn)生的氣態(tài)軋制油及粒徑微小的液態(tài)軋制油霧，降低軋制油消耗，減少環(huán)境污染。

電氣控制系統(tǒng)作為全油回收系統(tǒng)的中樞指揮，起到系統(tǒng)無人值守、自動運行、故障報警等作用，其功能實現(xiàn)的核心是可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，簡稱PLC)。隨著PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，SIMATIC S7-1500系列PLC以其強大的技術(shù)優(yōu)勢逐漸取代S7-300/400 PLC，成為工業(yè)控制領(lǐng)域的佼佼者。本文以某全油回收系統(tǒng)項目為背景，詳細(xì)介紹了SIMATIC S7-1500 PLC在該項目中的設(shè)計及應(yīng)用。

1 工藝流程介紹

全油回收系統(tǒng)主要由吸收單元、脫氣單元、解析單元、成品回流單元組成。吸收單元用于吸收軋機(jī)煙氣中的氣態(tài)軋制油及粒徑微小的液態(tài)軋制油，并將混合油輸送至脫氣單元。脫氣單元用于去除混合油中的水份和空氣，并將混合油輸送至解析單元。解析單元用于軋制油的分離與提純、冷凝回收，并將清洗油輸送至成品回流單元。成品回流單元用于收集分離出來的軋制油，分為成品罐和回流罐。成品罐中的軋制油液位達(dá)到設(shè)定高度時用成品油泵輸送至成品油箱；回流罐中的軋制油用回流泵回流至解析塔，提高軋制油的品質(zhì)。其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow chart

2 S7-1500 PLC優(yōu)勢

2.1 響應(yīng)速度快

作為新一代大中型PLC，S7-1500 PLC相對S7-300/400 PLC，其處理器性能得到大幅度提升，處理速度和響應(yīng)時間更短，CPU最快位處理速度可達(dá)1ns。同時，S7-1500 PLC具有強大的通訊能力，支持最多3個Profinet網(wǎng)段，通訊數(shù)據(jù)刷新時間可達(dá)125us，可實現(xiàn)低成本快速組態(tài)現(xiàn)場級通信和公司網(wǎng)絡(luò)通訊，而S7-300/400 PLC只有個別型號才集成有Profinet接口。

2.2 功能更加完善

在外觀上，增加了LED顯示功能，比S7-300/400 PLC更人性化，方便用戶及時查看系統(tǒng)故障信息。在故障或使用過程中，不再單一靠指示燈判斷運行情況，并且還增加了前連接器、趨勢圖等設(shè)計。在擴(kuò)展功能上，S7-1500支持更多的分布式I/O系統(tǒng)，最多可支持32個模塊。同時，模塊集成有診斷功能，診斷級別為通道級，無需進(jìn)行額外編程，當(dāng)發(fā)生故障時，可快速準(zhǔn)確的識別受影響的通道，減少停機(jī)時間。同時，S7-1500可借助SMC存儲卡，將該存儲卡在博途中以一定的格式進(jìn)行存儲，便可實現(xiàn)插上存儲卡即可執(zhí)行加載并啟動程序，實現(xiàn)程序間接下載[1]。這些功能都是S7-300/400 PLC所無法比擬的。

2.3 組態(tài)效率高

傳統(tǒng)的S7-300/400 PLC專用組態(tài)編程軟件為Step7，上位機(jī)組態(tài)軟件為WinCC，兩個軟件操作十分繁瑣。而S7-1500 PLC無縫集成到TIA博途軟件中，無論硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接和上位機(jī)組態(tài)，還是軟件編程，均可在博途TIA軟件中實現(xiàn)，其操作簡單快捷，效率更高。隨著S7-300/400 PLC退出市場，該類型PLC市場存量逐漸減少，而S7-1500 PLC性能優(yōu)越、采購成本低、采購周期短的優(yōu)勢日漸顯著，逐漸受到用戶的青睞。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

電控系統(tǒng)作為全油回收系統(tǒng)自動控制的核心，可實現(xiàn)全油回收系統(tǒng)手動和自動運行，主要設(shè)備可實現(xiàn)不停機(jī)狀態(tài)下手動/自動切換和備用泵組切換。系統(tǒng)具有自動運行、連鎖、報警、保護(hù)和緊急狀況自動停機(jī)功能，實現(xiàn)無人值守全自動運行。

3.1 PLC選型及配置

根據(jù)全油回收系統(tǒng)的工藝要求和控制點的數(shù)量，在該控制系統(tǒng)中PLC選用S7-1500 PLC系列CPU1511-1 PN，該PLC位操作的處理時間可達(dá)60ns，CPU上的Profinet接口支持與Profinet子站和HMI設(shè)備通訊，也可以通過增加通訊模塊CM1542-5實現(xiàn)Profibus通訊。

分布式I/O模式在系統(tǒng)中起著重要的作用，分為ET200MP和ET200SP兩個系列。其中，西門子ET200MP具有高性能、響應(yīng)時間短并且可以滿足高速應(yīng)用需求，支持Profinet和Profibus兩種通訊方式，性能優(yōu)于ET200SP。ET200MP包括常用的輸入/輸出模塊、工藝模塊以及通訊模塊等。本文選擇西門子ET200MP系列分布式子站，接口模塊選用IM155-5 PN高性能型，這個接口模塊支持Profinet通訊。PLC模塊配置表如表1所示。

表1 模塊配置表

3.2 硬件組態(tài)

該項目中，設(shè)備控制軟件開發(fā)平臺采用博途TIA Portal V15，此開發(fā)平臺系統(tǒng)是將傳統(tǒng)的編程軟件Step7和WinCC等功能集成為一體，為生產(chǎn)系統(tǒng)的開發(fā)人員提供了便利。TIA Portal V15軟件具有強大的自動化組態(tài)編程功能，最為突出的特點是將一整套的自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行了集成，在同一個操作環(huán)境進(jìn)行的操作與控制，為設(shè)計人員提供了更便捷的使用途徑、更高端的配置方式和全新的解決方法。大大提高了工程調(diào)試和維護(hù)過程中的效率，極大的降低了建設(shè)和維護(hù)成本。全油回收電氣控制系統(tǒng)主要包括主控制器(S7-1500 PLC)、分布式I/O(ET200MP)、人機(jī)交互界面(TP1500)和變頻控制單元(ACS580)。控制系統(tǒng)組態(tài)圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)組態(tài)圖Fig.2 Configuration diagram of control system

在圖2中，硬件組態(tài)包括S7-1500 PLC(CPU1511-PN)、ET200MP(IM155-5 PN)、HMI(TP1500)、PM101(吸收塔循環(huán)泵)、PM201(脫氣塔循環(huán)泵)、PM401(解析塔循環(huán)泵)、PM502(回流循環(huán)泵)。變頻器采用ABB ACS580系列變頻器，配置FENA-11通訊模塊，該模塊支持Profinet通訊。硬件組態(tài)中各設(shè)備之間采用Profinet實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。

3.3 編程實現(xiàn)

項目依托博途TIA Portal V15控制軟件開發(fā)平臺進(jìn)行PLC程序和HMI編寫及調(diào)試。PLC控制程序主要包括通訊控制、模擬量信號轉(zhuǎn)換、變頻器控制、普通電機(jī)控制、故障報警、加熱器控制、真空泵組控制、連鎖控制、自動切換控制、油量統(tǒng)計管理等功能。HMI畫面主要包括流程監(jiān)控畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、參數(shù)監(jiān)控畫面、手動操作畫面、自動操作畫面、趨勢圖、報警記錄、用戶登錄畫面等。

PLC控制程序為系統(tǒng)自動控制、實現(xiàn)無人化值守、故障報警提供命令輸出和信號采集，并將采集的數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)顯示在HMI畫面上，便于用戶及時了解設(shè)備運行狀態(tài)和故障信息。HMI為用戶提供命令輸入和參數(shù)修改接口，實現(xiàn)人機(jī)交互，保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行。

4 結(jié)論

本文介紹了S7-1500 PLC在工程應(yīng)用中的優(yōu)勢，并詳細(xì)介紹了SIMATIC S7-1500 PLC在全油回收控制系統(tǒng)中的選型、組態(tài)及編程。在全油回收系統(tǒng)項目實際應(yīng)用中，采用SIMATIC S7-1500 PLC不僅可以降低項目成本，還可以提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，加強全油回收系統(tǒng)與軋機(jī)設(shè)備的通訊能力。同時，縮短了調(diào)試時間和故障處理時間，取得了良好的使用效果，為S7-1500 PLC在全油回收系統(tǒng)及類似項目中的應(yīng)用和擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。