基于總線控制的SIMATIC分布式I/O堆取料機電控系統(tǒng)的設計

陳中華（唐山冀東裝備工程股份有限公司，河北 唐山 0630000）

0 前言

隨著環(huán)保及安全生產(chǎn)形勢的日益嚴峻，投產(chǎn)于2008年的金隅冀東水泥西南區(qū)域某公司的煤堆取料機由于其建成較久、地理位置環(huán)境較潮濕、運行環(huán)境惡劣、粉塵大、控制柜密閉性差等原因，電氣柜內(nèi)粉塵對元件運行可靠性和壽命造成巨大影響，同時響應當?shù)丨h(huán)保與安全管理部門要求，現(xiàn)提高煤堆取料機運行的可靠性成了重中之重，需要對其進行升級改造。

目前冀東水泥煤堆取料機或其他設備使用的大部分電控系統(tǒng)，都是采用傳統(tǒng)空開+接觸器控制方法來控制電機的啟停，建設初始時可能布線縝密，但調(diào)試時難免對線路進行調(diào)整，尤其是發(fā)生故障、檢修后無法恢復至初始狀態(tài)，導致電氣柜內(nèi)線路繁雜，因此很容易發(fā)生線路故障；同時對電機的監(jiān)測參數(shù)單一，只能監(jiān)控一些斷路器分合狀態(tài)、接觸器吸合狀態(tài)信號等開關量信號，對電機電流等重要運行狀態(tài)參數(shù)不能實時監(jiān)測，也不能及時有效地進行故障預警和生產(chǎn)工藝調(diào)整。對此，我們采用SIMATIC ET 200AL分布式I/O系統(tǒng)對堆取料機電控系統(tǒng)進行了改造設計，以下作一介紹。

1 SIMATIC分布式I/O系統(tǒng)

以SIMATIC ET 200AL分布式I/O系統(tǒng)為例，分布式I/O是一個可擴展的、高度靈活的分布式I/O系統(tǒng)，用于通過現(xiàn)場總線將過程信號連接到上一級控制系統(tǒng)。易于使用，其接頭采用了不同的顏色編碼，可以輕松的完成設備間的連接。適用于狹小空間、移動式應用中的裝配和處理技術。由接口模塊(PROFINET/PROFIBUS)、數(shù)字量和模擬量I/O模塊、通信模塊組件構成。借助其可擴展的結構，用戶可以根據(jù)自己的現(xiàn)場需求精確自定義具體組態(tài)。防護等級為IP65/IP67。

帶有PROFINET接口模塊的SIMATIC ET 200AL分布式I/O系統(tǒng)的組態(tài)示例見圖1。

圖1 分布式I/O系統(tǒng)的組態(tài)示例

2 堆取料機電控系統(tǒng)設計

2.1 設備老化問題的針對性設計

該水泥廠由于建成年代較遠，許多設備已老化。對此我們將所有設備的驅(qū)動采用基于總線技術的分布式驅(qū)動，各種傳感器、限位開關的信號采集使用防護等級IP67的SIMATIC分布式I/O模塊，采用基于PROFINET介質(zhì)冗余協(xié)議（MRP）環(huán)網(wǎng)結構。電控系統(tǒng)的主要元件支持MRP協(xié)議。

2.2 水泥廠環(huán)境惡劣，數(shù)據(jù)單一

對此水泥廠環(huán)境惡劣，數(shù)據(jù)單一的問題，我們對原控制室電控柜內(nèi)一次回路、控制回路和PLC控制元件進行重新布置，采用總線技術進行傳感器數(shù)據(jù)采集和設備驅(qū)動，減少輸入、輸出繼電器和接觸器，大大減少各種接線，同時豐富監(jiān)測參數(shù)；采用高防護等級的分布式模塊，在提高整個電氣系統(tǒng)運行可靠性的基礎上豐富和完善設備運行狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)，降低設備故障率，減少運維工作量和成本。網(wǎng)絡拓撲圖見圖2。

圖2 網(wǎng)絡拓撲圖

2.3 水泥廠密閉性差，安保性差

根據(jù)不同的密閉和防護需求，有專門針對性的配置不同的SIMATIC分布式I/O系統(tǒng)，系統(tǒng)控制單元組成部分如下：

（1）懸臂皮帶I/O單元。由皮帶機保護傳感器、料位控制檢測傳感器組成，主要配置一般分布式I/O模塊，再分配一面I/O控制柜，控制柜防護等級IP65。

（2）回轉(zhuǎn)電機控制單元。由回轉(zhuǎn)電機、強制潤滑泵電機、回轉(zhuǎn)抱閘組成，配置專門針對環(huán)境惡劣的防護等級達到IP65的變頻器以及高性能的SIMAT?IC分布式I/O系統(tǒng)，防護等級高達IP67，再分配一面I/O控制柜，控制柜防護等級IP65。

（3）干油潤滑單元。由上支承干油泵、中部支承干油泵、外齒輪干油泵組成，配置專門針對環(huán)境惡劣的SIMATIC分布式I/O系統(tǒng)，其防護等級高達IP67，再分配一面I/O控制柜，控制柜防護等級IP65。

（4）液壓系統(tǒng)單元。由變幅泵、油冷卻電機、液壓站傳感器組成，主油泵配置高性能總線軟起動器，其余設備配置專門針對環(huán)境惡劣的高性能分布式I/O系統(tǒng)，防護等級高達IP67，分配一面I/O控制柜，控制柜防護等級IP65。

（5）行走控制I/O單元。由工作行走電機、調(diào)車行走電機、行走抱閘組成，配置專門針對環(huán)境惡劣的防護等級大道IP65的變頻器以及高性能的SIMAT?IC分布式I/O系統(tǒng)，防護等級高達IP67，分配一面I/O控制柜，控制柜防護等級IP65。

SIMATIC分布式I/O系統(tǒng)具有體積小、接線簡單、放線成本小，美觀度高、功能更豐富的特點，離散型模塊化的系統(tǒng)，高度靈活的DP從站，用于連接中央控制器或現(xiàn)場總線上的過程信號，特別適合用于需要電機啟動器和安全裝置的開關柜，支持現(xiàn)場總線類型PROFIBUS DP和PROFINET IO，這些也為后期公司智能工廠建設打下網(wǎng)絡基礎。

3 設計特點

（1）可靠性?；赑ROFINET介質(zhì)冗余協(xié)議（MRP）環(huán)網(wǎng)結構，介質(zhì)冗余結構典型重新組態(tài)時間為200ms，顯著提高了設備的可用性，因為單個設備的故障對通信沒有影響；在發(fā)生網(wǎng)絡故障時，可以進行快速的網(wǎng)絡診斷并加快故障排除。

IP65（I/O柜）+IP67（元件）的雙重防護，大大降低柜內(nèi)粉塵對元件的影響。

（2）先進性。設備全部采用基于PROFINET現(xiàn)場總線的分布式驅(qū)動技術進行設備控制和狀態(tài)參數(shù)采集。極大的減少柜內(nèi)布線，豐富數(shù)據(jù)采集內(nèi)容，是目前最先進的工業(yè)控制系統(tǒng)。

（3）防爆設計的優(yōu)化。尤其是在煤的堆取料機上或防護要求高的易燃易爆物的堆取料上，采用防爆電控柜，符合可燃粉塵環(huán)境GB12476.1—2000標準中的規(guī)定的21區(qū)、22區(qū)使用規(guī)定。

通過這種方式改造，能夠使設備穩(wěn)定性和可靠性大幅提高，降低維護工作量及運維成本，同時也滿足當?shù)丨h(huán)保與安全管理部門要求。