工廠設(shè)備的電氣控制與一種優(yōu)化方案

宋作明

（長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司工程設(shè)計(jì)院）

0 引言

目前工廠設(shè)備的操作一般采用兩地操作模式：設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)就地操作、控制中心遠(yuǎn)程監(jiān)控；有些設(shè)備還會(huì)因?yàn)楣に嚵鞒痰陌踩枰?，采用三地操作模式：設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)就地操作、現(xiàn)場(chǎng)異地操作、控制中心遠(yuǎn)程監(jiān)控。無(wú)論是兩地還是三地操作模式，設(shè)備的配電屏、現(xiàn)場(chǎng)控制箱以及PLC 控制柜之間的連線均采用DI/DO電氣硬接線的方式，具有線纜多、成本高、敷設(shè)復(fù)雜，維護(hù)和技改升級(jí)困難等缺點(diǎn)。本文基于現(xiàn)有的電氣控制系統(tǒng)的上述缺陷，提出將DI/DO 轉(zhuǎn)換為總線信息傳輸，能簡(jiǎn)化布線，節(jié)約投資，幫助企業(yè)提高運(yùn)行和維護(hù)效率，是一種更優(yōu)方案。

1 現(xiàn)有工廠設(shè)備的電氣控制

（1）電氣控制系統(tǒng)介紹

目前工廠設(shè)備的電氣控制普遍采用DCS 控制系統(tǒng)，結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)工廠設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程的集中控制和監(jiān)視。其中視頻監(jiān)控系統(tǒng)用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)視，確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境是否安全，在確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境安全的情況下，使用DCS 系統(tǒng)對(duì)工廠設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)和聯(lián)鎖控制，以及對(duì)工廠設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視等，從而實(shí)現(xiàn)工廠設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)人、自動(dòng)作業(yè)。

現(xiàn)有的電氣控制方式一般在設(shè)備主機(jī)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置有現(xiàn)場(chǎng)控制箱，利用現(xiàn)場(chǎng)控制箱可對(duì)設(shè)備的工作模式進(jìn)行選擇：現(xiàn)場(chǎng)控制/檢修/聯(lián)鎖控制。當(dāng)選擇為“現(xiàn)場(chǎng)控制”時(shí)，可對(duì)設(shè)備主機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制；當(dāng)選擇為“檢修”時(shí)，可對(duì)設(shè)備停電進(jìn)行檢修；當(dāng)選擇為“聯(lián)鎖控制”時(shí)，可使用DCS 系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制。因此工廠設(shè)備一般具有現(xiàn)場(chǎng)操作、DCS中心遠(yuǎn)程監(jiān)控的兩地操作模式，正常工作時(shí)一般使用DCS 控制系統(tǒng)對(duì)工廠設(shè)備進(jìn)行集中控制，在現(xiàn)場(chǎng)有緊急事故或需要現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作時(shí)，也可在現(xiàn)場(chǎng)啟停和控制設(shè)備。

（2）電氣傳動(dòng)介紹

圖1為工廠設(shè)備電氣傳動(dòng)的基本原理圖，配電屏主電源經(jīng)斷路器開(kāi)關(guān)、接觸器控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和保護(hù)裝置后啟停和控制機(jī)電設(shè)備。其中SA 選擇開(kāi)關(guān)、啟動(dòng)SF 按鈕、停止SS 按鈕為機(jī)電設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)控制箱內(nèi)的器件，能在現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)和停止設(shè)備；其余器件包括斷路器、接觸器、中間繼電器等為安裝在配電屏內(nèi)的器件，PLC 節(jié)點(diǎn)為來(lái)自DCS 控制系統(tǒng)中PLC 的干接點(diǎn)，為DCS 控制機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程電氣接口。無(wú)論是在現(xiàn)場(chǎng)操作還是DCS 聯(lián)鎖控制模式下，只有控制接觸器KM 閉合后，為設(shè)備接通電源，才能啟動(dòng)和運(yùn)行設(shè)備。

工廠設(shè)備的電氣傳動(dòng)一般分為變頻控制、軟啟動(dòng)、直接啟動(dòng)三種方式，因此圖1 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)與保護(hù)裝置根據(jù)工藝需要可分別選擇變頻器、軟啟動(dòng)器、馬達(dá)保護(hù)器或熱繼電器等。一般對(duì)工藝有變頻需求的機(jī)電設(shè)備，采用變頻控制的傳動(dòng)方式，由變頻裝置對(duì)機(jī)電設(shè)備實(shí)施控制，并進(jìn)行過(guò)載、過(guò)流等保護(hù)，對(duì)于重載設(shè)備或機(jī)電設(shè)備的電纜較長(zhǎng)，一般放大一檔選擇變頻器；對(duì)于功率超過(guò)75kW 的機(jī)電設(shè)備，可采用軟啟動(dòng)裝置對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，并進(jìn)行過(guò)載、過(guò)流等保護(hù)；其余機(jī)電設(shè)備一般采用直接啟動(dòng)方式，采用馬達(dá)保護(hù)器或熱繼電器進(jìn)行控制和保護(hù)。

圖2為工廠設(shè)備DCS 集中控制的原理框圖。若現(xiàn)場(chǎng)控制箱的SA 開(kāi)關(guān)選擇“現(xiàn)場(chǎng)操作”模式時(shí)，則在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)、停止設(shè)備；若選擇“聯(lián)鎖控制”模式時(shí)，則可在控制中心的PC 操作單站或PC 工程師站遠(yuǎn)程啟動(dòng)設(shè)備，多個(gè)設(shè)備可根據(jù)設(shè)定的聯(lián)鎖邏輯自動(dòng)啟動(dòng)和運(yùn)行。P11…P1k，Pm1…Pmk為配電屏與設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)控制箱之間DI/DO 的連接電纜（常采用多芯控制電纜），而工廠設(shè)備一般較多，因此所需的控制電纜數(shù)量也比較多，電纜敷設(shè)復(fù)雜。在該外部控制線路故障時(shí)，因電纜敷設(shè)較多也較復(fù)雜，對(duì)故障進(jìn)行診斷和檢修就比較困難。另外，在工廠設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的后續(xù)技術(shù)升級(jí)或控制條件改變時(shí)，需要更改現(xiàn)場(chǎng)控制箱設(shè)計(jì)，重新敷設(shè)電纜，而現(xiàn)場(chǎng)控制箱安裝在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，配電屏一般集中布置在配電室，距離較遠(yuǎn)，因此敷設(shè)電纜較多也比較復(fù)雜，敷設(shè)電纜的成本也比較大。

D11…D1n為配電屏與PLC 控制柜間DI/DO 的連接電纜（常采用多芯控制電纜），這些電纜為PLC 控制柜對(duì)機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制接口。配電屏通過(guò)這些電纜上傳機(jī)電設(shè)備的自動(dòng)操作、運(yùn)行狀態(tài)等DI/DO 信息至PLC 控制柜。而工廠設(shè)備一般較多，因此所需的控制電纜數(shù)量也比較多，成本也比較大，不便于日常維護(hù)和技術(shù)升級(jí)改造。

2 一種優(yōu)化方案

為解決上述電氣控制系統(tǒng)存在的缺陷，擬設(shè)計(jì)一種標(biāo)準(zhǔn)的I/O 模塊，該I/O 模塊主要功能為采集外部的DI/DO 信息并轉(zhuǎn)化為總線信息傳輸，從而簡(jiǎn)化工廠電氣控制系統(tǒng)的布線，成為一種更優(yōu)的電氣控制方案。

（1）一種標(biāo)準(zhǔn)I/O 模塊

設(shè)計(jì)一款標(biāo)準(zhǔn)I/O 模塊，該模塊采用CPU 微控制器，具備CAN、以太網(wǎng)通訊接口，+5V 的DI、DO接口，以及220V 的輸入、輸出接口，內(nèi)部220V 電源接口。該標(biāo)準(zhǔn)I/O 模塊的原理框圖如圖3 所示。

圖3 I/O 模塊原理框圖

圖3 中標(biāo)準(zhǔn)I/O 模塊的DI、DO 接口用于采集外部+5V 的DI/DO 信息，可采集現(xiàn)場(chǎng)控制箱（+5V）按鈕的啟動(dòng)、閉合或開(kāi)關(guān)的選擇狀態(tài)；220V DI、220V DO 用于采集外部220V 的DI/DO 信息，其中220V DI 可采集配電屏內(nèi)部接觸器、繼電器或外部PLC 無(wú)源節(jié)點(diǎn)的斷開(kāi)、閉合狀態(tài)，220V DO 用于驅(qū)動(dòng)配電屏內(nèi)接觸器、中間繼電器線圈等設(shè)備。

CPU 內(nèi)設(shè)3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)程序模塊：50ms 定時(shí)器處理程序、CAN 總線處理程序、以太網(wǎng)處理程序，以下分別介紹每個(gè)程序模塊的任務(wù)和作用。

1）50ms 定時(shí)器處理程序：主要是以50ms 的周期定時(shí)查詢各DI 輸入的狀態(tài)，根據(jù)檢測(cè)到的DI 狀態(tài)，對(duì)主接觸器閉合變量賦值0 或1，然后通過(guò)CAN 總線發(fā)送該變量值，主要完成對(duì)+5V 的DI/DO 采集。將I/O 模塊裝置在現(xiàn)場(chǎng)控制箱內(nèi)，該50ms 定時(shí)器處理程序主要用于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)控制箱外部按鈕的啟動(dòng)、閉合狀態(tài)，根據(jù)軟件內(nèi)設(shè)的邏輯判斷主接觸器是否需要閉合或者斷開(kāi)，并對(duì)閉合變量相應(yīng)地賦值，如圖4 所示。

圖4 50ms 定時(shí)器流程圖

2）CAN 總線處理程序：對(duì)接收的CAN 總線數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，若接收到的主接觸器閉合變量值為1，則驅(qū)動(dòng)220V DO 輸出，主接觸器相應(yīng)閉合，否則主接觸器斷開(kāi)，主要完成對(duì)220V DI/DO 的采集和驅(qū)動(dòng)。因此，將I/O 模塊裝置在配電屏內(nèi)，該程序主要用于配電屏接收現(xiàn)場(chǎng)控制箱發(fā)送的CAN 總線信息，并對(duì)該信息進(jìn)行解析后來(lái)驅(qū)動(dòng)主接觸器的閉合或斷開(kāi)，從而為機(jī)電設(shè)備接通或斷開(kāi)主電源，如圖5 所示。

圖5 CAN 總線接收處理流程圖

3）以太網(wǎng)處理程序：與CAN 總線處理程序類似，在PC 操作單站或PC 工程師站遠(yuǎn)程操作時(shí)，PLC程序設(shè)置PLC 控制變量為1，并通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給配電屏。當(dāng)配電屏收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包時(shí)，解析數(shù)據(jù)包中PLC控制變量值：當(dāng)該值為1 時(shí)，則I/O 模塊驅(qū)動(dòng)220V DO輸出，主接觸器閉合；當(dāng)該值為0 時(shí)，則I/O 模塊不會(huì)驅(qū)動(dòng)220V DO 輸出，主接觸器保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)。

（2）優(yōu)化后的電氣控制方案

將上述標(biāo)準(zhǔn)I/O 模塊分別裝配在現(xiàn)場(chǎng)控制箱和配電屏內(nèi)，采集外部DI/DO 信息并轉(zhuǎn)換為總線信息發(fā)送。圖6 中，Y11…Y1k，Ym1…Ymk為配電屏（電源）至機(jī)電設(shè)備的配電電纜；R11…R1k，Rm1…Rmk配電屏至控制箱間的CAN 總線控制線纜；E11…E1n為配電屏至PLC 之間的以太網(wǎng)控制線纜。采用此種電氣控制方式，僅車間機(jī)電設(shè)備的配電電源采用電氣電纜，其余所有的控制電纜均采用總線通訊方式，極大減少了電氣電纜的數(shù)量。因此該優(yōu)化后的電氣控制方案，首先節(jié)省了投資費(fèi)用，其次簡(jiǎn)化了工廠布線，減少了線纜敷設(shè)安裝的復(fù)雜程度，便于日常維護(hù)和故障診斷，對(duì)今后可能的技術(shù)升級(jí)改造，不用重新更改控制箱設(shè)計(jì)和重新敷設(shè)控制線路，直接利用標(biāo)準(zhǔn)I/O 模塊擴(kuò)展I/O，并采集I/O 信息后通過(guò)總線發(fā)送。優(yōu)化后的電氣控制原理框圖如圖6 所示。

圖6 優(yōu)化電氣控制原理框圖

3 方案對(duì)比

本方案的重點(diǎn)在于增加了標(biāo)準(zhǔn)I/O 模塊，采集DI/DO 信息轉(zhuǎn)換為總線信息傳輸，簡(jiǎn)化了工廠布線。該標(biāo)準(zhǔn)I/O 模塊設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采用CPU+I/O+通訊接口模式，同時(shí)內(nèi)部設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)程序模塊，易于實(shí)現(xiàn)，成本也較低。下表列出現(xiàn)有電氣控制方案與本方案的對(duì)比。

表 兩種方案的對(duì)比

另外，現(xiàn)有電氣控制方案的電氣可靠傳輸距離一般不超過(guò)300m，但在某些設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)異地操作控制的情況下，電氣距離可能超過(guò)300m 甚至更遠(yuǎn)，在此種情況下應(yīng)用現(xiàn)有電氣控制方案，降低了可靠性。而本方案采用總線通訊，一般有效距離至少可達(dá)1km，在距離更遠(yuǎn)的地方可以采用中繼，或者采用光纖模式。因此，綜合上表，本方案解決了現(xiàn)有電氣控制系統(tǒng)方案存在的一些問(wèn)題，是一種更優(yōu)方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在介紹現(xiàn)有電氣控制方案的基礎(chǔ)上，介紹一種優(yōu)化方案。本優(yōu)化方案主要是增加標(biāo)準(zhǔn)I/O 模塊，將外部的DI/DO 轉(zhuǎn)化為總線信息傳輸，從而簡(jiǎn)化工廠電氣控制系統(tǒng)的布線。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，需注意將I/O 模塊的硬件和軟件均做好標(biāo)準(zhǔn)化，以便擴(kuò)展，或者做成可二次開(kāi)發(fā)模式。本方案的應(yīng)用改變了現(xiàn)有電氣控制系統(tǒng)方案存在的一些問(wèn)題，可幫助企業(yè)節(jié)省投資和運(yùn)營(yíng)成本，有很廣闊的應(yīng)用前景和社會(huì)效益。