西门子1500 系列PLC 在焦炉推焦车控制系统中的应用

邹玉超

（云南大为制焦有限公司，云南 曲靖 655000）

推焦车是焦炉生产中必不可少的重要设备，其能否安全可靠运行直接关系到焦炉生产系统的正常运转。但由于焦炉各机车长期工作在温度高、振动大等环境恶劣的工况下。加之其自身存在运动部件多，使用操作频繁，联锁控制条件复杂等特点，这就对电气控制系统的安全性、稳定性、可靠性提出了更高的要求。基于西门子1500 系列PLC 的机车电气控制系统，具有性能稳定、功能强大、使用维护方便等优点，能够有效地解决推焦车在生产使用过程中存在的问题，达到充分满足生产工艺的使用要求，同时提高装置的可视化、自动化程度，达到保障电气控制系统稳定可靠运行的目的。

1 推焦车的结构及工作过程

1.1 推焦车的主要功能及结构

推焦车为捣固焦炉配套的主要机械设备之一，运行在焦炉的机侧。主要功能是将炭化室中的烧结成熟的焦饼推出，并在推焦前后完成开、关机侧炭化室炉门。

捣固焦炉上使用的推焦车主要由钢结构、走行装置、余焦处理装置、推焦装置、取门装置、液压系统和电气系统等七部分组成。

1.2 推焦车的工作过程

根据计划出焦炉号，推焦车走行至相应炉号前，使推焦装置对准炭化室中心；启动余焦刮板机组，以刮走摘门后掉落的焦炭；取门机摘下炉门；控制推焦杆将成熟的焦炭推出；推焦结束后，向装煤车的反方向走行避让装煤车装煤；装煤结束后，推焦车再次开回至刚装完煤的炉孔，利用取门装置关闭炉门；停止余焦刮板机组运转。上述各部分操作动作结束后，推焦机完成一个循环操作动作，又行驶到下一出焦的炭化室前，进入下一次循环操作。[1]

2 控制系统方案设计

2.1 总体电气控制系统方案设计

控制系统采用西门子1500 系列PLC 控制器，由于现场设备输入输出信号较为分散，为减少控制电缆敷设的长度和数量，同时降低后续维护工作量及电气故障率，提高控制系统的安全性和稳定性，控制系统采用PROFIBUS-DP 总线控制方式，共设置一个主站，一个从站。在配电室内装设一套PLC 主站，同时配置相应的IO 模块，用于配电室内相应设备的信息采集和控制；在液压室内设置一套IO 从站及相应的IO 模块，用于液压室及部分现场相应设备的信息采集和控制。[2]

设备的操控采用按钮、主令开关及触摸屏相结合的方式。按钮主要用于紧急停车、控制电源的分合等；主令开关用于推焦车走行及推焦杆的控制；其余设备的控制均可通过触摸屏操作实现，同时在触摸屏上组态推焦车相应监视画面，便于操作人员使用和掌握相关状态。触摸屏与PLC 之间通过PRFINET 协议使用网线进行连接。

2.2 推焦车走行单元控制

推焦车走行装置主要由4 台额定功率为30kW 的变频调速三相异步电动机进行驱动。由于是重载启动，变频器选用2 台额定功率为90kW 的西门子G120 系列变频器，通过一拖二的方式驱动4 台走行电机。推焦车的左、右走行方向及速度通过操作台上的主令开关进行控制。

2.3 推焦车推焦单元控制

推焦车推焦装置主要由1 台额定功率为132kW 的三相绕线式异步电动机进行驱动，通过转子回路串电阻进行调速。推焦杆的前、后行方向及速度通过操作台上的主令开关进行控制，共设置4 个调节速度。

2.4 推焦车液压单元控制

推焦车的液压控制系统主要为油泵、总溢流阀、电磁阀等，其动作均通过操作室内的触摸屏进行操作。取门机前/后行、提门、落门等动作通过液压油缸驱动，油缸各溢流阀、电磁阀由PLC 模块输出控制后，再经中间继电器进行隔离、扩容。[3]

3 控制系统硬件设计

3.1 可编程控制器PLC

3.1.1 PLC 的选型

控制系统选用西门子S7-1500 系列PLC 作为控制器，它是一套模块化控制系统，适用于自动化领域内的各种应用，其集成有各种不同类型的 CPU，可通过PROFINET、PROFIBUS 等通信模块以及IO 模块对CPU进行扩展，硬件配置较为灵活。

3.1.2 PLC 的硬件系统配置

PLC 硬件系统采用PROFIBUS 总线通讯方式，设置1 个主站，1 个从站，各主、从站根据IO 通道的数量配置不同的模块类型及数量。

1.PLC 主站共配置11 块模块，具体分配如下：

（1）模块1 为系统电源模块，连接到背板总线，并通过内部电源为已组态的模块供电。

（2）模块2 为CPU,它是PLC 的核心部件，主要作用是控制整个系统协调一致地运行。

（3）模块3 为通信处理器，用于将1500 PLC 连接至PROFIBUS 总线，设置通信地址为2。

（4）模块4 为高速计数模块，通过与现场推焦杆旋转编码器连接，用于监测推焦杆的实时行程。

（4）模块5、6、7、8 为数字量输入模块，用于接收配电室内相应设备的开关量输入信号，如推焦、走行主令的输入信号；推焦接触器的反馈信号等。

（5）模块9、10 为数字量输出模块，用于控制配电室内相应设备的接通或断开，如推焦前、后行及速度接触器的通断控制；左、右走行及调速中间继电器的通断控制等。

（6）模块11 为模拟量输入信号模块，用于接收4mA～20mA 的推焦电流模拟信号。

2.推焦车液压室从站共配置7 块模块，具体分配如下：

（1）模块1 为接口模块，用于连接PROFIBUS 总线，设置通信地址为3。

（2）模块2、3、4、5 为数字量输入模块，用于接收液压室、现场设备相应的开关量输入信号，如油缸限位开关输入信号、现场限位开关输入信号、油泵接触器的反馈信号等。

（3）模块6、7 为数字量输出模块，用于控制液压室内相应设备的接通或断开，如油泵接触器的通断控制；各油缸动作的通断控制等。

3.2 变频器

变频器选择西门子SINAMICS G120 系列变频器，该系列变频器功能强大，操作简单，扩展性强，使得在使用和调试过程中较为方便，提高了工作效率，节约了维护成本。

西门子SINAMICS G120 系列变频器采用模块式结构，主要由功率单元+控制单元+操作面板，构成一台标准的G120 变频器。

3.3 触摸屏

为了便于PLC 与触摸屏之间建立通信，以及提高监控画面的组态效率，同时为便于操作人员的操控使用，选用的触摸屏类型为西门子TP1500 HMI 精智面板，该HMI 精智面板是新一代西门子HMI 触摸屏中重要的一款产品，具有多种配置，能够满足在不同现场情况下的需求。通过TIA 博途软件，可以方便地对设备进行组态编程和控制操作，提高工程效率。

4 控制系统软件设计

4.1 PLC 程序设计

PLC 程序采用梯形图进行编程，由一个主程序及4 个子程序（推焦、走行、取门、液压）构成，程序的编写在计算机上完成，编译后通过网线将程序下载到PLC，实现控制任务的完成。

4.1.1 控制系统主程序设计

PLC 主程序主要由走行移门单元允许推焦、走行推焦单元允许移门、推焦移门单元允许走行、推焦行程检测、监控画面自动切换、子程序调用等程序构成。走行、移门、推焦三个单元之间具有相互联锁，相应单元联锁程序满足后，另一单元才具备允许操作的条件，确保设备的安全操作。

推焦行程检测程序段，主要将与推焦杆传动装置连接的旋转编码器输入信号转换后，用于检测推焦杆实时行程。

4.1.2 移门单元子程序设计

该子程序主要为移门单元各液压装置电磁阀的输出控制，移门单元设置有现场及操作室2 种操作方式，通过转换开关进行切换，当切换为现场操作时，可通过现场按钮操作各液压装置动作，操作室操作无效；当切换为操作室操作时，可在操作室触摸屏上操作各液压装置动作，现场操作无效。[4]

4.1.3 推焦单元子程序设计

该子程序主要为推焦方向及速度控制。当有外部推焦方向输入信号时，相应推焦方向输出触点接通动作；在低转速运行有反馈信号的前提下，有高速输入信号时，相应的高转速输出触点接通；当推焦杆控制无相应的输入信号或推焦杆到达前、后限位时，则相应的输出接点停止输出；当推焦向前或向后运行时，推焦抱闸输出触点接通，抱闸打开；当推焦向前或向后停止时，推焦抱闸输出触点断开，抱闸关闭。

4.1.4 走行单元子程序设计

该子程序主要为走行方向及速度控制。当有外部走行方向输入信号时，相应走行方向输出触点接通，变频器运行，推焦车开始走行；在低转速走行有反馈信号的前提下，有高速输入信号时，相应的高转速输出触点接通，控制变频器输出对应的频率，推焦车以输入信号对应的速度走行；当走行向左/向右运行时，走行抱闸、散热风扇输出触点接通，抱闸打开、散热风机运行；当走行向左/向右停止时，走行抱闸、散热风扇输出触点断开，抱闸关闭、散热风机停止运行。

4.1.5 液压单元子程序设计

该子程序主要为油泵、刮板机、空压机、溢流阀控制。油泵控制程序主要为：当油泵无故障信号、无运行信号时，在触摸屏上点击油泵启动后，油泵启动运行；当运行中的油泵出现故障信号或按下油泵停止后，油泵停止运行。溢流阀及各液压装置电磁阀控制段程序主要为：当油泵在运行的状态下，任意一个液压电磁阀有输出信号时，溢流阀自动动作接通油压。刮板机、空压机控制程序主要为：当刮板机/空压机无故障信号、无运行信号时，在触摸屏上点击启动按键后，相应输出继电器动作，刮板机/空压机启动运行；当运行中的刮板机/空压机出现故障信号或按下停止按键后，其输出触点断开，刮板机/空压机停止运行。

4.2 变频器参数设置

根据变频器的控制原理，结合西门子G120 变频器的自身特点，在确保满足工艺使用要求和充分发挥变频器优良性能的前提下，将变频器的主要参数设置如下：

电机额定电压P304=400V；电机额定电流P0305=124A；电机额定功率P0307=60kW；电机额定频率P0310=50Hz；电机额定转速P0311=980rpm；转速固定设定值选择模式P1016=2；转速固定设定值选择位0 P1020=r722.0；转速固定设定值选择位1 P1021=r722.1；转速固定设定值选择位2 P1022=r722.4；转速固定设定值选择位3 P1023=r722.5；主设定值P1070=r1024 转速固定设定值；斜坡函数发生器斜坡上升时间P1120=10S；斜坡函数发生器斜坡下降时间P1121=20S。

4.3 触摸屏画面组态

画面组态仍然采用西门子公司提供的全集成自动化软件TIA portal。组态内容包括设备添加、网络连接、变量添加或导入、创建画面等，并将监控画面与PLC进行关联，实现触摸屏对PLC 的输入控制、PLC 相应数值对触摸屏的输出显示。为方便操作使用及设备状态监控，推焦车共设置推焦、走行、取门3 个监控画面。[5]

1.推焦监控画面，主要监视推焦运行状态、推焦杆前/后限位、推焦杆行程、允许推焦条件等，同时还可控制油泵、空压机的启停动作等。

2.走行监控画面，主要监视走行方向、走行速度、走行电机及变频器故障信息等。

3.取门监控画面，主要监视取门单元各限位状态、油泵及溢流阀运行状态等；同时用于控制取门单元各电磁阀的动作，油泵、刮板机的启停操作等。

5 结论

基于西门子1500 系列PLC 的自动化工控产品在焦炉推焦车上的综合应用，极大地提高了设备的自动化控制水平，减少了大量外部繁杂的控制线路，使控制线路化繁为简，提升了设备的安全性和可靠性，方便了操作人员的操作使用，大幅地降低了电气设备维护工作量和故障发生率，具有较强的经济性、可靠性和稳定性。