技术 | 基于总线控制的SIMATIC分布式I/O堆取料机电控系统的设计

引言

随着环保及安全生产形势的日益严峻，投产于2008年的金隅冀东水泥西南区域某公司的煤堆取料机由于其建成较久、地理位置环境较潮湿、运行环境恶劣、粉尘大、控制柜密闭性差等原因，电气柜内粉尘对元件运行可靠性和寿命造成巨大影响，同时响应当地环保与安全管理部门要求，现提高煤堆取料机运行的可靠性成了重中之重，需要对其进行升级改造。

目前某水泥煤堆取料机或其他设备使用的大部分电控系统，都是采用传统空开+接触器控制方法来控制电机的启停，建设初始时可能布线缜密，但调试时难免对线路进行调整，尤其是发生故障、检修后无法恢复至初始状态，导致电气柜内线路繁杂，因此很容易发生线路故障；同时对电机的监测参数单一，只能监控一些断路器分合状态、接触器吸合状态信号等开关量信号，对电机电流等重要运行状态参数不能实时监测，也不能及时有效地进行故障预警和生产工艺调整。对此，我们采用SIMATICET 200AL分布式I/O系统对堆取料机电控系统进行了改造设计，以下作一介绍。

以SIMATICET200AL分布式I/O系统为例，分布式I/O是一个可扩展的、高度灵活的分布式I/O系统，用于通过现场总线将过程信号连接到上一级控制系统。易于使用，其接头采用了不同的颜色编码，可以轻松的完成设备间的连接。适用于狭小空间、移动式应用中的装配和处理技术。由接口模块(PROFINET/PROFIBUS)、数字量和模拟量I/O模块、通信模块组件构成。借助其可扩展的结构，用户可以根据自己的现场需求精确自定义具体组态。防护等级为IP65/IP67。

带有PROFINET接口模块的SIMATICET 200AL分布式I/O系统的组态示例见图1。

图1 分布式I/O系统的组态示例

2.1 设备老化问题的针对性设计

该水泥厂由于建成年代较远，许多设备已老化。对此我们将所有设备的驱动采用基于总线技术的分布式驱动，各种传感器、限位开关的信号采集使用防护等级IP67的SIMATIC分布式I/O模块，采用基于PROFINET介质冗余协议（MRP）环网结构。电控系统的主要元件支持MRP协议。

2.2 水泥厂环境恶劣，数据单一

对此水泥厂环境恶劣，数据单一的问题，我们对原控制室电控柜内一次回路、控制回路和PLC控制元件进行重新布置，采用总线技术进行传感器数据采集和设备驱动，减少输入、输出继电器和接触器，大大减少各种接线，同时丰富监测参数；采用高防护等级的分布式模块，在提高整个电气系统运行可靠性的基础上丰富和完善设备运行状态监测参数，降低设备故障率，减少运维工作量和成本。网络拓扑图见图2。

图2 网络拓扑图

（1）悬臂皮带I/O单元。由皮带机保护传感器、料位控制检测传感器组成，主要配置一般分布式I/O模块，再分配一面I/O控制柜，控制柜防护等级IP65。

（2）回转电机控制单元。由回转电机、强制润滑泵电机、回转抱闸组成，配置专门针对环境恶劣的防护等级达到IP65的变频器以及高性能的SIMAT⁃IC分布式I/O系统，防护等级高达IP67，再分配一面I/O控制柜，控制柜防护等级IP65。

（3）干油润滑单元。由上支承干油泵、中部支承干油泵、外齿轮干油泵组成，配置专门针对环境恶劣的SIMATIC分布式I/O系统，其防护等级高达IP67，再分配一面I/O控制柜，控制柜防护等级IP65。

（4）液压系统单元。由变幅泵、油冷却电机、液压站传感器组成，主油泵配置高性能总线软起动器，其余设备配置专门针对环境恶劣的高性能分布式I/O系统，防护等级高达IP67，分配一面I/O控制柜，控制柜防护等级IP65。

（5）行走控制I/O单元。由工作行走电机、调车行走电机、行走抱闸组成，配置专门针对环境恶劣的防护等级大道IP65的变频器以及高性能的SIMAT⁃IC分布式I/O系统，防护等级高达IP67，分配一面I/O控制柜，控制柜防护等级IP65。

SIMATIC分布式I/O系统具有体积小、接线简单、放线成本小，美观度高、功能更丰富的特点，离散型模块化的系统，高度灵活的DP从站，用于连接中央控制器或现场总线上的过程信号，特别适合用于需要电机启动器和安全装置的开关柜，支持现场总线类型PROFIBUSDP和PROFINETIO，这些也为后期公司智能工厂建设打下网络基础。

（1）可靠性。基于PROFINET介质冗余协议（MRP）环网结构，介质冗余结构典型重新组态时间为200ms，显著提高了设备的可用性，因为单个设备的故障对通信没有影响；在发生网络故障时，可以进行快速的网络诊断并加快故障排除。

IP65（I/O柜）+IP67（元件）的双重防护，大大降低柜内粉尘对元件的影响。

（2）先进性。设备全部采用基于PROFINET现场总线的分布式驱动技术进行设备控制和状态参数采集。极大的减少柜内布线，丰富数据采集内容，是目前最先进的工业控制系统。

（3）防爆设计的优化。尤其是在煤的堆取料机上或防护要求高的易燃易爆物的堆取料上，采用防爆电控柜，符合可燃粉尘环境GB12476.1-2000标准中的规定的21区、22区使用规定。

通过这种方式改造，能够使设备稳定性和可靠性大幅提高，降低维护工作量及运维成本，同时也满足当地环保与安全管理部门要求。

作者：陈中华

来源：《唐山冀东装备工程股份有限公司》

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