基于PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線通訊的礦石破碎控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張海峰，王治剛，王淑紅

（1.中國(guó)鋁業(yè)山東分公司陽(yáng)泉礦，山西陽(yáng)泉045000；2.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原030024）

基于PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線通訊的礦石破碎控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張海峰1，2，王治剛2，王淑紅2

（1.中國(guó)鋁業(yè)山東分公司陽(yáng)泉礦，山西陽(yáng)泉045000；2.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原030024）

針對(duì)礦石破碎工序，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能。根據(jù)礦石破碎系統(tǒng)的工藝要求，以PLC為控制核心，以Profibus－DP總線為架構(gòu)，采用智能MCC控制保護(hù)裝置作為控制單位，實(shí)現(xiàn)了對(duì)破碎系統(tǒng)的控制。

Profibus－DP現(xiàn)場(chǎng)總線；可編程控制器；智能MCC控制保護(hù)裝置

傳統(tǒng)的礦石破碎控制系統(tǒng)主要是以繼電器控制系統(tǒng)為主，這種控制系統(tǒng)由于其功能單一，控制柜體積大，界面以按鈕和電表為主，并且保護(hù)功能和聯(lián)鎖功能弱，所以隨著控制技術(shù)的發(fā)展，這種控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需要，急需改變[1]。本文就是以中國(guó)鋁業(yè)山東分公司陽(yáng)泉礦破碎系統(tǒng)改造工程為例來介紹一種新的控制系統(tǒng)模式。

1 控制系統(tǒng)技術(shù)改造要求

1.1 原控制系統(tǒng)存在的問題

破碎系統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備之間工藝連鎖性較復(fù)雜。原有電氣控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的交流繼電器控制方式，操作界面只有按鈕和儀表盤組成的簡(jiǎn)易人機(jī)界面，界面可視性較差，且原控制系統(tǒng)只有單一的手動(dòng)操作方式；原有控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)極易出現(xiàn)誤操作，引發(fā)設(shè)備事故，給礦石破碎的生產(chǎn)帶來很大隱患。

1.2 技術(shù)改造要求

技術(shù)要求如下：（1）實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的邏輯控制與模擬量的處理；（2）實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)、人機(jī)界面的遠(yuǎn)程通訊連接；（3）控制系統(tǒng)設(shè)置手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式，破碎系統(tǒng)正常生產(chǎn)時(shí)工作在自動(dòng)工作方式下，檢修維護(hù)時(shí)工作在手動(dòng)工作方式下；（4）實(shí)現(xiàn)給料機(jī)、腭式破碎機(jī)、錐式破碎機(jī)、皮帶輸送機(jī)等設(shè)備的平穩(wěn)啟動(dòng)及快速制動(dòng)；（5）人機(jī)界面美觀，交互功能良好。各臺(tái)設(shè)備的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)可通過人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)定、修改。各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)視參數(shù)可通過總線通訊接口，由人機(jī)界面進(jìn)行遠(yuǎn)程顯示；（6）實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制室設(shè)備之間構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)系統(tǒng)，具備全數(shù)字化、雙向、多變量數(shù)字通信的功能；（7）改造后的控制系統(tǒng)可擴(kuò)展性好。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

總體設(shè)計(jì)方案如下：（1）采用PLC（Programmable Logical Controller）作為控制系統(tǒng)的主控制器，并擴(kuò)展其模擬量輸人輸出模塊；（2）由智能MCC（Motor Control Center）控制保護(hù)裝置控制破碎系統(tǒng)各臺(tái)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備的正常啟動(dòng)、運(yùn)行、停車等功能；（3）PLC與智能MCC控制保護(hù)裝置之間采用基于Profibus－DP的總線通訊技術(shù)，通過Profibus－DP總線通訊實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制信號(hào)和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)（如功率、電流、電壓、溫度等）的準(zhǔn)確傳輸；（4）采用計(jì)算機(jī)做為系統(tǒng)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)控制室操作人員遠(yuǎn)程控制破碎系統(tǒng)各臺(tái)設(shè)備的啟動(dòng)、停機(jī)并能夠?qū)崟r(shí)讀取各設(shè)備的主要運(yùn)行參數(shù)，從而達(dá)到提高破碎系統(tǒng)生產(chǎn)自動(dòng)化水平的目的[2]。

PLC與智能MCC控制保護(hù)裝置之間采用基于Profibus－DP的總線通訊方案，主要原因是：Profibus－DP總線作為目前國(guó)際流行的開放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，它能使生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)儀表之間、現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制室設(shè)備之間構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)系統(tǒng)，而且它具備了控制功能下載的優(yōu)點(diǎn)，使得控制功能由過去的控制室設(shè)備完成轉(zhuǎn)變?yōu)橛删邆渲悄芄δ艿默F(xiàn)場(chǎng)儀表來承擔(dān)，容易構(gòu)成大型開放式的控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中從最高決策層到最低設(shè)備層的綜合管理和控制；Profibus-DP總線適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向，凡是符合該總線通訊協(xié)議并且具有相應(yīng)接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都可以接入總線通訊系統(tǒng)，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)的擴(kuò)展，使控制系統(tǒng)具備了靈活的可擴(kuò)展性，系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

圖1基于PLC和Profibus-DP的破碎控制系統(tǒng)示意圖

依據(jù)結(jié)構(gòu)化的軟件設(shè)計(jì)思想，整個(gè)PLC控制系統(tǒng)的程序主要包括模擬量輸入輸出讀寫、PLC與智能MCC控制保護(hù)裝置總線通訊程序等各個(gè)程序模塊。本文重點(diǎn)介紹PLC與智能MCC控制保護(hù)裝置總線通訊程序的設(shè)計(jì)。

3.1 PLC的程序編寫

（1）使用 STEP7組態(tài)軟件，進(jìn)入 Hardware Configure完成S7-300 PLC硬件組態(tài)[4]；（2）選定S7-315-2DP為主站系統(tǒng)，將智能MCC控制保護(hù)裝置的GSD（設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)）文件導(dǎo)入STEP7的編程環(huán)境中，軟件組態(tài)智能MCC控制保護(hù)裝置到以S7-315-2DP為主站的DP網(wǎng)上。根據(jù)智能MCC控制保護(hù)裝置Profibus通訊規(guī)約來編寫程序。規(guī)約如表1和表2所示。

表1 輸出表

2.2 系統(tǒng)的主要硬件選型

根據(jù)控制要求和控制規(guī)模的大小，選用西門子公司SIMATIC S7-315-2DP系列PLC作為系統(tǒng)的主控制器，組態(tài)軟件采用西門子公司的WinCC V6.02。用戶可以通過STEP7來實(shí)現(xiàn)對(duì)下位程序的編寫、調(diào)試。

與PLC進(jìn)行總線通訊的設(shè)備采用保定市尤耐特電氣有限公司UNT-MMI智能MCC控制保護(hù)管理裝置。MCC控制保護(hù)管理裝置主要用于低壓電動(dòng)機(jī)控制回路中，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的各種保護(hù)、監(jiān)測(cè)及控制功能，并能通過現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)回路的遠(yuǎn)程監(jiān)控3.UNT-MMI智能MCC控制保護(hù)管理裝置采用通用化設(shè)計(jì)理念，在簡(jiǎn)化一次回路的基礎(chǔ)上（省卻了傳統(tǒng)的熱繼電器、熱保護(hù)器、欠壓過壓保護(hù)器等多種保護(hù)器；取消了時(shí)間繼電器、中間繼電器、輔助繼電器、電流互感器、儀表、轉(zhuǎn)換開關(guān)、指示燈等多種二次分離元件），完成了二次回路的控制、保護(hù)、聯(lián)鎖、測(cè)量、信號(hào)等功能。MCC控制保護(hù)管理裝置由MCC保護(hù)控制器和配套智能儀表兩部分組成。

3 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)[3]

（3）根據(jù)規(guī)約在主PLC程序中建立一個(gè)程序功能塊，用于智能MCC控制保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)通信以及主要設(shè)備的開停控制，數(shù)據(jù)監(jiān)控等。

（4）利用已經(jīng)編好的功能程序塊，來對(duì)具體的設(shè)備進(jìn)行不同的聯(lián)鎖控制。

3.2 智能MCC控制保護(hù)裝置設(shè)置

與PLC通訊有關(guān)的設(shè)置具體如下：在初始界面中有4個(gè)菜單分別是測(cè)量數(shù)據(jù)、參數(shù)設(shè)置、管理信息、事故復(fù)歸。選擇參數(shù)設(shè)置，參數(shù)設(shè)置里面的5個(gè)項(xiàng)目菜單分別是：系統(tǒng)設(shè)置、保護(hù)設(shè)置、開入開出、PLC、其他3；選擇進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置菜單，系統(tǒng)設(shè)置菜單中有通訊菜單，選擇進(jìn)入后，選擇通訊1-〉地址的選擇與PLC具體設(shè)備中設(shè)置的地址對(duì)應(yīng)。比的設(shè)備地址選擇的5，那在智能MCC控制保護(hù)裝置上設(shè)置中通訊地址的設(shè)置也是5，這樣就完成了通訊地址的對(duì)應(yīng)，建立了通訊。其他只需要按照通訊規(guī)約在PLC中進(jìn)行完成。

表2 輸入表

4 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

為了獲得較理想的人機(jī)交互效果，采用西門子公司的WinCC V6.0組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控組態(tài)軟件的開發(fā)和設(shè)計(jì)，利用該軟件中的位狀態(tài)指示燈、位狀態(tài)設(shè)定動(dòng)畫、表針、報(bào)警欄顯示、趨勢(shì)圖、棒圖等元件，制作出一套美觀形象的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，完成后的上位組態(tài)畫面見圖2：

圖2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)畫面

5 結(jié)束語(yǔ)

破碎系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)在采用PLC、智能MCC控制保護(hù)裝置，基于Profibus－DP總線通訊的技術(shù)改造方案后，礦石破碎控制系統(tǒng)的操作和運(yùn)行不僅安全、穩(wěn)定、可靠，而且提高了控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。 基于Profibus－DP總線的通訊方案實(shí)現(xiàn)了PLC與智能MCC控制保護(hù)裝置之間的雙向、高速、全數(shù)字的實(shí)時(shí)通訊，同時(shí)達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的平穩(wěn)啟動(dòng)和快速停車、保護(hù)聯(lián)鎖等要求。采用這套電氣控制方案，為現(xiàn)場(chǎng)安全、方便、可靠的生產(chǎn)提供了有力的保證。

[1]繆學(xué)勤.現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)最新進(jìn)展[D].上海：上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所，2004.

[2]許志軍.工業(yè)控制組態(tài)軟件及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3]UNT-MMI智能MCC（Motor Control Center）控制保護(hù)管理裝置手冊(cè)[M].保定：保定市尤耐特電氣有限公司，2008.

[4]劉美俊.西門子S7系列PLC的應(yīng)用與維護(hù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

〔責(zé)任編輯 石白云〕

Design of Ore Crushing Control System based on PLC and Bus Communication

ZHANG Hai-feng1，2，WANG Zhi-gang，WANG Shu-hong2
（1.Yangquan Colliery in Shandong Subcompany of China Aluminum Industry，Yangquan Shanxi，045000；2.College of Electrical and Power Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan Shanxi，030024）

This paper designed control system and gave system component structure and functions in view of procedure of ore crushing.In according to technological requirements of ore crushing system，the crushing system was controled based on PLC as contral core，architecture as Profibus-DP bus，and using intelligentMCC control protective device as control unit.

Profibus-DP；PLC；intelligentMCC control protective device

R392.12

A

1674－0874（2012）02－0060－03

2011-12-20

張海峰（1976-），男，山西應(yīng)縣人，碩士，工程師，研究方向：電氣自動(dòng)化。