基于SIMATIC S7-1500 PLC的全油回收控制系統設計

趙帥兵

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

在鋁板帶軋機軋制過程中，軋制油是必不可少的。但在軋制過程中，不可避免的產生軋制油霧，大量的汽態軋制油及粒徑微小的液態軋制油霧被排入大氣，在污染環境的同時也造成了極大的資源浪費。全油回收系統用于回收軋制過程中產生的氣態軋制油及粒徑微小的液態軋制油霧，降低軋制油消耗，減少環境污染。

電氣控制系統作為全油回收系統的中樞指揮，起到系統無人值守、自動運行、故障報警等作用，其功能實現的核心是可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，簡稱PLC)。隨著PLC技術的不斷發展，SIMATIC S7-1500系列PLC以其強大的技術優勢逐漸取代S7-300/400 PLC，成為工業控制領域的佼佼者。本文以某全油回收系統項目為背景，詳細介紹了SIMATIC S7-1500 PLC在該項目中的設計及應用。

1 工藝流程介紹

全油回收系統主要由吸收單元、脫氣單元、解析單元、成品回流單元組成。吸收單元用于吸收軋機煙氣中的氣態軋制油及粒徑微小的液態軋制油，并將混合油輸送至脫氣單元。脫氣單元用于去除混合油中的水份和空氣，并將混合油輸送至解析單元。解析單元用于軋制油的分離與提純、冷凝回收，并將清洗油輸送至成品回流單元。成品回流單元用于收集分離出來的軋制油，分為成品罐和回流罐。成品罐中的軋制油液位達到設定高度時用成品油泵輸送至成品油箱；回流罐中的軋制油用回流泵回流至解析塔，提高軋制油的品質。其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow chart

2 S7-1500 PLC優勢

2.1 響應速度快

作為新一代大中型PLC，S7-1500 PLC相對S7-300/400 PLC，其處理器性能得到大幅度提升，處理速度和響應時間更短，CPU最快位處理速度可達1ns。同時，S7-1500 PLC具有強大的通訊能力，支持最多3個Profinet網段，通訊數據刷新時間可達125us，可實現低成本快速組態現場級通信和公司網絡通訊，而S7-300/400 PLC只有個別型號才集成有Profinet接口。

2.2 功能更加完善

在外觀上，增加了LED顯示功能，比S7-300/400 PLC更人性化，方便用戶及時查看系統故障信息。在故障或使用過程中，不再單一靠指示燈判斷運行情況，并且還增加了前連接器、趨勢圖等設計。在擴展功能上，S7-1500支持更多的分布式I/O系統，最多可支持32個模塊。同時，模塊集成有診斷功能，診斷級別為通道級，無需進行額外編程，當發生故障時，可快速準確的識別受影響的通道，減少停機時間。同時，S7-1500可借助SMC存儲卡，將該存儲卡在博途中以一定的格式進行存儲，便可實現插上存儲卡即可執行加載并啟動程序，實現程序間接下載[1]。這些功能都是S7-300/400 PLC所無法比擬的。

2.3 組態效率高

傳統的S7-300/400 PLC專用組態編程軟件為Step7，上位機組態軟件為WinCC，兩個軟件操作十分繁瑣。而S7-1500 PLC無縫集成到TIA博途軟件中，無論硬件組態、網絡連接和上位機組態，還是軟件編程，均可在博途TIA軟件中實現，其操作簡單快捷，效率更高。隨著S7-300/400 PLC退出市場，該類型PLC市場存量逐漸減少，而S7-1500 PLC性能優越、采購成本低、采購周期短的優勢日漸顯著，逐漸受到用戶的青睞。

3 控制系統設計

電控系統作為全油回收系統自動控制的核心，可實現全油回收系統手動和自動運行，主要設備可實現不停機狀態下手動/自動切換和備用泵組切換。系統具有自動運行、連鎖、報警、保護和緊急狀況自動停機功能，實現無人值守全自動運行。

3.1 PLC選型及配置

根據全油回收系統的工藝要求和控制點的數量，在該控制系統中PLC選用S7-1500 PLC系列CPU1511-1 PN，該PLC位操作的處理時間可達60ns，CPU上的Profinet接口支持與Profinet子站和HMI設備通訊，也可以通過增加通訊模塊CM1542-5實現Profibus通訊。

分布式I/O模式在系統中起著重要的作用，分為ET200MP和ET200SP兩個系列。其中，西門子ET200MP具有高性能、響應時間短并且可以滿足高速應用需求，支持Profinet和Profibus兩種通訊方式，性能優于ET200SP。ET200MP包括常用的輸入/輸出模塊、工藝模塊以及通訊模塊等。本文選擇西門子ET200MP系列分布式子站，接口模塊選用IM155-5 PN高性能型，這個接口模塊支持Profinet通訊。PLC模塊配置表如表1所示。

表1 模塊配置表

3.2 硬件組態

該項目中，設備控制軟件開發平臺采用博途TIA Portal V15，此開發平臺系統是將傳統的編程軟件Step7和WinCC等功能集成為一體，為生產系統的開發人員提供了便利。TIA Portal V15軟件具有強大的自動化組態編程功能，最為突出的特點是將一整套的自動化控制系統進行了集成，在同一個操作環境進行的操作與控制，為設計人員提供了更便捷的使用途徑、更高端的配置方式和全新的解決方法。大大提高了工程調試和維護過程中的效率，極大的降低了建設和維護成本。全油回收電氣控制系統主要包括主控制器(S7-1500 PLC)、分布式I/O(ET200MP)、人機交互界面(TP1500)和變頻控制單元(ACS580)。控制系統組態圖如圖2所示。

圖2 控制系統組態圖Fig.2 Configuration diagram of control system

在圖2中，硬件組態包括S7-1500 PLC(CPU1511-PN)、ET200MP(IM155-5 PN)、HMI(TP1500)、PM101(吸收塔循環泵)、PM201(脫氣塔循環泵)、PM401(解析塔循環泵)、PM502(回流循環泵)。變頻器采用ABB ACS580系列變頻器，配置FENA-11通訊模塊，該模塊支持Profinet通訊。硬件組態中各設備之間采用Profinet實現網絡通訊。

3.3 編程實現

項目依托博途TIA Portal V15控制軟件開發平臺進行PLC程序和HMI編寫及調試。PLC控制程序主要包括通訊控制、模擬量信號轉換、變頻器控制、普通電機控制、故障報警、加熱器控制、真空泵組控制、連鎖控制、自動切換控制、油量統計管理等功能。HMI畫面主要包括流程監控畫面、參數設置畫面、參數監控畫面、手動操作畫面、自動操作畫面、趨勢圖、報警記錄、用戶登錄畫面等。

PLC控制程序為系統自動控制、實現無人化值守、故障報警提供命令輸出和信號采集，并將采集的數據和設備狀態顯示在HMI畫面上，便于用戶及時了解設備運行狀態和故障信息。HMI為用戶提供命令輸入和參數修改接口，實現人機交互，保證系統可靠穩定運行。

4 結論

本文介紹了S7-1500 PLC在工程應用中的優勢，并詳細介紹了SIMATIC S7-1500 PLC在全油回收控制系統中的選型、組態及編程。在全油回收系統項目實際應用中，采用SIMATIC S7-1500 PLC不僅可以降低項目成本，還可以提高控制系統的響應速度，提高數據傳輸速率，加強全油回收系統與軋機設備的通訊能力。同時，縮短了調試時間和故障處理時間，取得了良好的使用效果，為S7-1500 PLC在全油回收系統及類似項目中的應用和擴展奠定了基礎。