Application of SIEMENS automation and driving products in automotive coating VOC management system

［摘要］ 該論文主要介紹了西門子S7-1500系列、S7-300系列以及西門子G120、G130變頻器在汽車涂裝車間有機(jī)廢氣VOC治理方面的應(yīng)用。系統(tǒng)充分利用了西門子PROFINET以及PROFIBUS通信來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速響應(yīng)，為保衛(wèi)藍(lán)天白云做出了重大貢獻(xiàn)。

［關(guān)鍵詞］ S7-1500、S7-300、G120、G130、G150、PLC、變頻器、WinCC、TIA

［Abstract］ his paper mainly introduces the application of SIEMENS S7-1500 series,S7-300 series and SIEMENS G120,G130 inverter in the treatment of organic exhaust gas VOC in car painting workshop.The system makes full use of SIEMENS system PROFINET and PROFIBUS communication to realize the system′s rapid response.Made a great contribution to the protection of the blue sky and white clouds.

［Key Words］ S7-1500、s7-300、G120、G130、G150、PLC、inverter、WinCC、TIA

一、項(xiàng)目簡介

1）隨著我國的快速發(fā)展，人民對美好生活的向往的追求在不斷地增加。追求美好生活環(huán)境成為我國在新時(shí)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展中更加看重的一項(xiàng)指標(biāo)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢氣，尤其是涂裝車間產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)廢氣VOC對環(huán)境的污染尤其嚴(yán)重，涂裝車間產(chǎn)生VOC中包含苯系物等致癌物質(zhì)，因此對 VOC的治理工作已經(jīng)成為現(xiàn)階段工業(yè)有機(jī)廢氣治理的重點(diǎn)。

2）根據(jù)WHO 定義，揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）是指在常壓下，沸點(diǎn) 50～260℃的各種有機(jī)化合物。VOC 按其化學(xué)結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步分為:烷類、芳烴類、酯類、醛類和其他等。目前已鑒定出的有 300 多種。最常見的有苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、三氯乙烯、三氯甲烷、三氯乙烷、二異氰酸酯（TDI）、二異氰甲苯酯等。

VOC的治理，由于其主要分子構(gòu)成為 C、H、O，所以本論文主要介紹高溫催化分解。由于苯系物在 780～850℃直接可以裂解為 HO₂ 與 CO₂，達(dá)到國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。處理設(shè)備已經(jīng)在北汽越野、長安汽車、力帆汽車、福特汽車、武漢本田、上汽、奇瑞、海馬等國內(nèi)外知名汽車制造廠商以及配套配件廠商應(yīng)用。本系統(tǒng)采用蓄熱式廢氣焚燒系統(tǒng) RTO,以及廢氣濃縮轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)來處理長安汽車涂裝車間的有機(jī)廢氣。

3）本系統(tǒng)采用了西門子S7-1500 系列PLC、G120 系列變頻器、G13O 系列變頻器、G120C系列變頻器，以及使用了大量的西門子電機(jī)，如圖1～圖4所示。

圖1 控制中心S7-1516-3PN CPU以及冷卻風(fēng)機(jī)G120變頻器

圖2 G130變頻器控制的吸附風(fēng)機(jī)

圖3 系統(tǒng)中使用的AOP2操作面板

圖4 現(xiàn)場工程師監(jiān)控HMI

二、控制系統(tǒng)構(gòu)成

整個(gè)項(xiàng)目中的硬件配置、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分布圖

系統(tǒng)采用帶 2 個(gè)網(wǎng)口和一個(gè) dp 通信口的 1516-3pn 的CPU，外加cp 模塊組成雙PROFINET網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（現(xiàn)場級和工廠管理級）,以及現(xiàn)場級 PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場HMI 對現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，設(shè)備狀態(tài)通過工廠管理級網(wǎng)絡(luò)傳送到 ccr 中控室，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和監(jiān)控。

三、控制系統(tǒng)完成的功能

1）由于設(shè)備現(xiàn)場分散，場地面積巨大，采用西門子系統(tǒng)集成在一起，采用友好的人機(jī)工程，使得現(xiàn)場操作簡單，維護(hù)方便。

2）采用西門子變頻技術(shù)使得能源的消耗減少，節(jié)約了成本。

3）西門子博圖系統(tǒng)的集成化和模塊化以及STARTER軟件，使得現(xiàn)場工程師可以更加方便地調(diào)試，系統(tǒng)采用部分 SCL（結(jié)構(gòu)化控制語言）更好地實(shí)現(xiàn)了部分工藝功能。

4）由于系統(tǒng)中存在著大量的模擬量傳感器，采用SCALE轉(zhuǎn)換指令，簡單方便地對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定如下：

現(xiàn)場壓差傳感器輸入的4～20mA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成0～7000Pa的壓差。采用SCALE對壓差數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測并返回狀態(tài)，工程師可以了解每個(gè)數(shù)據(jù)的現(xiàn)況。

利用FC塊制作成判斷單元為大量閥門狀態(tài)診斷提供簡單快速的方案，如圖6所示。

圖6 簡單、快速的診斷方案

定義FC塊輸入變量 MVME、POS_AUF、POS_ZU為BOOL類型，ZEIT_A_Z為S5Time類型,TIMER_A_Z為Timer類型。

定義FC塊輸出變量STOERUNG為BOOL類型。

程序中以開啟MVME后檢測POS_AUF與 POS_ZU位置，啟動(dòng)定時(shí)器，判斷在定時(shí)器啟動(dòng)前閥門是否執(zhí)行打開或關(guān)閉指令，并在無MVME條件下檢測是否POS_AUF與 POS_ZU位置同時(shí)存在。若沒有在定時(shí)器時(shí)間內(nèi)執(zhí)行指令或者POS_AUF與 POS_ZU位置同時(shí)存在的時(shí)候輸出報(bào)警。

其中MVME為啟動(dòng)信號，ZEIT_A_Z為定時(shí)器時(shí)間，設(shè)定執(zhí)行器運(yùn)行時(shí)間為工藝要求的時(shí)間限制。POS_AUF、POS_ZU 為開關(guān)量執(zhí)行器傳感器傳送的開關(guān)位置信號。STOERUNG為報(bào)警輸出。程序給出打開閥門指令，程序在15s內(nèi)檢測是否有打開信號，并且在打開信號消失時(shí)判斷關(guān)閉信號是否在15s內(nèi)關(guān)閉。

圖7～圖10為SCL、STARTER，博途軟件、中控室WinCC的應(yīng)用。

圖7 SCL在系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖8 STARTER軟件在調(diào)試變頻器的應(yīng)用

四、項(xiàng)目運(yùn)行

系統(tǒng)運(yùn)行以來，涂裝車間 VOCs 排放統(tǒng)一收集處理，環(huán)境保護(hù)得到進(jìn)一步落實(shí)，項(xiàng)目運(yùn)行后，從最初的300mg/m³尾氣排放，到現(xiàn)在的6～8mg/m³,遠(yuǎn)低于國家和地方排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。