臂式斗輪堆取料機(jī)新型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫喜勝 遇廣宇 國占一

（北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽110027）

前言

臂式斗輪堆取料機(jī)是在小型斗輪挖掘機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的堆、取合一的軌道式散料專用裝卸設(shè)備。它具有堆取能力大、料場占地面積小、操作方便等優(yōu)點(diǎn)而被工業(yè)部門廣泛使用[1]。它廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠、輕工化工、散貨港口等的儲(chǔ)料廠。所以研究斗輪堆取料機(jī)的控制系統(tǒng)有著重要意義。

1 初期的臂式斗輪堆取料機(jī)控制系統(tǒng)

80年代初期，PLC、變頻器和軟啟停器等應(yīng)用于斗輪機(jī)控制系統(tǒng)中，減少了繼電器和控制電纜，在斗輪機(jī)取料的過程中，通過變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)了斗輪取料機(jī)構(gòu)取煤量在一定范圍內(nèi)的可調(diào)；實(shí)現(xiàn)了大車的平穩(wěn)啟動(dòng)與制動(dòng)，減小了啟動(dòng)與制動(dòng)過程中對(duì)設(shè)備的沖擊[2]。斗輪機(jī)的性能得到了提高。

2 現(xiàn)場總線技術(shù)

根據(jù)國際電工委員會(huì)（IEC）和美國儀表協(xié)會(huì)(ISA)的定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，它的關(guān)鍵標(biāo)志是能支持雙向多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字通訊，具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、通信速率快、維護(hù)成本低等特點(diǎn)[3]。

Profibus符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158，是世界上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一，并以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，成為現(xiàn)場的最優(yōu)解決方案[4]。

3 應(yīng)用了總線控制的的臂式斗輪堆取料機(jī)控制和通訊系統(tǒng)

設(shè)計(jì)以PLC為核心，采用先進(jìn)的現(xiàn)場總線方式，將PLC、變頻器、觸摸屏、檢測系統(tǒng)連接在一起，控制臂式斗輪堆取料機(jī)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。本系統(tǒng)采用SIEMENS公司的Profibus-DP總線控制系統(tǒng)，所有的網(wǎng)絡(luò)元件都要和CPU通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3．1臂式斗輪堆取料機(jī)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臂式斗輪堆取料機(jī)的電氣控制系統(tǒng)由電源部分、電動(dòng)機(jī)控制中心（MCC）、變頻調(diào)速系統(tǒng)、操作臺(tái)、PLC及觸摸屏等組成。

PLC是系統(tǒng)的控制核心，采用SIEMENS公司的S7 300系列可編程序控制器，主機(jī)采用CPU315-2DP，提供一個(gè)PROFIBUS DP接口。

變頻器采用施耐德公司的ATV71變頻器。

軟起動(dòng)器采用西門子公司的3RW44。

變頻器、人機(jī)界面等現(xiàn)場裝置，通過獨(dú)立的Profibus-DP接口直接連接到現(xiàn)場總線上。PLC通過邏輯運(yùn)算處理發(fā)出相應(yīng)的數(shù)字信息，從而控制現(xiàn)場裝置的工作運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)的硬件組態(tài)

3．2臂式斗輪堆取料機(jī)軟件控制系統(tǒng)

根據(jù)控制系統(tǒng)的硬件，選擇相應(yīng)的編程軟件對(duì)系統(tǒng)的控制流程進(jìn)行開發(fā)。西門子專門為客戶提供了程序開發(fā)軟件STEP 7。STEP 7是用于SIMATIC可編程序控制器的組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，它是SIMATIC工業(yè)軟件的組成部分[5]。

（1）堆料程序控制任務(wù)

在斗輪堆取料機(jī)堆料PLC控制程序中，斷續(xù)回轉(zhuǎn)+斷續(xù)行走定點(diǎn)堆料是經(jīng)常采用的一種工作方式。首先將大車行走到預(yù)定料場位置，啟動(dòng)堆料程序，給系統(tǒng)發(fā)出堆料作業(yè)信號(hào)并實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)膠帶工況聯(lián)鎖。通過編碼器和物位計(jì)的采樣、傳送、邏輯運(yùn)算，做出判斷進(jìn)行懸臂回轉(zhuǎn)和大車行走動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)斗輪堆取料機(jī)的堆料作業(yè)。

（2）取料程序控制任務(wù)

在斗輪堆取料機(jī)取料PLC控制程序中，采用旋轉(zhuǎn)分層不分段取料。首先將大車開至預(yù)定取料位置。當(dāng)接到系統(tǒng)取料指令后，啟動(dòng)取料程序，斗輪在程序控制下順序啟動(dòng)，通過編碼器分別進(jìn)行取料初始角和取料終止角的角度采集、傳送和存貯，確定懸臂回轉(zhuǎn)的取料范圍。實(shí)現(xiàn)斗輪堆取料機(jī)的取料作業(yè)。

3．2臂式斗輪堆取料機(jī)軟件控制系統(tǒng)的解決方案

（1）創(chuàng)建并編輯項(xiàng)目

項(xiàng)目可用來存儲(chǔ)為自動(dòng)化任務(wù)解決方案而生成的數(shù)據(jù)和程序。這些數(shù)據(jù)被收集在一個(gè)項(xiàng)目下，包括：硬件結(jié)構(gòu)的組態(tài)數(shù)據(jù)及模板參數(shù)；網(wǎng)絡(luò)通訊的組態(tài)數(shù)據(jù)，以及為可編程序模板編制的程序。生成一個(gè)項(xiàng)目的主要任務(wù)就是為編程準(zhǔn)備這些數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在一個(gè)項(xiàng)目中以對(duì)象的形式存儲(chǔ)。

（2）項(xiàng)目硬件組態(tài)

通過STEP 7編程軟件對(duì)臂式斗輪堆取料機(jī)控制系統(tǒng)的硬件配置進(jìn)行組態(tài)。在項(xiàng)目中插入相應(yīng)的可編程序控制器的硬件結(jié)構(gòu)。如圖1所示：

（3）項(xiàng)目程序開發(fā)

一旦完成了硬件組態(tài)，就可以為可編程模板生成軟件，選擇編程語言，完成程序邏輯。STEP 7軟件為客戶提供多種編程語言，包括語句表STL、梯形邏輯LAD、功能塊圖FBD、SCL結(jié)構(gòu)控制語言等等。本設(shè)計(jì)采用語句表STL和梯形圖LAD進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3．3臂式斗輪堆取料機(jī)軟件控制系統(tǒng)的編程實(shí)例

如圖2所示為一段斗輪堆取料機(jī)自動(dòng)堆料程序，采用LAD梯形圖編制。

程序塊中包含了堆料聯(lián)鎖工藝流程，只有滿足各種工作條件，才能激活輸出點(diǎn)，斗輪堆取料機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)才能互相配合順序運(yùn)行。為了方便閱讀和編程，通常要將I/O點(diǎn)進(jìn)行定義，通過Step 7軟件提供的符號(hào)編輯表就可以輕而易舉地完成。

·I代表數(shù)字輸入；·Q代表數(shù)字輸出；·M代表中間變量；·PIW代表輸入字；·PQW代表輸出字。

圖2 STEP7自動(dòng)堆料編程段

結(jié)論

通過分析斗輪堆取料機(jī)的堆料工藝和取料工藝，確定系統(tǒng)的控制方案，設(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于采用了先進(jìn)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場總線將PLC、變頻器等現(xiàn)場裝置連接在一起，實(shí)現(xiàn)了PLC控制技術(shù)、變頻器調(diào)速技術(shù)與檢測技術(shù)的集成。現(xiàn)場總線構(gòu)成了該控制系統(tǒng)的基本框架，是斗輪堆取料機(jī)控制系統(tǒng)的核心部分。通過現(xiàn)場的應(yīng)用結(jié)果表明該現(xiàn)場總線系統(tǒng)提高了作業(yè)效率，保證了設(shè)備的可靠運(yùn)行，提高設(shè)備的使用壽命。

[1]邵明亮.斗輪堆取料機(jī)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2]何恩江，閆德軒.變頻調(diào)速在斗輪堆取料機(jī)行走控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].哈爾濱軸承，2006(02).

[3]王慧鋒.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[4]崔堅(jiān).西門子工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)指南.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[5]張澤榮.可編程序控制器原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[6]肖洪，孫永.旋轉(zhuǎn)編碼器在斗輪堆取料機(jī)回轉(zhuǎn)保護(hù)功能上的應(yīng)用 [J].礦山機(jī)械，2006，34(12).