可逆皮帶PLC自動(dòng)化聯(lián)鎖控制的問(wèn)題及解決

李瑞光

（山西省自動(dòng)化研究所，山西太原 030012）

皮帶運(yùn)輸機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)皮帶）是一種連續(xù)運(yùn)輸機(jī)械，被廣泛用于港口、電廠(chǎng)、鋼鐵企業(yè)、水泥等的生產(chǎn)線(xiàn)。皮帶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、能耗低、對(duì)環(huán)境污染小、便于集中控制和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。尤其在鋼鐵企業(yè)及礦山用量最多、規(guī)格最大，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

高爐供料自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-400系列可編程控制器設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)，PLC技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，技術(shù)相當(dāng)成熟，功能繁多，PLC用軟件替代大量的繼電接觸器，外部?jī)H剩下與輸入和輸出有關(guān)的少數(shù)硬件元件，可以節(jié)省下大量費(fèi)用，而且還具有很強(qiáng)的抗干擾能力。本文通過(guò)對(duì)可逆皮帶的電氣自動(dòng)化聯(lián)鎖控制運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的特例故障，對(duì)故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行查找、分析，最終確定引發(fā)故障的因素，并給出相應(yīng)的解決方案，闡述可逆皮帶的安全及穩(wěn)定性編程的重要性;再通過(guò)對(duì)控制邏輯的嚴(yán)謹(jǐn)分析和切實(shí)的手段保證了可逆皮帶的安全及可靠運(yùn)行，增加了供料系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

1.1.1 上位機(jī)

選用美國(guó)DIGGCOM工控機(jī)（DCS400F），DCS400F系列工業(yè)計(jì)算機(jī)采用了具有自保護(hù)功能的400W高容量電源，具有高安全性、高穩(wěn)定控制并適應(yīng)工況惡劣的環(huán)境。

1.1.2 下位機(jī)

選用西門(mén)子S7-400系列PLC，PLC主要模塊:（1）CPU 414-4H DP，（2）通訊處理器CP 443-1（以太網(wǎng)通訊模塊），（3）ET200M接口模塊153-1AA03-0XB0，（4）開(kāi)關(guān)量輸入16×24V 321-1BH01-0AA0，（5）開(kāi)關(guān)量輸出16×24V 322-1BH01-0AA0，（6）總線(xiàn)連接器972-0BA12-0XA0等。

1.1.3 現(xiàn)場(chǎng)操作箱

現(xiàn)場(chǎng)操作箱采用最先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)模塊方式設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)模塊選用德國(guó)WAGO系列模塊，主要有:（1）總線(xiàn)適配器750-333，（2）4通道數(shù)字量輸入750-432，（3）4通道數(shù)字量輸出 750-531，（4）終端模塊 750-600，（5）總線(xiàn)連接器750-960。

1.1.4 通訊設(shè)備

上位機(jī)和PLC系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)方式進(jìn)行通訊，交換機(jī)選用菲尼克斯工業(yè)管理型交換機(jī)FL SWITCH MCS FX/TX 4TX/2FX雙光口。S7-400PLC與操作箱中的WAGO現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)模塊之間采用PROFIBUS DP進(jìn)行通訊。

1.2 軟件構(gòu)成

1.2.1 上位機(jī)組態(tài)軟件

上位機(jī)軟件采用 Wonderware公司的InTouch v10.0組態(tài)軟件。InTouch軟件是一個(gè)開(kāi)放且可擴(kuò)展的HMI，擁有尖端的繪圖功能。InTouch軟件提供了與工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的最廣泛的連通性，全球超過(guò)三分之一的工廠(chǎng)內(nèi)使用。

1.2.2 下位機(jī)開(kāi)發(fā)、編程軟件（PLC）

下位機(jī)編程軟件采用西門(mén)子公司PLC可編程邏輯控制器的組態(tài)和編程軟件SIMATIC Step7 v5.4。Step7是用于SIMATIC S7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可使用梯形圖邏輯、功能塊圖和語(yǔ)句表進(jìn)行編程操作。

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)模塊選用德國(guó)WAGO系列模塊，也可以直接在Step7下進(jìn)行組態(tài)和編程使用。

1.3 高爐供料系統(tǒng)網(wǎng)路拓?fù)鋱D

系統(tǒng)網(wǎng)路拓?fù)鋱D詳見(jiàn)圖1。

2 高爐供料系統(tǒng)要求

2.1 系統(tǒng)工藝流程說(shuō)明

高爐供料系統(tǒng)主要是將燒結(jié)廠(chǎng)生產(chǎn)出的成品燒結(jié)礦、機(jī)焦廠(chǎng)生產(chǎn)出的焦炭和料場(chǎng)中存儲(chǔ)的球團(tuán)、塊礦等高爐所需的原材料通過(guò)皮帶運(yùn)輸?shù)?0個(gè)大存儲(chǔ)倉(cāng)及2個(gè)小存儲(chǔ)倉(cāng)中來(lái)滿(mǎn)足高爐生產(chǎn)要求。生產(chǎn)工藝流程詳見(jiàn)圖2。

圖2中工藝流程包含三個(gè)供料系統(tǒng)，具體線(xiàn)路如下:

（1）焦炭:J101→J102→J103R（正向）→K103

J101→J102→J103R（反向）→J104

（2）塊礦、球團(tuán):G201→G202R→G203→J103R（正向）→K103

G201→G202R→J102→J103R→J104

（3）成品燒結(jié):K101→K102R（正向）→G204

K101→K102R（反向）→1#2#小存儲(chǔ)倉(cāng)

圖1 高爐原料、供料系統(tǒng)網(wǎng)路拓?fù)鋱D

圖2 高爐供料系統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程圖

2.2 可逆皮帶的功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中可逆皮帶有J103R、K202R和K102R，可逆皮帶和普通皮帶的區(qū)別主要是可逆皮帶可以通過(guò)正向和反向運(yùn)行來(lái)改變物料運(yùn)輸線(xiàn)路。

2.2.1 可逆皮帶的工藝要求

（1）操作箱:現(xiàn)場(chǎng)設(shè)有操作箱，箱體上需有:正轉(zhuǎn)指示、反轉(zhuǎn)指示、故障指示、選擇開(kāi)關(guān)（控制自動(dòng)/手動(dòng)操作）;手動(dòng)正轉(zhuǎn)按鈕、手動(dòng)反轉(zhuǎn)按鈕、停止按鈕、啟動(dòng)電鈴預(yù)告按鈕、事故開(kāi)關(guān)（急停）。

（2）控制方式:可逆皮帶可在自動(dòng)/零位/手動(dòng)，三種方式中相互轉(zhuǎn)換。

可逆皮帶的手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行均由PLC控制，跑偏、打滑、拉繩等聯(lián)鎖也都由PLC內(nèi)實(shí)現(xiàn)，皮帶無(wú)電氣聯(lián)鎖回路。

·自動(dòng):正常生產(chǎn)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)操作箱選擇開(kāi)關(guān)須旋至自動(dòng)位置，在控制室的計(jì)算機(jī)上發(fā)各系統(tǒng)的啟動(dòng)命令，系統(tǒng)中聯(lián)鎖設(shè)備按工藝要求的順序，由PLC自動(dòng)控制發(fā)出指令，皮帶自動(dòng)按順序完成正向或反向啟動(dòng)、順序停止、急停、故障停止等操作。皮帶啟動(dòng)前自動(dòng)進(jìn)行電鈴預(yù)告。

可逆皮帶聯(lián)鎖的順序:系統(tǒng)順啟或急停時(shí)與后面的一條皮帶聯(lián)鎖，順停時(shí)與前面一條皮帶聯(lián)鎖。以J103R可逆皮帶為例，1#倉(cāng)上焦炭料時(shí)，選擇J101→K103路線(xiàn)，系統(tǒng)順啟時(shí)按:K103→J103R（正向）→J102→J101順序啟動(dòng)皮帶，這時(shí)J103R與K103聯(lián)鎖，K103沒(méi)啟動(dòng)、故障或急停時(shí)，J103R不能啟動(dòng)。系統(tǒng)順停時(shí)按:J101→J102→J103R（正向）→K103順序停止，這時(shí)J103R與J102聯(lián)鎖，J102沒(méi)停止J103R不允許停止。

·手動(dòng):在操作箱上將選擇開(kāi)關(guān)旋至手動(dòng)位置，操作工按先按啟動(dòng)預(yù)告按鈕，進(jìn)行電鈴預(yù)告，提醒皮帶旁人員遠(yuǎn)離皮帶，避免造成事故，15秒電鈴預(yù)告結(jié)束后，可按正轉(zhuǎn)按鈕正向啟動(dòng)皮帶或按反轉(zhuǎn)按鈕反向啟動(dòng)皮帶，也可以按停止按鈕停止皮帶運(yùn)行，手動(dòng)操作是皮帶無(wú)聯(lián)鎖關(guān)系。

·零位:選擇開(kāi)關(guān)旋至零位時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)或中控室均不能啟動(dòng)皮帶，這種方式主要用于檢修時(shí)鎖定皮帶運(yùn)行以確保安全。

（3）安全設(shè)計(jì):系統(tǒng)啟動(dòng)前，操作人員通過(guò)語(yǔ)音系統(tǒng)喊話(huà)或電話(huà)系統(tǒng)通知崗位工要啟動(dòng)系統(tǒng)，啟動(dòng)每條皮帶前必須進(jìn)行15秒以上的電鈴預(yù)告。遇到緊急情況，操作人員可按系統(tǒng)急停，現(xiàn)場(chǎng)崗位工可旋轉(zhuǎn)事故開(kāi)關(guān)停止皮帶。

每條皮帶裝置設(shè)拉線(xiàn)開(kāi)關(guān)、輕跑偏保護(hù)、重跑偏保護(hù)、打滑檢查、速度檢測(cè)等保護(hù)手段，當(dāng)發(fā)生輕跑偏、打滑故障、速度故障時(shí)在控制室發(fā)出一級(jí)報(bào)警，重跑偏、拉繩故障時(shí)必須故障聯(lián)鎖停車(chē)，保護(hù)皮帶不受損壞。皮帶無(wú)電氣聯(lián)鎖回路，所有保護(hù)都由PLC實(shí)現(xiàn)。

皮帶對(duì)應(yīng)的低壓電器柜中設(shè)有電機(jī)的電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，可發(fā)現(xiàn)一些機(jī)械設(shè)備的潛在故障隱患;運(yùn)行中對(duì)電機(jī)的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析，當(dāng)發(fā)生電流超限或突變時(shí)報(bào)警，嚴(yán)重時(shí)停機(jī)。

2.3 可逆皮帶的聯(lián)鎖安全設(shè)計(jì)

現(xiàn)用J103R可逆皮帶為例進(jìn)行說(shuō)明?？赡嫫д颉⒎聪虻碾姎庾詣?dòng)化聯(lián)鎖控制詳見(jiàn)圖3。

圖3 可逆皮帶正向、反向運(yùn)行聯(lián)鎖圖

由于篇幅原因其它聯(lián)鎖及梯形圖從略。

3 可逆皮帶聯(lián)鎖故障現(xiàn)象及解決

3.1 可逆皮帶的故障現(xiàn)象

系統(tǒng)運(yùn)行2個(gè)多月未出現(xiàn)異常，直到有一天晚上因?yàn)镴104皮帶重跑偏造成焦炭上料系統(tǒng)全部重負(fù)荷聯(lián)鎖停車(chē)，J102皮帶堆料嚴(yán)重?zé)o法正常啟動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)崗位工J103R可逆皮帶轉(zhuǎn)成手動(dòng)方式反向運(yùn)行，想把J102皮帶的焦炭先落地一部分。這時(shí)J103R沒(méi)能反向運(yùn)行，而在低壓柜中出現(xiàn)了頂空開(kāi)和燒保險(xiǎn)的現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)改成手動(dòng)正轉(zhuǎn)能正常操作，期間換了3次保險(xiǎn)，手動(dòng)反轉(zhuǎn)啟動(dòng)一會(huì)正常一會(huì)故障，期間反復(fù)觀(guān)察PLC的輸出指示燈發(fā)現(xiàn)J103R的正向和反向偶爾有同時(shí)運(yùn)行的現(xiàn)象。出現(xiàn)故障時(shí)我未在現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)描述的現(xiàn)象，初步確定故障現(xiàn)象為偶爾的正反向同時(shí)輸出引發(fā)了頂空開(kāi)和燒保險(xiǎn)。

3.2 可逆皮帶的故障分析

從圖3的J103R正向、反向聯(lián)鎖圖上看，正向和反向運(yùn)行時(shí)都有互鎖（?處可看到），理論上講如果正向啟動(dòng)時(shí)有反向輸出的話(huà)不可能輸出正向，反向同理。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的現(xiàn)象，只能從操作角度入手找問(wèn)題，因?yàn)槭謩?dòng)正向操作沒(méi)問(wèn)題，手動(dòng)反向時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。第二天上午，我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)開(kāi)始分析原因，抓故障現(xiàn)象，首先拆掉電機(jī)輸出電纜，反復(fù)做實(shí)驗(yàn)，手動(dòng)正向運(yùn)行時(shí)，從未出現(xiàn)過(guò)故障，手動(dòng)運(yùn)行了10多次，反向運(yùn)行時(shí)故障也未出現(xiàn)，后找到晚班的崗位工來(lái)操作，發(fā)現(xiàn)操作手法確有不同。他按操作箱上的反轉(zhuǎn)按鈕時(shí)，手一直按住不離開(kāi)，直到啟動(dòng)。這個(gè)崗位工是新上崗的，問(wèn)他為什么這樣操作，他說(shuō)怕啟動(dòng)不了。他操作了10次出現(xiàn)1次故障，看似的確和操作手法有關(guān)，可從程序上分析似乎這種操作也不應(yīng)該引起故障問(wèn)題。

分析進(jìn)入了僵局，按照給定的條件應(yīng)該不會(huì)同時(shí)輸出正向和反向。接著換了個(gè)角度從滿(mǎn)足皮帶啟動(dòng)條件方面來(lái)考慮:一直按住反轉(zhuǎn)按鈕10次，出現(xiàn)一次正向和反向同時(shí)輸出，可沒(méi)按正轉(zhuǎn)按鈕為什么會(huì)輸出正轉(zhuǎn)呢?只有在反轉(zhuǎn)按鈕被按下的同時(shí)正轉(zhuǎn)按鈕也被按下才有可能啊……問(wèn)題暴露出來(lái)了，用萬(wàn)用表量正轉(zhuǎn)按鈕時(shí)，發(fā)現(xiàn)按鈕的確有些問(wèn)題，有時(shí)接觸上后斷不開(kāi)，彈片有問(wèn)題相當(dāng)于正轉(zhuǎn)按鈕一直處于按下?tīng)顟B(tài)。

這下從理論上就能說(shuō)通了，按照崗位工的操作方法，手一直按在反轉(zhuǎn)按鈕上，這時(shí)如果正轉(zhuǎn)按鈕正好也處于接觸位置，就相當(dāng)于同時(shí)送出正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)啟動(dòng)命令，而此時(shí)反轉(zhuǎn)和正轉(zhuǎn)的運(yùn)行信號(hào)都沒(méi)有發(fā)出，正向和反向都滿(mǎn)足啟動(dòng)條件，這樣就出現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)同時(shí)輸出的現(xiàn)象。如果不一直按下反轉(zhuǎn)按鈕，就不會(huì)滿(mǎn)足同時(shí)的條件;或者正轉(zhuǎn)按鈕沒(méi)有損壞出現(xiàn)假按下的條件也不會(huì)造成同時(shí)輸出正、反向運(yùn)行的故障。

3.3 可逆皮帶的故障解決方法

方法一:更換正轉(zhuǎn)按鈕，特別簡(jiǎn)單。

方法二:加強(qiáng)培訓(xùn)崗位工，改進(jìn)操作方法，不要一直按住正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)按鈕不放。

方法三:系統(tǒng)中的皮帶無(wú)電氣聯(lián)鎖回路。只能從軟件上加聯(lián)鎖條件限制，最終確定將正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)按鈕也進(jìn)行互鎖來(lái)限制。改進(jìn)后的聯(lián)鎖圖和程序如圖4，圖5。

圖4 改進(jìn)后的可逆皮帶正向、反向運(yùn)行聯(lián)鎖圖

圖5 改進(jìn)后的可逆皮帶正向啟動(dòng)程序梯形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)這次對(duì)可逆皮帶出現(xiàn)的不常見(jiàn)的故障原因進(jìn)行查找、判斷和解決，使我們對(duì)故障有了新的認(rèn)識(shí)，查找問(wèn)題時(shí)要敢于懷疑一切，打破習(xí)慣的理解，多角度、多方面思考問(wèn)題;在電氣聯(lián)鎖設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)可能出現(xiàn)的或者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題都要及時(shí)加入控制點(diǎn)，編程實(shí)現(xiàn)時(shí)更要注重細(xì)節(jié)，只有這樣才能使自動(dòng)化控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，降低設(shè)備故障率，減少今后的維護(hù)工作。