淺談側(cè)式懸臂堆料機橋式斗輪取料機控制系統(tǒng)的設(shè)計

曹艷華 王鳳

摘 要：文章介紹了側(cè)式懸臂堆料機橋式斗輪取料機的基本控制理論，以及西門子有源底板、西門子工業(yè)以太網(wǎng)、西門子PROFIBUS-DP、光纖通訊等的應用。

關(guān)鍵詞：控制理論；PLC；工業(yè)以太網(wǎng)

1 堆取料機控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 堆取料機的特點

側(cè)式懸臂堆料機橋式斗輪取料機具有占地面積小，物料貯量大等優(yōu)點是現(xiàn)今應用最廣泛的均化設(shè)備，在港口、碼頭、大型電廠、水泥廠、礦山都可以見到它的影子。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC功能日漸強大，網(wǎng)絡(luò)通訊功能的應用，使功能控制更加集中，監(jiān)測能力更加完備，側(cè)式懸臂堆料機和橋式斗輪取料機控制技術(shù)也日臻完善。

1.2 堆取料機的工藝流程

側(cè)式懸臂堆料機和橋式斗輪取料機配套使用，側(cè)式懸臂堆料機由堆料臂、配重塊、驅(qū)動裝置、液壓系統(tǒng)、主控制室、動力電纜卷盤、控制電纜卷盤和來料小車等部分組成；橋式斗輪取料機由收料皮帶、耙車、斗輪、行走小車、動力電纜卷盤及控制電纜卷盤等部分組成。側(cè)式懸臂堆料機采用往復鱗狀堆料的方法，橋式斗輪取料機采用橫斷面取料方法。

1.3 堆取料機的控制方式

側(cè)式懸臂堆料機和橋式斗輪取料機分三種控制方式，自動方式、手動方式、維修方式，其中自動方式又分為機上自動和中控室自動，中控室自動控制實現(xiàn)了設(shè)備的遠程遙控操作。

1.4 堆取料機動作聯(lián)鎖流程

側(cè)式懸臂堆料機和橋式斗輪取料機在同一個料場工作，正常工作時它們是相對獨立的個體。

側(cè)式懸臂堆料機自動工作時的起機順序是首先將懸臂降低至下極限，由中控室或機上發(fā)出自動工作命令，堆料機發(fā)出起機響鈴預警15秒，之后皮帶啟動，5秒后，行走驅(qū)動運行并伴有移動警告，堆料機在堆料區(qū)域往返行走，卸料皮帶機同時卸下物料，堆料機在遠離料場中心一側(cè)的停留點是固定的，稱為固定點。在靠近料場中心一側(cè)的停留點是可變的，即每次回縮一段距離，稱為可變點。為保證堆形，堆料機在固定點、可變點的停留時間是可調(diào)的。每次堆料時，堆料機總是向固定點方向行走，在固定點與可變點之間往返行走進行堆料，直到堆料臂上的料位檢測開關(guān)觸料后液壓俯仰系統(tǒng)工作，這時俯仰系統(tǒng)自動上升一段距離，待堆料機達到堆滿開關(guān)時會向中控室發(fā)出堆滿停車申請，中控室或機上發(fā)出正常停機命令停止堆料皮帶和堆料機的運行。側(cè)式懸臂堆料機會按起動時的相反順序依次停車。

橋式斗輪取料機自動工作的起機順序是，啟動命令發(fā)出響鈴15秒，響鈴完畢啟動輸送皮帶，5秒后斗輪啟動（由于料場位置不同，斗輪旋轉(zhuǎn)的方向不同），7秒后斗輪小車后行（靠近控制室一側(cè)），待物料取完一個橫斷面，斗輪小車后行碰到后行程，這時斗輪小車停止，取料機大車會向前運行（靠近物料）0.5米，之后斗輪小車前行，待碰到前行程，斗輪又完成一個橫斷面取料，小車停止，大車向前運行0.5米。取料機如此反復工作，直到碰到料取完限位。取料機的停機順序是起機的逆續(xù)，先停大車行走和小車行走，之后是斗輪，最后停輸料皮帶。

側(cè)式懸臂堆料機和橋式斗輪取料機正常停機后，堆料機大臂抬到上極限，取料機的斗輪開到后行程，以便兩臺設(shè)備交叉換堆。

2 堆取料機設(shè)計的原則、硬件及輔助系統(tǒng)設(shè)計

2.1 PLC硬件的組態(tài)選擇

本文介紹的側(cè)式懸臂堆料機和橋式斗輪取料機其控制系統(tǒng)有如下特點：

選用西門子S7 300系列PLC；由ET200和有源底板構(gòu)成的可熱插拔的輸入輸出模塊系統(tǒng)；堆料機、取料機與中控室采用DP通訊，中控室為DP通訊的主站，堆料機和取料機為DP通訊的從站；堆料機與取料機之間的通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)，堆料機為主站，取料機為從站，兩種通訊都通過光纖介質(zhì)傳輸，在硬件選型時需要選用將DP信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w信號的OLM以及將工業(yè)以太網(wǎng)的電信號轉(zhuǎn)換為光信號的光電轉(zhuǎn)換器，并將運行時的數(shù)據(jù)顯示在西門子觸摸屏上。

2.2 堆取料機驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計

2.2.1 側(cè)式懸臂堆料機主回路

懸臂卸料皮帶電機；卸料皮帶抱閘；液壓變幅電機；堆料行走電機；堆料行走抱閘；

2.2.2 橋式斗輪取料機主回路

皮帶電機回路；斗輪電機回路；斗輪小車行走電機；斗輪小車行走抱閘；大車行走電機；大車行走抱閘；

2.2.3 堆取料機主回路的硬件配置

側(cè)式懸臂堆料機行走機構(gòu)采用西門子440變頻器，采用DP通訊的方式控制電機的起動和停止。根據(jù)橋式斗輪取料機取料的特點，其取料面為三角形而斗輪小車的行走軌跡為直線型，因此為了使出料均勻且提高取料效率，將小車行走軌跡分為3段A、B、C。在A段與C段行走速度加快，減少取料時間，而B段減慢小車行走速度，增加取料時間。因此斗輪小車的行走機構(gòu)也采用西門子440變頻進行控制，同時也起到了防止頻繁啟停電流過高的問題，并使斗輪小車運行更加平穩(wěn)。

3 側(cè)式懸臂堆料機及橋式斗輪取料機的軟件及控制系統(tǒng)開發(fā)

3.1 有源底板

西門子300PLC輸入輸出模塊沒有帶電熱插拔的功能，隨著技術(shù)的不斷完善，將有源低板應用到PLC的機架上，用ET200擴展的輸入輸出模塊就可以實現(xiàn)I/O點的熱插拔功能。將有源底板的GSD文件安裝在西門子STEP 7硬件組態(tài)上。ET200采用ET200M系列可以帶遠程I/O模塊的特點，將多個輸入模塊、輸出模塊、模擬量和高速模塊集成在有源底板上，就可以實現(xiàn)熱插拔的功能。有源底板根據(jù)需要選接口有源底板和I/O有源底板，一個接口有源底板安裝一塊ET200M，它可以擴展80MM的I/O有源底板6塊通過硬件的如下設(shè)置就可以實現(xiàn)如下功能：

A帶電插拔模塊時，確保不造成模塊的硬件損壞；

B帶電插拔模塊時，CPU不停機，并產(chǎn)生報警；

C帶電插拔模塊時，該模塊I/O通道的數(shù)值保持不變，而其他模塊的運行不受影響；

D帶電插拔模塊時，CPU中觸發(fā)中斷組織塊或通過DP診斷程序塊，得到模塊拔出或插入的事件信息，在用戶程序或中斷組織塊OB**中進行相應控制邏輯和I/O通道的處理；

3.2 工業(yè)以太網(wǎng)

本項目中工業(yè)以太網(wǎng)的應用是為了實現(xiàn)堆料機與取料機之間的信息傳遞。

工業(yè)以太網(wǎng)的特點：

（1）Ethernet是全開放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，遵照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同廠商的設(shè)備可以很容易實現(xiàn)互聯(lián)。

（2）以太網(wǎng)能實現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，形成企業(yè)級管控一體化的全開放網(wǎng)絡(luò)。

（3）軟硬件成本低廉，由于以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，支持以太網(wǎng)的軟硬件受到廠商的高度重視和廣泛支持，有多種軟件開發(fā)環(huán)境和硬件設(shè)備供用戶選擇。

（4）通信速率高，隨著企業(yè)信息系統(tǒng)規(guī)模的擴大和復雜程度的提高，對信息量的需求也越來越大，有時甚至需要音頻、視頻數(shù)據(jù)的傳輸，目前以太網(wǎng)的通信速率為10M、100M的快速以太網(wǎng)開始廣泛應用，千兆以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，10G以太網(wǎng)也正在研究，其速率比目前的現(xiàn)場總線快很多。

（5）可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ螅谶@信息瞬息萬變的時代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個快速而有效的通信管理網(wǎng)絡(luò)，信息技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網(wǎng)技術(shù)不斷地持續(xù)向前發(fā)展

3.3 PROFIBUS -DP

PROFIBUS -DP用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時間必須要比主站（PLC）程序循環(huán)時間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設(shè)備所需的非周期性通信以進行組態(tài)，診斷和報警處理。

PROFIBUS-DP在本系統(tǒng)中建立兩條，在本系統(tǒng)中變頻器的起/停，編碼器的數(shù)據(jù)傳輸采集和擴展的ET200建立在一條DP系統(tǒng)上，為了不影響堆取料機與中控室的數(shù)據(jù)傳輸，堆取料機與中控室建立另外的一條DP通訊，這樣DP1與DP2互不干擾，數(shù)據(jù)傳輸?shù)母_。

3.4 光纖傳輸

光纖通信具有頻帶寬，通信容量大；損耗低，中繼距離長；抗電磁干擾等優(yōu)點。本臺側(cè)式懸臂堆料機、橋式斗輪取料機和中控室的距離都在240米的距離，用光纖作傳輸介質(zhì)比其它任何傳輸介質(zhì)的損耗都低，而且光纖是絕緣體材料，它不受自然界的雷電干擾、電離層的變化和太陽黑子活動的干擾，也不受電氣化鐵路饋電線和高壓設(shè)備等工業(yè)電器的干擾，用它與電力導體復合構(gòu)成復合光纜，減少了電纜鋪設(shè)的工時。采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式，需要用光口交換機將以太網(wǎng)傳輸?shù)碾娦盘栟D(zhuǎn)換為光纖傳輸?shù)墓庑盘?，堆料機、取料機和中控室之間采用PROFIBUS-DP的通訊方式，需要用OLM交換機將DP信號轉(zhuǎn)換為光信號。

4 結(jié)束語

側(cè)式懸臂堆料機、橋式斗輪取料機隨著科學技術(shù)的發(fā)展，控制技術(shù)日臻完善，提供了更人性化的控制系統(tǒng)，從而有效地提高產(chǎn)品的均化效果，延長了設(shè)備的使用壽命，使我們的堆料機控制系統(tǒng)設(shè)計達到世界領(lǐng)先水平。

參考文獻

[1]馮敏，劉宇.自控產(chǎn)品在堆取料機控制系統(tǒng)上的應用，2006（6）.

[2]李榮芳，范曉濤，等.SIEMENS自控產(chǎn)品在堆取料機控制系統(tǒng)上的應用，2004（3）.

作者簡介：曹艷華（1980，5-），遼寧省開原市人，大學本科，工程師，研究方向：電氣設(shè)計。

王鳳（1975，2-），遼寧省開原市人，大學本科，高級工程師，研究方向：電氣設(shè)計。