水泥固化線輥道控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉辰龍++陳先林++ 楊蘭菊++劉宇昊

摘 要：傳統(tǒng)的繼電器-接觸器裝置電氣控制系統(tǒng)在水泥固化線輥道控制系統(tǒng)中存在著控制精度低、檢修不便、故障率高、抗干擾能力差、不穩(wěn)定、通用性和靈活性差、修改控制時(shí)需要重新設(shè)計(jì)布線等缺點(diǎn)。針對水泥固化線輥道控制系統(tǒng)的要求，選擇了具有一系列優(yōu)點(diǎn)的PLC控制系統(tǒng)對水泥固化線輥道進(jìn)行控制。該文簡要分析了用西門子S7-300型PLC實(shí)現(xiàn)水泥固化線輥道控制的方法，設(shè)計(jì)了水泥固化線輥道控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)提高了輥道的控制精度、節(jié)約了輸入輸出點(diǎn)數(shù)、大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，又充分發(fā)揮了工控機(jī)良好的數(shù)據(jù)分析和處理的能力。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)可以保證輥道的安全、可靠、準(zhǔn)確運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：水泥固化線 輥道控制 PLC 控制 S7-300

中圖分類號：TP342+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（c）-0124-03

可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為集三大技術(shù)（通信、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)）為一體，以微處理器為基礎(chǔ)發(fā)展起來的電子控制系統(tǒng)，表現(xiàn)出了很多優(yōu)點(diǎn)，如，具有較強(qiáng)的抗干擾能力、接口簡單維護(hù)方便、控制精度高，特別由于其自身具有較高的可靠性并對惡劣的工業(yè)環(huán)境有很強(qiáng)的適用性，同時(shí)如今的PLC控制系統(tǒng)在處理開關(guān)量、模擬量、位置控制、系統(tǒng)集中控制、通信接口等方面都有了很大提高，因而在工業(yè)控制領(lǐng)域占據(jù)重要地位[1]。而水泥固化工段是采用水泥固化工藝將反應(yīng)堆運(yùn)行過程中的放射性濃縮液進(jìn)行預(yù)處理、整備并形成穩(wěn)定的廢物包，以便運(yùn)輸、暫存和處置的生產(chǎn)線。輸送輥道是水泥固化工段的主要設(shè)備之一，用于將200 L金屬桶自動(dòng)傳輸?shù)礁鱾€(gè)指定的工位進(jìn)行操作。在輸送固化桶的過程中，需要確保固化桶的精確位置。因此，采用PLC對系統(tǒng)的可靠性和安全性進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，具有十分重要的意義。

1 水泥固化系統(tǒng)

輥道輸送線貫穿7個(gè)工位，由9段輥道組成，分別編號為輥道01～輥道09。包括7段直線輥道和2段旋轉(zhuǎn)輥道。其中空桶準(zhǔn)備工位設(shè)置輥道01和輥道02（旋轉(zhuǎn)輥道）、過渡工位設(shè)置輥道03、濕料加注工位設(shè)置輥道04、水泥加注工位設(shè)置輥道05、封蓋工位設(shè)置輥道06、劑量檢測工位設(shè)置輥道07（旋轉(zhuǎn)輥道）、吊運(yùn)工位設(shè)置輥道08、攪拌槳清洗桶暫存工位設(shè)置輥道09。輥道的控制決定著整個(gè)固化生產(chǎn)線的成敗。水泥固化系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

2 輥道控制方案

2.1 主要參數(shù)

（1）運(yùn)行方式：間斷運(yùn)行，每年完成4 000個(gè)200 L滿載桶的往復(fù)輸送。

（2）輥道傳輸速度為5 m/min。

（3）輥道輸送線的操作對象為200 L金屬桶，空桶重量50 kg，單桶裝料后的最大重量為450 kg。

（4）輥道均需能實(shí)現(xiàn)金屬桶的雙向傳輸（電機(jī)能正、反轉(zhuǎn)）。

2.2 控制功能要求

（1）桶在各工位需停下時(shí)，利用輥道電機(jī)適當(dāng)提前停轉(zhuǎn)，或提前減速的方式，以減小固化桶對定位擋桶裝置的沖擊，同時(shí)保證固化桶準(zhǔn)確的定位。

（2）采用光電裝置實(shí)現(xiàn)固化桶的定位。

（3）輥道分別采用手動(dòng)控制和分段程序控制兩種控制方式，通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，使固化桶產(chǎn)生前進(jìn)或后退的定向直線位移。

（4）手動(dòng)控制時(shí)，可單獨(dú)啟動(dòng)每臺(tái)輥道電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

（5）主要控制開關(guān)及其狀態(tài)指示包括：每段輥道的前進(jìn)、后退和停止手動(dòng)按鈕及其狀態(tài)指示、分段程序控制的啟動(dòng)按鈕、停止按鈕和狀態(tài)指示等。

2.3 電氣控制系統(tǒng)

水泥固化線系統(tǒng)采用一一對應(yīng)的模式對輥道進(jìn)行控制即固化線上的每段輥道對應(yīng)著一臺(tái)單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)，通過控制電機(jī)來實(shí)現(xiàn)輥道的運(yùn)轉(zhuǎn)，為了滿足工藝要求保證精度，輥道2和輥道7采用變頻裝置對輥道進(jìn)行控制。這種單獨(dú)的傳動(dòng)控制模式可以保證輥道控制的可靠性、高精度、大大提高生產(chǎn)效率。在老式的水泥固化線設(shè)計(jì)中通常采用擋板來改變輥道方向或停止，所以固化線生產(chǎn)中擋板要一直與固化桶接觸，故擋板是固化桶運(yùn)輸中的易損件。隨著控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，固化桶與擋板的接觸已經(jīng)從“硬碰硬”演變成了“軟著陸”[2]。該固化生產(chǎn)線通過采用常規(guī)電機(jī)、光電傳感器、限位開關(guān)、變頻裝置等，對輥道進(jìn)行精確的定位與控制，實(shí)現(xiàn)固化桶的安裝可靠運(yùn)輸。

該水泥固化線電氣控制系統(tǒng)包括中央處理器、開關(guān)量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、定位模塊、接口模塊、通信模塊、繼電器、光電開關(guān)、限位開關(guān)、變頻器等。在輥道上裝有光電開關(guān)和接近開關(guān)來對固化桶的位置進(jìn)行定位，生產(chǎn)線窺視窗附近上安裝了就地操作箱，就地控制箱上裝有輥道位置監(jiān)測指示燈、輥道的正反轉(zhuǎn)和停止按鈕及狀態(tài)指示、故障指示。輥道位置信號和工作狀態(tài)檢測信號通過輸入模塊送入控制器，控制器發(fā)出指令信號并通過指示燈顯示。輸入信號有正反轉(zhuǎn)按鈕、中間繼電器的觸點(diǎn)信號等。輸出信號包括電磁閥、指示燈、繼電器等，它們以PLC為核心組成PLC控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)根據(jù)輸入模塊接收到的信號，執(zhí)行相應(yīng)的PLC程序，從而控制輸出回路的電器元件，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)水泥固化線輥道的控制。如圖2所示。

2.4 控制回路設(shè)計(jì)

2.4.1 減少輸入點(diǎn)法

在固化前區(qū)窺視窗附件設(shè)有就地控制箱，根據(jù)工藝要求及操作的方便性，同一設(shè)備的控制按鈕需要安裝在2臺(tái)控制箱上或3臺(tái)控制箱上。那么就相當(dāng)于單體設(shè)備的多個(gè)地點(diǎn)啟動(dòng)和多地點(diǎn)停止按鈕信號。為了減少輸入點(diǎn)，節(jié)約成本，將這些信號通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式合并，如圖3所示。圖中SB1～SB3為三地點(diǎn)啟動(dòng)按鈕，SB4～SB6為三地點(diǎn)停止按鈕。采用減少輸入點(diǎn)法，將6個(gè)輸入點(diǎn)減少為2個(gè)輸入點(diǎn)。

2.4.2 分時(shí)分組輸入

分時(shí)分組輸入主要是針對不同時(shí)使用的兩個(gè)控制點(diǎn)來說的，當(dāng)兩個(gè)輸入信號或多個(gè)輸入信號不同時(shí)使用時(shí)，一個(gè)輸入點(diǎn)可以重復(fù)使用[3]。水泥固化線固化前區(qū)的控制箱都有遠(yuǎn)程和就地兩種控制狀態(tài)，遠(yuǎn)程控制和就地控制不會(huì)同時(shí)執(zhí)行。每種控制方式各有N個(gè)輸入信號，那么就要占用2N個(gè)輸入點(diǎn)。但采用分時(shí)分組控制法時(shí)，2N個(gè)輸入信號只需占用N 個(gè)輸入點(diǎn)，其原理圖如圖4所示。

2.4.3 控制回路的設(shè)計(jì)

水泥固化線控制系統(tǒng)中各設(shè)備信號回路采用電氣硬觸點(diǎn)帶動(dòng)。PLC輸出點(diǎn)可以直接帶指示燈、電鈴等聲光信號裝置。但是，如果信號點(diǎn)數(shù)增多，相應(yīng)地要增加PLC輸出點(diǎn)數(shù)，同時(shí)就有可能增加輸出模塊的數(shù)量，使設(shè)備投資加大很多，而且PLC輸出點(diǎn)只能反應(yīng)控制程序執(zhí)行結(jié)果，并不一定是真正的設(shè)備動(dòng)作狀態(tài)，可靠性自然難以保證。例如，PLC某輸出端有信號輸出，而接在該輸出回路上的接觸器線圈燒壞了，使該接觸器控制的電機(jī)沒有起動(dòng)。如果采用PLC輸出信號去控制運(yùn)行指示信號燈，當(dāng)然就錯(cuò)了[4]。因此，水泥固化系統(tǒng)中采用直接來自電氣控制柜的接觸器、開關(guān)輔助觸點(diǎn)，只有那些與系統(tǒng)中多個(gè)設(shè)備有關(guān)的顯示信號才以PLC輸出來帶動(dòng)。

2.4.4 按鈕信號的輸入

輸入信號包括常閉觸點(diǎn)輸入和常開觸點(diǎn)輸入，圖5是輥道的輸入回路電路圖，SB2、SB3分別是正轉(zhuǎn)按鈕和反轉(zhuǎn)按鈕。SB2和SB3是將按鈕的常開觸點(diǎn)接到PLC的輸入模塊，那么梯形圖中的觸點(diǎn)類型與繼電器電路的觸點(diǎn)類型完全一致；對按鈕SB1來說，接入PLC控制系統(tǒng)的是按鈕的常閉觸點(diǎn)，那么梯形圖中的觸點(diǎn)類型與繼電器電路的觸點(diǎn)類型相反[5]。

2.4.5 控制回路的互鎖設(shè)計(jì)

在輥道的控制中，包括電機(jī)的正轉(zhuǎn)控制和反轉(zhuǎn)控制，如果兩個(gè)命令同時(shí)動(dòng)作，會(huì)損壞執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有可能還會(huì)造成嚴(yán)重的工業(yè)事故。即使使用PLC，在程序里做了互鎖，還是應(yīng)該用正反向接觸器輔助觸頭做硬線互鎖，因?yàn)橛袝r(shí)因?yàn)楦鞣N原因，PLC的動(dòng)作也會(huì)出錯(cuò)[6]。當(dāng)電機(jī)工作在正轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，正轉(zhuǎn)接觸器通過常閉輔助接點(diǎn)斷開反轉(zhuǎn)接觸器線圈的回路，使反轉(zhuǎn)接觸器不會(huì)因操作不當(dāng)而閉合，反之亦然?；ユi控制電路能夠有效地防止電機(jī)同時(shí)工作在兩種工作狀態(tài)而引起的線路短路。如圖6所示。

2.5 PLC抗干擾措施

2.5.1 電源的抗干擾設(shè)計(jì)

在水泥固化線控制系統(tǒng)中，影響電源品質(zhì)的主要是外部供電電源和直接與電氣系統(tǒng)連接的儀控系統(tǒng)供電引起的干擾等。它們引起的諧波干擾，直接影響PLC系統(tǒng)的正常工作，比如控制的精度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起指令的誤動(dòng)作、錯(cuò)誤的執(zhí)行指令。為防止水泥固化線控制系統(tǒng)的干擾，PLC的CPU模塊、I/O模塊、接口模塊、定位模塊及儀控系統(tǒng)的供電等都采用了隔離變壓器進(jìn)行隔離。當(dāng)PLC系統(tǒng)中的某個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí)，其他模塊還會(huì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高了系統(tǒng)的可靠性。如圖7所示。該系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了UPS不間斷電源，當(dāng)供電質(zhì)量不穩(wěn)定時(shí)，CPU可以通過UPS供電，保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。鑒于水泥固化線PLC控制系統(tǒng)干擾源的復(fù)雜性，除了采取了硬件措施，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)也采取了相應(yīng)的措施，比如：濾波、設(shè)計(jì)定時(shí)器等。

2.5.2 電纜的選擇和敷設(shè)

水泥固化線室內(nèi)動(dòng)力電纜采用WDZA-YJY-0.6/1kV電纜，控制電纜采用WDZA-KYJVP-系列屏蔽電纜，配電線路敷設(shè)為穿鋼管敷設(shè)和橋架敷設(shè)。

在電纜敷設(shè)時(shí)采取的措施[7]如下。

（1）電纜在橋架中的敷設(shè)為動(dòng)力電纜和控制電纜分兩側(cè)布置，將對控制信號的影響降低到最小。

（2）根據(jù)傳輸信號類型選擇不同的電纜。

（3）動(dòng)力電纜和控制電纜的敷設(shè)都是通過穿熱鍍鋅焊接鋼管的方式。

（4）利用光纖電纜進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號的傳輸，例如PLC控制系統(tǒng)和主控室DCS的通訊就選擇了光纖傳輸。

2.5.3 接地

接地可以保證設(shè)備的正常運(yùn)行以及人身的安全。水泥固化線PLC控制系統(tǒng)的地包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護(hù)地等。接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理或接地錯(cuò)誤，容易造成接地點(diǎn)電位的不均勻分布，產(chǎn)生電位差，進(jìn)而引起地環(huán)路電流，從而產(chǎn)生干擾信號，影響系統(tǒng)的正常工作[8]。

接地設(shè)計(jì)原則[9]：接地面是系統(tǒng)中所有電信號的公共點(diǎn)位參考點(diǎn)；流經(jīng)地線的設(shè)備的電流互不形成電流環(huán)路，避免地點(diǎn)位差的影響；流經(jīng)接地體的電流無電位差。為了更好地抑制干擾，PLC控制系統(tǒng)的接地和其他設(shè)備的接地應(yīng)獨(dú)立。如圖8所示。

3 結(jié)語

水泥固化線輥道控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提高了輥道控制精度，增強(qiáng)了抗干擾能力、可靠性，節(jié)約了軟硬件成本，保證了固化桶的安全、可靠、準(zhǔn)確運(yùn)輸。

參考文獻(xiàn)

[1] 王瑩.淺析PLC應(yīng)用前景[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（25）：118.

[2] 丁健.淺談PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法[J].電工技術(shù)：理論與實(shí)踐，2015（12）：117.

[3] 蔣文偉，程凱，楊浩.基于變頻技術(shù)的電梯PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2015（30）：15-16.

[4] 楊濤.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法解析[J].企業(yè)文化旬刊， 2015（11）：11.

[5] 張慶明.自動(dòng)剪切生產(chǎn)線的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國科技縱橫，2015（16）：68.

[6] 閔海斌，李凌峰，田艷秀.高速線材分鋼輥道控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2015（5）：61-63.

[7] 馮娟.PLC控制技術(shù)的優(yōu)勢及抗干擾措施研究[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2015，42（7）：39-40.

[8] 梁安全.PLC可靠性與抗干擾性提高方法[J].科技展望， 2015（3）：148.

[9] 許曉暉.PLC控制技術(shù)的優(yōu)勢及抗干擾措施研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014（15）：247.