基于PLC和HMI控制的旋擺沖擊磨操作系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

，，，，

(貴州省地勘裝備服務(wù)中心，貴州 貴陽(yáng) 550000)

1 問(wèn)題提出

1.1 旋擺沖擊磨作業(yè)操作步驟

圖1 旋擺沖擊磨示意圖

旋擺沖擊磨設(shè)備是一種廣泛用于巖石礦物樣制備工藝流程中的細(xì)碎加工設(shè)備[1]。如圖1是旋擺沖擊磨示意圖，它的作業(yè)操作控制步驟通常有：步驟一，將裝好被加工礦物樣和10沖擊環(huán)、塊的6料缽罐上5料缽蓋，安放在旋擺沖擊粉碎設(shè)備的9擺動(dòng)盤上；步驟二，對(duì)5料缽蓋實(shí)施壓緊；步驟三，將上機(jī)箱旋轉(zhuǎn)蓋放下并扣上蓋扣，將上機(jī)箱蓋扣??；步驟四，設(shè)定對(duì)礦物樣粉碎的加工時(shí)間；步驟五，起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。9擺動(dòng)盤上隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)偏心塊7，實(shí)現(xiàn)10沖擊環(huán)和塊在旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)對(duì)料缽內(nèi)的礦物樣進(jìn)行沖擊粉碎；步驟六，待所設(shè)定的加工時(shí)間到達(dá)設(shè)定值后，對(duì)電機(jī)實(shí)施斷電；步驟七，觀測(cè)(聽)電機(jī)斷電后的慣性旋轉(zhuǎn)是否完全停止；步驟八，在電機(jī)完全停止后打開上箱蓋；步驟九松開對(duì)料缽蓋的壓緊機(jī)構(gòu)。然后，從旋擺沖擊粉碎設(shè)備的擺動(dòng)盤上取礦物出料缽，并將料缽內(nèi)已加工完成的巖石樣移至下一道礦樣工藝流程。

1.2 操作過(guò)程分析

在作業(yè)操作控制過(guò)程中，對(duì)缽體蓋實(shí)施壓緊的方式通常有手動(dòng)螺栓壓緊和獨(dú)立的氣動(dòng)開關(guān)進(jìn)行壓緊。

在設(shè)定對(duì)礦物樣粉碎的加工時(shí)間上，通常采用時(shí)間繼電器或定時(shí)器開關(guān)進(jìn)行控制。在電機(jī)執(zhí)行完成設(shè)定的加工時(shí)間后，對(duì)電機(jī)實(shí)施斷電。這一操作控制往往是人為觀測(cè)電機(jī)慣性旋轉(zhuǎn)是否完全停止，并松開對(duì)料缽蓋的壓緊機(jī)構(gòu)。

采用螺紋壓緊機(jī)構(gòu)中實(shí)施手動(dòng)壓緊和松開壓緊螺栓費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低；用獨(dú)立的氣動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)，通過(guò)切換換向閥開關(guān)實(shí)施換向?qū)飧?或氣囊)減壓以實(shí)現(xiàn)松開氣動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)。這一操作控制過(guò)程往往出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)慣性旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)尚未完全停止，壓緊機(jī)構(gòu)就被松開，致使料缽在慣性作用下飛出的事故發(fā)生。

可見，傳統(tǒng)的旋擺沖擊磨操作控制往往是獨(dú)立的單項(xiàng)操作控制，操作控制過(guò)程繁瑣，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率不高，特別是在開啟機(jī)體上箱蓋過(guò)程中還存在一定事故風(fēng)險(xiǎn)。

由于對(duì)不同礦物樣其粉碎粒度的要求不同和被粉碎樣裝樣量的不同，在對(duì)礦物樣加工時(shí)間設(shè)定操作控制上也有所不同。需要針對(duì)不同礦物樣種類和裝樣量分別實(shí)時(shí)設(shè)置不同的加工時(shí)間調(diào)整。

如果采用單一的PLC控制器進(jìn)行加工時(shí)間調(diào)整控制往往兩種方式：一種是用七段碼顯示器來(lái)顯示數(shù)字，用撥碼開關(guān)來(lái)輸入?yún)?shù)，這種方式增加了I/O接口數(shù)[2]，這將增大了硬件成本。

另一種方式是在程序中改變定時(shí)器時(shí)間的設(shè)定值，通常使用便攜式編程器改變?cè)O(shè)定值，只能用指令編程和采用計(jì)算機(jī)安裝的編程軟件進(jìn)行修改[3]，不利于現(xiàn)場(chǎng)操作人員操作控制。

2 操作控制設(shè)計(jì)

針對(duì)上述旋擺沖擊磨操作控制中存在的操作控制繁瑣，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率不高和實(shí)時(shí)調(diào)整礦物樣加工時(shí)間存在的問(wèn)題，現(xiàn)提出了一種基于PLC和HMI控制的自動(dòng)化順序操作控制系統(tǒng)對(duì)旋擺沖擊磨進(jìn)行操作控制。

2.1 操作控制要求

按照操作步驟將裝好巖石礦物樣的料缽安放在擺動(dòng)盤上后：1)對(duì)上機(jī)箱蓋實(shí)時(shí)鎖緊控制；2)通過(guò)氣動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)料缽蓋實(shí)施壓緊控制；3)對(duì)電機(jī)設(shè)置被加工礦物樣的運(yùn)行時(shí)間的人機(jī)交互設(shè)置操作；4)對(duì)換向閥換向設(shè)定時(shí)間延時(shí)啟動(dòng)時(shí)間人機(jī)交互設(shè)置操作，該時(shí)間為電機(jī)慣性運(yùn)動(dòng)完全停止所需時(shí)間；5)執(zhí)行換向閥換向；6)開啟上機(jī)箱鎖緊機(jī)構(gòu)。所有這些是基于PLC和HMI控制狀態(tài)下進(jìn)行。

2.2 氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的一項(xiàng)重要技術(shù)，更加便捷地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制[4]。圖2是氣動(dòng)控制系統(tǒng)。它是由供氣部分：1空氣壓縮機(jī)、2儲(chǔ)氣罐、3安全閥、4過(guò)濾器、5減壓閥、6油霧器組成的供氣系統(tǒng)；由7電磁閥和9、10兩個(gè)壓力開關(guān)組成的控制系統(tǒng)；由一組(兩件)11、12旋轉(zhuǎn)氣缸組成對(duì)料缽蓋實(shí)施壓緊、松開的執(zhí)行元件組成。

圖2 氣動(dòng)控制系統(tǒng)

通過(guò)PLC控制系統(tǒng)控制，當(dāng)換向閥7上的線圈Y0得電，電磁閥右移，氣缸下移，氣缸塞柱上的壓塊向內(nèi)旋轉(zhuǎn)并對(duì)料缽蓋實(shí)施壓緊。當(dāng)氣缸內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，壓力開關(guān)9斷電至電磁閥線圈Y0失電，換向閥移至中位，氣缸處于保持狀態(tài)。待料缽內(nèi)被加工物料按操作控制設(shè)定時(shí)間執(zhí)行完成加工后，在電機(jī)完全停止時(shí)，通過(guò)PLC控制系統(tǒng)至電磁閥線圈Y1得電，換向閥移動(dòng)至左位，供氣系統(tǒng)開始向氣缸供氣，氣缸活塞上移同時(shí)氣缸塞柱上的壓塊外擺，対料缽蓋實(shí)施松開。當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值后壓力開關(guān)10斷電，Y失電移至中位，并保持活塞上移，氣缸塞柱上壓塊外擺狀態(tài)。

2.3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方案對(duì)PLC的選型選用三菱FX3U-16MR。其PLC采用GX developer[5]按照2.1控制要求進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。

2.3.1 PLC輸入/輸出元件及控制功能

表1所示，是根據(jù)旋擺沖擊磨操作控制要求所確定的I/O分配狀況。三菱FX3U-16MR PLC供8個(gè)輸入點(diǎn)和8個(gè)輸出點(diǎn)，本設(shè)計(jì)輸入點(diǎn)為X0-X5使用了6個(gè)，輸出點(diǎn)Y1-Y4使用了4個(gè)。

對(duì)PLC的選擇符合略有富余的要求。各輸入輸出元件符號(hào)、控制功能詳見表1。

表1 輸入/輸出元件及控制功能

2.3.2 旋擺沖擊磨PLC接線圖

圖3為PLC設(shè)計(jì)的接線圖。

圖3 PLC接線圖

2.3.3 旋擺沖擊磨PLC梯形圖

根據(jù)前述2.1操作控制要求，采用三菱GX Developer編程軟件編寫梯形圖。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)被加工礦物樣的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行調(diào)整及在電機(jī)慣性運(yùn)動(dòng)完全停止后所需的延時(shí)啟動(dòng)換向閥的時(shí)間，設(shè)計(jì)增添了人工界面HMI操作控制系統(tǒng)。如圖4為PLC的梯形圖，在梯形圖中，定時(shí)器線圈T0和定時(shí)器線圈T1分別執(zhí)行HMI地址相對(duì)應(yīng)的寄存器D0、D1設(shè)定的時(shí)間值。

圖4 PLC梯形圖

2.3.4 人機(jī)界面組態(tài)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)不同礦物樣種類其粉碎粒度的要求不同和被粉碎樣因裝樣量的不同，需要對(duì)礦物樣加工的時(shí)間進(jìn)行不同的設(shè)定。同樣在加工完成被粉碎樣后對(duì)電機(jī)實(shí)施斷電，為確保電機(jī)慣性運(yùn)動(dòng)完全停止，閥換向才能松開的安全要求，必須設(shè)置延時(shí)啟動(dòng)換向閥換向松開対料缽蓋壓緊時(shí)間值。在設(shè)計(jì)上選用威綸通HMI人機(jī)界面。通過(guò)使用EasyBuildPro軟件進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)[6]。利用顯示屏顯示，通過(guò)觸摸屏鍵盤，寫入礦物樣加工時(shí)間和延時(shí)啟動(dòng)換向閥換向時(shí)間。

圖5是組態(tài)設(shè)計(jì)完成的進(jìn)入碎樣時(shí)間設(shè)置界面。點(diǎn)擊用戶登錄輸入密碼、點(diǎn)擊數(shù)字框即可進(jìn)入圖6所示的鍵盤輸入時(shí)間界面。點(diǎn)擊鍵盤輸入對(duì)不同粉碎粒度要求和被粉碎樣裝樣量的不同而需要的時(shí)間設(shè)置。

通過(guò)PLC與HMI的通信連接，在組態(tài)界面碎樣時(shí)間設(shè)置數(shù)字框內(nèi)輸入數(shù)值，就是PLC定時(shí)器T0所執(zhí)行的寄存器D0值。從而實(shí)現(xiàn)了互交操作設(shè)置，通過(guò)PLC執(zhí)行控制對(duì)碎樣所需的時(shí)間調(diào)整設(shè)置。

同樣的方法，設(shè)計(jì)了確保電機(jī)慣性運(yùn)動(dòng)完全停止，換向閥換向松開対料缽蓋的時(shí)間值設(shè)定界面并通過(guò)PLC執(zhí)行控制。

此外，還設(shè)計(jì)了相關(guān)的按鈕、指示燈等控制操作界面，使操作更為直觀和便于監(jiān)控。

3 改進(jìn)后操作控制執(zhí)行結(jié)果

改進(jìn)后的操作控制執(zhí)行結(jié)果如下：

控制行1：當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕SB1，軟元件X1得電，繼電器觸點(diǎn)M0得電，繼電器線圈M0實(shí)現(xiàn)自保持。在線路上串接有急停開關(guān)常閉觸點(diǎn)X0、開啟料缽壓力線路上的壓力開關(guān)常閉觸點(diǎn)X3，并接的定時(shí)器線圈T3通電計(jì)時(shí)。

控制行2：繼電器觸點(diǎn)M0得電，當(dāng)定時(shí)器線圈T3完成計(jì)時(shí)值后斷電，常開觸點(diǎn)T3接通，驅(qū)動(dòng)電磁鎖線圈Y1通電，致電磁鎖鎖舌外伸，將上機(jī)箱蓋鎖住，實(shí)現(xiàn)加工作業(yè)的安全保證。

控制行3：電磁鎖線圈Y1通電后，常開觸點(diǎn)Y1觸點(diǎn)接通，通過(guò)定時(shí)觸點(diǎn)T2得電實(shí)現(xiàn)自保持，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)定時(shí)器線圈T2。

控制行4：在定時(shí)器線圈T2執(zhí)行完成時(shí)間設(shè)定值后斷電，常開觸點(diǎn)T2接通，驅(qū)動(dòng)換向閥壓緊線圈Y2，實(shí)現(xiàn)電磁閥右移，氣缸下移，氣缸上的壓塊向內(nèi)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)料缽蓋的壓緊。當(dāng)輸入壓力達(dá)到預(yù)先設(shè)定壓力值時(shí)，控制行上的常閉壓力開關(guān)X2自動(dòng)斷電，至Y2失電，換向閥移至中位封閉狀態(tài)保持壓力；

控制行5：控制行4上常閉觸點(diǎn)X2斷電后，與之互鎖的常開觸點(diǎn)X2得電，經(jīng)觸點(diǎn)M2實(shí)現(xiàn)繼電器線圈M2自保持通電。

控制行6：繼電器線圈M2得電，常開觸點(diǎn)M2得電，用過(guò)觸點(diǎn)Y4自保持驅(qū)動(dòng)線圈Y4，實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸入繼電器線圈通電，電機(jī)始運(yùn)轉(zhuǎn)。在此行線路上串接有定時(shí)器常閉觸點(diǎn)T0，并接有定時(shí)器線圈T0。當(dāng)定時(shí)器線圈T0執(zhí)行完成HMI寄存器D0設(shè)定的時(shí)間后斷電，常閉觸點(diǎn)T0斷開，電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)斷電。串接在該行常閉觸點(diǎn)X4為電機(jī)控制線路熱繼電器保護(hù)開關(guān)。

控制行7：上行定時(shí)器線圈T0斷電后，常開觸點(diǎn)T0得電，通過(guò)串接的壓力開關(guān)常閉觸點(diǎn)X3，驅(qū)動(dòng)定時(shí)器線圈T1。在驅(qū)動(dòng)定時(shí)器線圈T1執(zhí)行完成HMI寄存器D1設(shè)定的時(shí)間值后斷電。

控制行8：驅(qū)動(dòng)定時(shí)器線圈T1斷電，常開觸點(diǎn)T1接通，驅(qū)動(dòng)線圈Y3，實(shí)現(xiàn)換向閥移動(dòng)至左位，供氣系統(tǒng)開始向氣缸供氣，氣缸活塞上移同時(shí)氣缸頭上的壓塊外擺，対料缽蓋實(shí)施放開。當(dāng)氣缸內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，松開壓力開關(guān)常閉觸點(diǎn)X3斷開，線圈Y3失電，換向閥移動(dòng)至中位，氣缸活塞上移保持缸頭上的壓塊外擺和持續(xù)対料缽蓋實(shí)施放開狀態(tài)。同時(shí)，控制行1松開壓力開關(guān)常閉觸點(diǎn)X3斷電，致使控制行2常通M0觸點(diǎn)斷電，電磁鎖線圈Y1失電，鎖舌回收。電磁鎖打開，即可自行揭開上箱旋轉(zhuǎn)蓋，取出料缽進(jìn)入下道工序。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)基于PLC和HMI控制的旋擺沖擊磨操作控制系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)旋擺沖擊磨一鍵操作控制作業(yè)全過(guò)程的目的。與原有的手動(dòng)操作控制或繼電器控制操作相比簡(jiǎn)化了操作，節(jié)省了在制備樣作業(yè)過(guò)程中的操作控制時(shí)間，提高了工作效率。特別是通過(guò)HMI人工界面對(duì)寄存器D0、D1的組態(tài)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖石礦物樣加工時(shí)間的實(shí)時(shí)調(diào)整和消除電機(jī)斷電后慣性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的安全隱患。為巖石礦物樣制備設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作控制提供了一種可借鑒的解決方案。

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部.DZ/T 0130.1-2006地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試質(zhì)量管理規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[2] 廖常初.西門子人機(jī)界面(觸摸屏)組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3] 黃宋魏.鄒金慧.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[4] 劉繼東，郭寶利，郭紅霞，等.門架式機(jī)械手在低壓電流互感器自動(dòng)檢定系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀表，2012(4)：108-109.

[5] 李金城.三菱FX2N PLC功能指令應(yīng)用詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[6] 威綸通公司.EasyBuild Pro使用手冊(cè).