基于PLC的地浸機(jī)械式管道清洗裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

尹澤遠(yuǎn)，雷澤勇，雷潔珩，曹 嶼

(1.南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001; 2.南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

如今，在鈾礦開采行業(yè)中原地浸出采鈾是最主要的方式[1]，其地浸生產(chǎn)井在長年累月的開采中過濾器段容易被堵塞[2]，需要及時(shí)地清洗地浸生產(chǎn)井保證地浸生產(chǎn)效率，在現(xiàn)如今的清洗方式中有一種地浸機(jī)械式管道清洗裝置，需要一種卷揚(yáng)提升系統(tǒng)搭載地浸機(jī)械式管道清洗裝置對地浸生產(chǎn)井進(jìn)行清洗。傳統(tǒng)的卷揚(yáng)提升裝置主要采用繼電器控制，技術(shù)相對落后，無法保證卷揚(yáng)機(jī)的安全性和可靠性，且工人需要頻繁地操作卷揚(yáng)機(jī)，缺乏自動(dòng)檢測與智能控制功能，自動(dòng)化程度相對不高，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)越趨于信息化、數(shù)字化，對地浸工業(yè)生產(chǎn)要求也越來越高。筆者提出一種基于PLC的地浸機(jī)械式管道清洗裝置控制系統(tǒng)，采用變頻調(diào)速的控制方式，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排纜、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)測的功能，不僅提高了卷揚(yáng)機(jī)提升裝置自動(dòng)化程度，還提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、安全性，為鈾礦生產(chǎn)帶來長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)概述

智能卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)，減速機(jī)，自動(dòng)排線器，排線絲杠，卷盤滾筒，計(jì)數(shù)器，控制箱等?？刂葡浜凶冾l器、西門子PLC控制器、交流接觸器、繼電器、觸摸屏等控制元件。機(jī)械式管道清洗裝置含有密封外殼、減速電機(jī)、軸承、旋轉(zhuǎn)密封圈、延長軸、法蘭、毛刷等部件。智能卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)如圖1所示，機(jī)械式管道清洗裝置如圖2所示。

1.2 控制方案的構(gòu)想

驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過減速機(jī)減速帶動(dòng)卷盤滾筒盤卷鎧裝電纜將機(jī)械式管道清洗裝置進(jìn)行下放，卷盤滾筒通過鏈輪帶動(dòng)自動(dòng)排線器對鎧裝電纜自動(dòng)進(jìn)行有序排線，此時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)工作，當(dāng)下放到設(shè)定的清洗深度時(shí)，卷盤自動(dòng)停止，此時(shí)啟動(dòng)機(jī)械式管道清洗裝置，減速清洗電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)毛刷實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)清洗10 s，然后減速清洗電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)毛刷實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)清洗10 s，在清洗處進(jìn)行循環(huán)規(guī)律正反轉(zhuǎn)清洗，待達(dá)到總清洗時(shí)間時(shí)，機(jī)械式管道清洗裝置自動(dòng)停止，卷盤開始回收機(jī)械式管道清洗裝置，完成一次清洗。清晰效果對比見圖3所示。

圖1 智能卷盤系統(tǒng)1.卷筒 2.控制柜 3.減速器 4.自動(dòng)排線器 5.驅(qū)動(dòng)電機(jī)

圖2 機(jī)械式管道清洗裝置1.法蘭 2.密封外殼 3.減速電機(jī) 4.軸承 5.旋轉(zhuǎn)密封圈 6.延長軸 7.毛刷

圖3 機(jī)械式管道清洗裝置清洗前后對比

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 PLC選型

PLC作為一種具有微處理器的用于自動(dòng)化控制的數(shù)字運(yùn)算控制器，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場[3]。盡管現(xiàn)在市面上生產(chǎn)PLC的廠家很多，生產(chǎn)型號也不同，但是其工作原理和使用方式卻相差無幾。本文采用西門子S7-1200系列的PLC，其具有可靠性高、輸入/輸出功能模齊全塊、安裝方便的特點(diǎn)，符合我們的設(shè)計(jì)使用要求。通過分析整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作情況，其輸入點(diǎn)主要由卷盤的回收和下放啟動(dòng)開關(guān)、停止開關(guān)、計(jì)數(shù)器的輸出信號、機(jī)械式清洗管道的啟動(dòng)停止開關(guān)等組成，輸出點(diǎn)由卷盤的驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及機(jī)械式管道清洗裝置的減速電機(jī)等組成。地浸機(jī)械式管道清洗裝置控制系統(tǒng)系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 地浸機(jī)械式管道清洗裝置控制系統(tǒng)系統(tǒng)框圖

2.2 控制電路

控制柜的控制電路分主電路以及控制電路。主電路主要采用的是380 V的工業(yè)交流電，用以驅(qū)動(dòng)卷盤電機(jī)?？刂齐娐肥窃谥麟娐返幕A(chǔ)上接兩路形成220 V的交流電，在220 V交流電路上連接一個(gè)直流轉(zhuǎn)換電源將220 V的交流電轉(zhuǎn)換成24 V的直流電，此DC24V的直流電持續(xù)不斷地給西門子PLC、HMI觸摸面板以及機(jī)械式清洗裝置的清洗電機(jī)供電。其具體的控制柜主電路原理圖如圖5所示。

2.3 PLC的外圍接線

考慮到控制系統(tǒng)的控制情況，需要將輸入和輸出點(diǎn)和PLC的外部接線相連接，具體的外圍接線圖如圖6所示。

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)的軟件和程序設(shè)計(jì)采用西門子公司開發(fā)的TIA V14(博圖)軟件。該軟件采用統(tǒng)一工程組態(tài)和軟件項(xiàng)目環(huán)境，基本上可以用于所有的自動(dòng)化控制任務(wù)。能夠?qū)ξ鏖T子旗下的PLC產(chǎn)品進(jìn)行配置、 編程組態(tài)以及調(diào)試。 借助這款軟件可以使本方案的軟件設(shè)計(jì)更加方便[4]。

3.1 程序流程圖

根據(jù)控制要求，通過TIA軟件可以對地浸機(jī)械式管道清洗裝置控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

3.2 輸入輸出地址

該系統(tǒng)的輸入點(diǎn)和地址：I0.0-卷盤下放軟管啟動(dòng)按鈕SB1，I0.1-卷盤回收軟管啟動(dòng)按鈕SB2，I0.2-卷盤停止按鈕SB3，I0.3-機(jī)械式管道清洗啟動(dòng)按鈕SB4，I0.4-機(jī)械式管道清洗停止按鈕SB5，AW64-變頻器模擬信號輸入, AW66-計(jì)數(shù)器模擬信號輸入。Q0.0、Q0.1-卷盤電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制輸出，Q0.2、Q0.3-機(jī)械式管道清洗電機(jī)正反轉(zhuǎn)輸出，QW64-變頻器模擬信號輸出，QW66-計(jì)數(shù)器模擬信號輸出。如表1所示：I/O地址分配表如表1所示。卷盤電機(jī)控制輸出。

圖5 控制柜主電路原理圖

圖6 PLC的外部接線圖

表1 I/O地址分配表

3.3 程序設(shè)計(jì)

西門子PLC編程語言主要有梯形圖語言(LD)、結(jié)構(gòu)化語言(ST)、順序功能圖(SFC)、高級語言等[5]。本方案主要采用TIA V14軟件進(jìn)行梯形圖語言設(shè)計(jì)程序，其機(jī)械式管道清洗裝置程序設(shè)計(jì)如圖8所示，其卷盤控制程序設(shè)計(jì)如圖9所示。

當(dāng)開始進(jìn)行清洗工作時(shí)，按下SB1按鈕，卷盤的驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始進(jìn)行正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)著鎧裝電纜將機(jī)械式清洗裝置沿著井口進(jìn)行下放，此時(shí)計(jì)數(shù)器開始工作。采用4～20 mA電流信號輸出的變頻器，可以調(diào)節(jié)卷盤的驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)快慢，其速度調(diào)節(jié)范圍是5～7 r/min。當(dāng)機(jī)械式管道清洗裝置達(dá)到清洗位置時(shí)(程序里面設(shè)計(jì)為300 m)，卷盤電機(jī)自動(dòng)停止下來，按下SB4按鈕，啟動(dòng)機(jī)械式管道清洗裝置，機(jī)械式管道清洗裝置開始清洗，清洗電機(jī)正轉(zhuǎn)清洗10 s，然后反轉(zhuǎn)清洗10 s，如此循環(huán)一直達(dá)到總清洗時(shí)間(程序里面設(shè)計(jì)為600 s)。清洗完畢之后，啟動(dòng)SB2，卷盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始進(jìn)行反轉(zhuǎn)回收機(jī)械式管道清洗裝置，完成一次完整的清洗。

圖7 程序設(shè)計(jì)流程圖

圖8 機(jī)械式管道清洗裝置程序設(shè)計(jì)圖

3.4 組態(tài)控制面板設(shè)計(jì)

地浸機(jī)械式管道清洗裝置控制系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控面板采用西門K TP700 Basic PN型號，并利用TIA V14的WinCC軟件完成上位機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)[6]，時(shí)刻地監(jiān)測整套系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如圖10所示。

控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)顯示主要包括卷盤電機(jī)頻率，卷盤下放深度以及機(jī)械式管道清洗裝置清洗時(shí)間等信息的顯示，同時(shí)也包括開關(guān)量的輸入輸出信號當(dāng)前狀態(tài)以及控制參數(shù)當(dāng)前數(shù)值的顯示；控制操作部分主要實(shí)現(xiàn)對卷盤系統(tǒng)以及清洗系統(tǒng)的控制，通過按鈕可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械式管道清洗裝置的下放及回收，機(jī)械式管道清洗裝置的清洗等一系列的操作；控制參數(shù)則可以設(shè)置控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)相關(guān)參數(shù)的取值，如頻率設(shè)定可以調(diào)節(jié)卷盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。操作人員可以通過觸摸屏面板控制該系統(tǒng)的運(yùn)行，可以通過修改頻率設(shè)定相關(guān)參數(shù)調(diào)節(jié)卷盤電機(jī)運(yùn)行速度，還能夠查看系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀態(tài)。

圖9 卷盤控制程序設(shè)計(jì)圖

圖10 控制面板組態(tài)圖

4 結(jié) 語

設(shè)計(jì)了一套適用于地浸機(jī)械式管道清洗裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)，對地浸行業(yè)生產(chǎn)的過濾器堵塞處進(jìn)行清洗，清洗之后能夠有效地提高了過濾器段濾液滲透率，解決了過濾器段堵塞造成的濾液滲透率不高的問題，提高了地浸生產(chǎn)行業(yè)生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)具有技術(shù)成熟、價(jià)格低廉，功能齊全等特點(diǎn)，并且操作界面對人友好，簡單易懂，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。該設(shè)計(jì)適合我國地浸生產(chǎn)行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀，具有較高的推廣作用。