基于PLC 的智能送料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

宋 慧

（臨汾職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 臨汾 041000）

在煤炭、冶金、電力等行業(yè)，對(duì)裝料系統(tǒng)的使用比較廣泛。目前，仍主要采用傳統(tǒng)的控制方式來(lái)調(diào)速[1]。這種比較老舊的控制方式雖然成本相對(duì)較低，但是各種問(wèn)題比較多，最主要的是在我國(guó)人口紅利消減的大趨勢(shì)下，這種方式有悖于“中國(guó)制造2025”的精神，該類型的設(shè)備已不能適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展要求?；诖?，筆者使用加裝可編程控制器或嵌入式控制器來(lái)控制設(shè)備的行走單元；在電力拖動(dòng)系統(tǒng)部分，使用變頻傳動(dòng)裝置以及矢量控制技術(shù)，優(yōu)化了調(diào)速系統(tǒng)性能，并加以編碼器的輔助控制。

1 總體方案

1.1 任務(wù)描述

筆者對(duì)送料系統(tǒng)進(jìn)行智能設(shè)計(jì)，之前裝料車從出發(fā)到完成作業(yè)，一次裝料時(shí)間平均為15 分鐘。通過(guò)對(duì)裝料車控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)，將一次裝料時(shí)間控制在12 分鐘以內(nèi)。

改造重點(diǎn)是裝料車的自動(dòng)運(yùn)行控制，需要改造的設(shè)備布置圖如圖1 所示。從布置圖可以看出，裝料車開始出發(fā)，低速起步、高速行走，快到達(dá)一號(hào)位置時(shí)減速，低速停靠，準(zhǔn)確到達(dá)位置后停車，裝料成功后低速行走到下一個(gè)停車位，以此類推。

圖1 送料系統(tǒng)平面布置示意圖

由于整套的系統(tǒng)要求全自動(dòng)化運(yùn)行，因此就需要加裝PLC，用對(duì)位置的反饋選擇比較精確的光電編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)；對(duì)于各種必要的位置信息，采用光電接近開關(guān)來(lái)測(cè)量；對(duì)于裝料車內(nèi)物料的檢測(cè)，采用兩個(gè)機(jī)械式物料傳感器來(lái)測(cè)量，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用矢量變頻器，裝料車與中控室的通信采用無(wú)線傳輸，中控室的上位機(jī)控制軟件采用組態(tài)王軟件。裝料車可以根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)停靠到指定位置，?？课恢脺?zhǔn)確[2]。

1.2 工藝流程圖

整個(gè)裝料車運(yùn)行控制的流程圖如圖2所示。從流程圖中可以看出從輸入開始到輸出結(jié)束裝料車運(yùn)行的一系列動(dòng)作，流程圖形象地描述了整個(gè)工作過(guò)程。

圖2 裝料車運(yùn)行流程圖

2 硬件選型

2.1 PLC選型

裝料車在改造后的需求：數(shù)字輸入量為42 個(gè)，備用數(shù)字輸入量為6 個(gè)，模擬輸入量為6 個(gè)，數(shù)字輸出量為14 個(gè)，備用輸出量為2 個(gè)。具體的I/O 地址分配表如表1、表2 所示。

表1 系統(tǒng)I/O 地址輸入分配表

表2 系統(tǒng)I/O 地址輸出分配表

根據(jù)需求，對(duì)于PLC，筆者選用了西門子公司的s7 系列。就這次改造而言，考慮到后續(xù)還有擴(kuò)展的需求，所以選擇了s7-300，為后續(xù)改造提供可擴(kuò)展空間。

根據(jù)CPU 技術(shù)參數(shù)手冊(cè)可知，CPU315 可帶3 個(gè)機(jī)架32個(gè)模塊，開關(guān)量I/O為1024/1024點(diǎn)，模擬量I/O為256/256 點(diǎn)，點(diǎn)數(shù)滿足系統(tǒng)要求。

核算24 V 電源總電流，CPU 為0.9 A，變送器為1.58 A，模擬量輸出模塊為0.96 A，數(shù)字量輸入模為0.09 A，數(shù)字量輸入回路為0.336 A，數(shù)字量輸出模塊為0.34 A，中間繼電器為1.28 A，合計(jì)為5.486 A。在使用時(shí)所有回路不可能都滿載，所以乘以滿載系數(shù)0.8，得到的電流為4.388 8 A，所以選擇6ES7 307-1EA01-0AA0 電源模塊（5 A）。

所選用的模塊完全能滿足系統(tǒng)要求，在滿足要求的基礎(chǔ)上對(duì)所有點(diǎn)數(shù)留有10%的備用點(diǎn)數(shù)，為日后的設(shè)備維修和改造提供便利，為日后的無(wú)需人員值守創(chuàng)造硬件條件[3]。

2.2 電動(dòng)機(jī)選型

電動(dòng)機(jī)是本次改造項(xiàng)目中的動(dòng)力部分，裝料車的運(yùn)行完全依靠電機(jī)帶動(dòng)，在選擇電機(jī)上要求電機(jī)功率與實(shí)際需要相匹配[4]。

每套電機(jī)功率為：

其中，靜阻力系數(shù)為：

運(yùn)行機(jī)構(gòu)靜阻力為：

式中，Gn為額定起重量；Gz為自重量。

根據(jù)式（2）、（3）可以得出：

啟動(dòng)平均加速度為：

式中，K 為考慮旋轉(zhuǎn)件的慣性阻力。

可以得出：

式中，C 為風(fēng)力系數(shù)；F 為風(fēng)壓高度系數(shù)；A 為迎風(fēng)面積。

可以得出：

將數(shù)值Gn＝23.2 t，Gz＝311.5 t，g＝9.8 m/s2，ω＝0.006 8，ηg＝0.8，Vk＝75 m/min，a＝0.276 m/s2，K＝1.2，C＝1.2，q＝90 N/m2，F(xiàn)＝1，A＝132 m2，Kh＝1，Kt＝1.12，λcp＝3，Z＝4 代入上述公式，可以計(jì)算出P1＝21.497 74 kW。

根據(jù)計(jì)算，對(duì)于電動(dòng)機(jī)，選擇Y Z P 2 0 0 L 1-6/22 kW 電磁制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)。該型號(hào)電動(dòng)機(jī)技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定，符合改造需求。

2.3 減速器選型

在對(duì)減速器進(jìn)行選型時(shí)，最主要的就是確定傳動(dòng)比。本設(shè)計(jì)選用的電機(jī)是YZP200L1-6/22kW 電動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)矩為211 N·m，轉(zhuǎn)速為n＝980 r/min。

裝料車轉(zhuǎn)速公式為：

式中，D 為車輪踏面直徑，其中Vk＝75 m/min，D＝710 mm，得出n'＝33.641 34 r/min

傳動(dòng)比為：

根據(jù)上述公式可得出傳動(dòng)比I＝29.130 83。根據(jù)減速機(jī)使用手冊(cè)，選擇傳動(dòng)比最接近的I1＝31.5，減速機(jī)選型為DCY224-31.5-Ι，將I1帶入式（10），得出裝料車實(shí)際速度為69.39 m/min，減速器實(shí)際輸出扭矩9 135 N·m[5]。

2.4 變頻器選型

變頻器主要是帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，在選擇具體型號(hào)時(shí)要視所帶電動(dòng)機(jī)的具體型號(hào)而定[6]。本設(shè)計(jì)選用額定電壓380 V、額定功率22 kW 的三相異步電動(dòng)機(jī)四臺(tái)，根據(jù)電機(jī)確定了變頻器的型號(hào)，型號(hào)為CM53XH-B4T110G，該型號(hào)輸入電壓為380 V、輸入電流為214 A、輸出電流為210 A、適配電機(jī)為110 kW，與本設(shè)計(jì)所用的電機(jī)相匹配。

3 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)通信。改造過(guò)程中，使用無(wú)線通信替代原來(lái)的有線通信，推薦使用DTD434M，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。本設(shè)計(jì)采用的無(wú)線通信模塊是中心頻率為433 MHz 開發(fā)的ISM 拼段，內(nèi)部的無(wú)線傳輸系統(tǒng)由全數(shù)字RF 通信芯片以及單片機(jī)組成，外部接口是采用標(biāo)準(zhǔn)的RS485 總線方式[7]。但是考慮到裝料車運(yùn)行的環(huán)境比較惡劣，進(jìn)入建筑下方后信號(hào)可能會(huì)被屏蔽，使通信不暢，而且WIFI 傳輸距離比較近，PLC 和上位機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)量不大，所以采用了串行通信，而取消了WIFI 連接的方案，解決了上位機(jī)和PLC 之間的通信問(wèn)題。

圖3 無(wú)線系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)方案的實(shí)現(xiàn)

4.1 電氣原理圖

變頻器控制端子接線圖如圖4 所示，數(shù)字量輸入端子DI1 為正轉(zhuǎn)運(yùn)行、DI2 為反向運(yùn)行、DI3 為停止、DI4 為故障復(fù)位。模擬量輸入端子AI1 為電機(jī)電流給定。TA、TC 接中間繼電器KA3.1，變頻器運(yùn)行時(shí)，中間繼電器KA3.1 線圈得電，KA3.1 常開觸點(diǎn)閉合，KM3.1 線圈得電，KM3.1 動(dòng)作，控制柜內(nèi)的風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。RA、RC 接中間繼電器KA3.2，變頻器故障時(shí)，中間繼電器KA3.2 線圈得電，KA3.2 常閉觸點(diǎn)斷開。

圖4 變頻器控制端子接線圖

安全回路接線圖如圖5 所示，裝料車門閉合，門保護(hù)行程開關(guān)的常開觸點(diǎn)吸合，主回路接觸器KM1常開觸點(diǎn)吸合，當(dāng)斷軸保護(hù)、錯(cuò)相保護(hù)等檢測(cè)正常時(shí)，軟件安全回路KB09 線圈得電，其常開觸點(diǎn)吸合，則KA11.0 線圈得電，其常開觸點(diǎn)吸合，與主令零位開關(guān)形成自鎖。當(dāng)操作臺(tái)急停按鈕SB3.1、正向超限位開關(guān)、反向超限位開關(guān)、變頻器故障等任一安全回路開關(guān)斷開，則KA11.0 線圈失電，安全回路斷開。如果僅是軟件安全回路故障，需啟動(dòng)回路時(shí)，可按下SA11.2，使KA13.1 線圈得電，其常開觸點(diǎn)閉合，跳過(guò)軟件安全回路，但此狀態(tài)僅限于維修狀態(tài)。

圖5 安全回路接線圖

4.2 PLC程序梯形圖

PLC 的機(jī)器語(yǔ)言常用梯形圖，梯形圖具有編程簡(jiǎn)便、直觀性較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，具有很好的可讀性。下列是裝料車系統(tǒng)的部分PLC 程序梯形圖。電機(jī)電壓、電流數(shù)據(jù)采集梯形圖分別如圖6、圖7 所示。PLC 對(duì)電機(jī)電壓數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將采集回來(lái)的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)輸出給上位機(jī)、觸摸屏。

圖6 電機(jī)電壓數(shù)據(jù)采集梯形圖

圖7 電機(jī)電流數(shù)據(jù)采集梯形圖

軟件安全回路梯形圖如圖8 所示，軟件安全回路主要包括主令零位、重故障、輕故障等，設(shè)備啟動(dòng)前，必須確保主令控制器在零位狀態(tài)。軟硬雙保護(hù)安全回路梯形圖如圖9 所示，設(shè)計(jì)雙保護(hù)安全回路，進(jìn)一步確保設(shè)備運(yùn)行的安全性。

圖8 軟件安全回路梯形圖

圖9 軟硬雙保護(hù)安全回路梯形圖

5 系統(tǒng)方案調(diào)試

5.1 手動(dòng)部分調(diào)試

將控制柜內(nèi)的所有斷路器打到閉合位置，開始手動(dòng)試車。將控制方式的轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到手動(dòng)位置，觀察指示燈是否為手動(dòng)，觀察手動(dòng)自動(dòng)控制狀態(tài)是否正確。

將PLC 連接到電腦，關(guān)閉主回路電源，合上控制電源，模擬觀察控制過(guò)程是否正確，各個(gè)點(diǎn)的反饋是否正確。

觀察PLC 上的高速計(jì)數(shù)器是否開始計(jì)數(shù)，按下裝料車原點(diǎn)按鈕，觀察編碼器是否復(fù)位成零，如果不正確，請(qǐng)檢查硬件接線和程序是否正確[8-9]。按下正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)按鈕，觀察所對(duì)應(yīng)的接觸器是否閉合正確。在線監(jiān)測(cè)PLC，測(cè)試各個(gè)控制按鈕和相對(duì)應(yīng)的接觸器。手動(dòng)調(diào)試后，所有設(shè)備能按要求進(jìn)行動(dòng)作，各項(xiàng)指示無(wú)異常。

5.2 自動(dòng)部分調(diào)試

手動(dòng)測(cè)試成功后開始測(cè)試控制系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行，這里面的難點(diǎn)在于裝料車料餅裝完后的位置記憶，裝料車運(yùn)行時(shí)編碼器的測(cè)試數(shù)據(jù)和實(shí)際運(yùn)行距離的差距。因?yàn)檠b料車在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)的情況，所以要求在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)裝料車的運(yùn)行頻率不斷調(diào)整，直到誤差最小為止。

自動(dòng)調(diào)試完成了對(duì)編碼器的測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)行距離之間的誤差最小化，最大程度地保證裝料車可以精準(zhǔn)停車。

5.3 上位機(jī)調(diào)試

上位機(jī)調(diào)試主要是保證PLC 和上位機(jī)能正常通信?？梢韵仁褂肕ODSCAN 軟件進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試成功后再連接PLC，這樣可以排除無(wú)線和設(shè)置的故障。先調(diào)試手動(dòng)操作，看畫面上的操作按鈕和實(shí)際的裝料車動(dòng)作情況是否一致，如果出現(xiàn)偏差，則進(jìn)行修改。因?yàn)榫偷厥謩?dòng)操作已經(jīng)設(shè)置完畢，所以只能更改觸摸屏畫面上的內(nèi)部變量，修改完成后開始自動(dòng)調(diào)試，確?，F(xiàn)場(chǎng)通信暢通，沒有數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題。

5.4 綜合試車

當(dāng)各項(xiàng)調(diào)試都正常后，就可以進(jìn)行綜合試車，這需要向甲方客戶申請(qǐng)，等甲方同意后可以進(jìn)行綜合試車。為了保證綜合試車一次成功，要求電氣人員和機(jī)械安裝人員緊密配合，確保機(jī)械和電氣部分沒有任何問(wèn)題后開始綜合試車[10]。

6 結(jié)語(yǔ)

1）采用變頻器實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速取代傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性，降低了噪聲，不僅改善了操作人員的工作環(huán)境，而且使得設(shè)備調(diào)速平順，設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，設(shè)備不會(huì)出現(xiàn)機(jī)械沖擊的現(xiàn)象；實(shí)現(xiàn)了在低頻低壓狀態(tài)下的軟啟動(dòng)及軟停止，啟動(dòng)及加速過(guò)程的沖擊電流變小，可以實(shí)現(xiàn)裝料車在重載的情況下從低速平滑地升至所設(shè)定的允許的最高速度。

2）裝料車可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確?？可狭衔恢茫苊饬嗽腥斯し磸?fù)?？康膯?wèn)題，節(jié)省人力成本、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、改善工人勞動(dòng)環(huán)境，從成本上節(jié)省了資金。

3）使用無(wú)線通信設(shè)備取代了原有控制電纜線，在維護(hù)保養(yǎng)方面降低了設(shè)備故障率，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，并且從成本上節(jié)省了大量資金[11]。