臂式堆取料機(jī)電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

任世超 邢高舉 潘恩思

摘 ?要：控制系統(tǒng)作為堆取料機(jī)的核心部分，主要負(fù)責(zé)控制堆取料機(jī)的運(yùn)動(dòng)和操作。該文以Z港口臂式堆取料機(jī)的控制系統(tǒng)改造為例，簡述PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，介紹Z港口現(xiàn)有堆取料機(jī)控制系統(tǒng)存在的不足，然后從配電系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信方面對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。改造后的電氣控制系統(tǒng)以PLC為核心，以現(xiàn)場總線作為連接外部設(shè)備和PLC主從站的通信工具。在改造部分主要對(duì)機(jī)構(gòu)配電方案、硬件選型、網(wǎng)絡(luò)通信方案進(jìn)行論述，控制系統(tǒng)改造后經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，驗(yàn)證控制系統(tǒng)的安全性和可靠性，有效提升堆取料機(jī)的作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：堆取料機(jī)；電氣控制系統(tǒng)；PLC；模塊；現(xiàn)場總線

中圖分類號(hào)：TH24 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2024）18-0128-04

Abstract： As the core part of the stacker and reclaimer， the control system is mainly responsible for controlling the movement and operation of the stacker. Taking the control system transformation of Z port arm stacker and reclaimer as an example， this paper briefly describes the advantages of PLC control system， introduces the shortcomings of the existing stacker and reclaimer control system in Z port， and then optimizes the control system from the aspects of power distribution system， PLC system and network communication. The modified electrical control system takes PLC as the core and the field bus as the communication tool to connect the external equipment and the PLC master-slave station. In the transformation part， the power distribution scheme， hardware selection and network communication scheme are mainly discussed. After the transformation of the control system， the safety and reliability of the control system are verified， and the operation efficiency of the stacker and reclaimer is effectively improved.

Keywords： stacker and reclaimer; electrical control system; PLC; module; fieldbus

堆取料機(jī)作為大型高效的裝卸機(jī)械，常用于大型干散物料搬運(yùn)場所，廣泛應(yīng)用于各大港口、鋼企、礦山和電廠中。堆取料機(jī)承擔(dān)著繁重的生產(chǎn)任務(wù)，通常需要進(jìn)行連續(xù)性的挖取、堆放任務(wù)，工作環(huán)境較為惡劣，為了保證堆取料機(jī)的安全高效生產(chǎn)，需要有性能穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)和操作進(jìn)行精準(zhǔn)穩(wěn)定的控制[1]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，Z港口堆場的煤炭堆存能力大幅提升，原有的堆取料機(jī)已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)需求，不僅要提升設(shè)備自身的堆取料能力，而且還要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，以適應(yīng)港口的生產(chǎn)需求。在機(jī)械制造業(yè)逐漸向智能化、數(shù)字化、信息化方向發(fā)展的背景下，控制系統(tǒng)也需要相應(yīng)的優(yōu)化改造，基于PLC的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)堆取料機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、控制、綜合管理。通過與軟件開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)管理等多項(xiàng)功能的集成應(yīng)用，可構(gòu)建設(shè)備管理監(jiān)視系統(tǒng)，對(duì)堆取料機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障排查、維護(hù)提醒和生產(chǎn)記錄等一體化管理，切實(shí)提升堆取料機(jī)控制系統(tǒng)的智能化水平[2]。本文以Z港口臂式堆取料機(jī)電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化改造為例，闡述了基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在提升堆取料機(jī)作業(yè)能力方面的效能。

1 ?PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢

電氣控制系統(tǒng)作為臂式堆取料機(jī)的核心，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及智能化水平直接關(guān)系到設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和作業(yè)效率。早期的電氣控制系統(tǒng)主要采用繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，各電器元件會(huì)按照一定的接線方式組成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行性能的控制和保護(hù)。繼電器-接觸器控制系統(tǒng)中會(huì)使用大量的電器元件，占地面積大，耗能多，故障率高，因?yàn)榘惭b于電器柜內(nèi)，所以改造難度高?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒rogrammable Logic Controller，簡稱PLC）在電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，是對(duì)電氣控制系統(tǒng)的重要改革。PLC作為一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)就是為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的微型計(jì)算機(jī)。PLC擁有超強(qiáng)功能的編程元件，編程簡單易操作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少，維修方便，可靠性高，所以已經(jīng)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器-接觸器的控制技術(shù)。在通信技術(shù)的加持下，可將多個(gè)PLC配置在一起，進(jìn)而擴(kuò)展系統(tǒng)的控制能力，提高系統(tǒng)的可靠性[3]。使用同軸電纜進(jìn)行信號(hào)傳輸，可減少電纜和繼電器的使用量，降低故障的發(fā)生頻率，進(jìn)一步提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。PLC控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、處理、連鎖，所以在本次電氣控制系統(tǒng)改造中選擇使用PLC。

2 ?Z港口堆取料機(jī)電控系統(tǒng)存在的問題

Z港口現(xiàn)有臂式斗輪堆取料機(jī)已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行十幾年，為了保證港口堆場正常運(yùn)行，一直處于高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，而且港口堆場鹽分高、環(huán)境潮濕、煤塵多，加劇了電氣設(shè)備的老化。堆取料機(jī)使用的還是繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)占地面積較大，受到電器柜的限制不便于進(jìn)行功能擴(kuò)展，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)不利于檢修，系統(tǒng)控制的設(shè)備中很多老舊的配件已經(jīng)無法滿足Z港口堆場的煤炭堆卸需求。連接控制系統(tǒng)的電纜已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的龜裂、破皮、斷股等現(xiàn)象，導(dǎo)致控制信號(hào)無法穩(wěn)定的傳輸，對(duì)生產(chǎn)作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。控制系統(tǒng)中的接線箱、轉(zhuǎn)接箱、接線端子等硬件設(shè)備老化嚴(yán)重，增加了系統(tǒng)發(fā)生故障的頻率。在信息化和智能化生產(chǎn)時(shí)代，由于系統(tǒng)的控制方式較為落后，對(duì)于設(shè)備運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)檢測不及時(shí)、不全面，控制系統(tǒng)無法精準(zhǔn)地掌控設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)出動(dòng)作指令的時(shí)間延遲且不夠精準(zhǔn)，老舊的控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)無人化生產(chǎn)作業(yè)，影響到Z港口堆場的作業(yè)效率。無論是提升堆場作業(yè)效率，還是減少設(shè)備故障，對(duì)堆取料機(jī)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造都勢在必行。

3 ?Z港口堆取料機(jī)控制系統(tǒng)配電設(shè)計(jì)

3.1 ?堆取料機(jī)控制系統(tǒng)的配電方案

針對(duì)原有設(shè)備配電系統(tǒng)存在的不足，對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。臂式堆取料機(jī)的電源由地面變電所的10 kV饋電回路，利用電纜輸送至堆取料機(jī)地面高壓接電箱，然后再通過電纜卷筒和集電環(huán)引到機(jī)上高壓電氣房的高壓進(jìn)線柜[4]。堆取料機(jī)上機(jī)為三相四線AC10 kV電源，由高壓進(jìn)線柜再引至主變壓器、輔助變壓器和中繼皮帶1#驅(qū)動(dòng)電機(jī)、中繼皮帶2#驅(qū)動(dòng)電機(jī)中，如圖1所示。

圖1 ?堆取料機(jī)控制系統(tǒng)配電系統(tǒng)圖

3.2 ?堆取料機(jī)主要機(jī)構(gòu)配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

堆取料機(jī)各個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力都由上機(jī)電源通過主變壓器和輔助變壓器來提供，為了保證配電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，主變壓器和輔助變壓器會(huì)選用高壓斷路器進(jìn)行保護(hù)。AC10 kV上機(jī)電源經(jīng)過主變壓器后得到AC380 V、50 Hz的低壓電源，為大車行走、臂架俯仰、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和斗輪機(jī)等主要運(yùn)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)回路供電。AC10 kV上機(jī)電源經(jīng)過輔助變壓器得到AV380 V、50 Hz低壓電源，主要為斗輪液壓沖刷電機(jī)、皮帶機(jī)制動(dòng)器、電纜卷筒等供電。經(jīng)過與負(fù)責(zé)維修的電氣工程師交流，結(jié)合設(shè)備及現(xiàn)場的運(yùn)行工況，對(duì)堆取料機(jī)各機(jī)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行選型，并設(shè)計(jì)符合系統(tǒng)需求的參數(shù)，詳見表1。

表1 ?堆取料機(jī)主要機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

以表1的電機(jī)為核心，對(duì)堆取料機(jī)各機(jī)構(gòu)都重新進(jìn)行了配電設(shè)計(jì)，并且都做好了相應(yīng)的可靠性設(shè)計(jì)。比如在大車行走機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)配電設(shè)計(jì)中，經(jīng)過主變壓器獲取的電源通過變頻器主回路，可實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)頻且產(chǎn)生再生電能，還設(shè)計(jì)了外置型制動(dòng)單元以防止電機(jī)急劇降速或者負(fù)載過大而損壞電氣設(shè)備，在制動(dòng)電阻過熱時(shí)能夠快速切斷回路以實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的保護(hù)。在其他機(jī)構(gòu)中也設(shè)計(jì)了傳感器和檢測開關(guān)等安全檢測和保護(hù)裝置，可進(jìn)一步提升電氣設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。

4 ?Z港口堆取料機(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 ?堆取料機(jī)控制系統(tǒng)組成

針對(duì)Z港口堆場干散貨粉塵較大、機(jī)械設(shè)備在重載運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)生振動(dòng)的特點(diǎn)，在改造方案中選擇PLC控制器作為臂式堆取料機(jī)控制系統(tǒng)的核心，由幾個(gè)獨(dú)立的控制子系統(tǒng)組成，如圖2所示。PLC可解決繼電器-接觸器控制邏輯不易改變的問題，通過更改PLC內(nèi)部程序即可改變控制邏輯，控制系統(tǒng)更加靈活，故障率也會(huì)下降[5]。

圖2 ?堆取料機(jī)控制系統(tǒng)組成

改造后的控制系統(tǒng)配置1個(gè)主站和3個(gè)從站，PLC主站設(shè)置在上部電氣房內(nèi)，實(shí)現(xiàn)PLC主從雙級(jí)控制。該控制系統(tǒng)中所有可接收到的數(shù)字量信號(hào)都會(huì)傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)中，然后PLC控制系統(tǒng)會(huì)結(jié)合內(nèi)部的系統(tǒng)程序，向電動(dòng)機(jī)、變頻器、接觸器等發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)變頻器和各機(jī)構(gòu)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)堆取料機(jī)的控制。整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行末端的運(yùn)行狀態(tài)都會(huì)通過以太網(wǎng)傳輸顯示在主站觸摸屏上。

4.2 ?堆取料機(jī) PLC 硬件選型

4.2.1 ?PLC主站硬件選型

在堆取料機(jī)PLC控制系統(tǒng)硬件選型時(shí)，應(yīng)該注意以下問題。先要計(jì)算出控制系統(tǒng)中最少需要I/O輸入輸出點(diǎn)數(shù)，在此基礎(chǔ)上再額外增加至少10%的預(yù)留量，為了功能擴(kuò)展和模塊損壞備用。PLC的選擇要保證能夠滿足堆取料機(jī)各機(jī)構(gòu)的控制需求，并且能夠在港口堆場環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，具有高效的通信能力，保證信息傳輸速度和精準(zhǔn)度[6]。鑒于以上考量，在改造方案中選用YASKAWA CP-317 作為系統(tǒng)控制器，主要由電源模塊、主板模塊、I/O通信模塊組成。PLC主站設(shè)置在上部電氣房內(nèi)，其模塊選型和數(shù)量配置見表2。

表2 ?PLC主站模塊

該方案選擇的電源模塊會(huì)向主站中的每個(gè)模塊供電，具有斷電自檢功能，且在電壓發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)可選擇重新啟動(dòng)。方案中選擇的主板模塊在突然斷電的情況下，能夠?qū)⒊绦蚝蛿?shù)據(jù)完整地保存下來，可采用不同速率模式執(zhí)行程序。通信模塊可以通過協(xié)議接口與外部設(shè)備建立連接，模擬輸入模塊的內(nèi)部通道數(shù)可根據(jù)主站決定。

4.2.2 ?PLC從站模塊選型

在升級(jí)改造方案中設(shè)計(jì)主從站模式，主要是因?yàn)橄到y(tǒng)控制的硬件設(shè)備較為分散，在被控設(shè)備處設(shè)置PLC從站，既能夠減少檢測與控制信號(hào)的電纜，又能夠降低維修工作成本。設(shè)置PLC從站還能夠緩解輸入輸出點(diǎn)數(shù)不夠的缺陷，在需要增加控制點(diǎn)時(shí)，可在從站處增加模塊，以此來滿足堆取料機(jī)對(duì)各機(jī)構(gòu)控制點(diǎn)數(shù)的需求。該方案中的PLC主站設(shè)置在上部電氣房內(nèi)，主站具有通信主動(dòng)權(quán)，從站負(fù)責(zé)與主站之間的數(shù)據(jù)交換，并且接受主站的命令對(duì)堆取料機(jī)各機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。從站的硬件設(shè)計(jì)主要包括電源模塊、主板模塊、I/O模塊，在模塊選型時(shí)，除了估算現(xiàn)需的I/O點(diǎn)數(shù)，還要考慮功能擴(kuò)展、后期改造及損壞等需求。方案中電源模塊選擇PS22A型號(hào)，主板模塊選擇215RIO型號(hào)，I/O模塊選擇2000系列產(chǎn)品，其中I/O模塊的型號(hào)、數(shù)量配置見表3。

表3 ?PLC從站I/O模塊配置

4.3 ?PLC主站通信網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)

臂式堆取料機(jī)作為大型機(jī)械設(shè)備，控制系統(tǒng)需要控制的設(shè)備較為分散，需要監(jiān)測的信號(hào)點(diǎn)位較多，為了保證數(shù)據(jù)信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，PLC主站采用了215、216、RS485和以太網(wǎng)等多種通信方案，堆取料機(jī)與中控室通過光纖和無線2種方式通信。CP-317主站通過215接口與下部電氣房、司機(jī)室的PLC從站之間進(jìn)行通信，在雙絞股線中間選用中繼器作為雙絞股電纜和硅石光纖電纜的中繼，可延長傳輸距離。CP-317主站通過216接口與行走、回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的變頻器進(jìn)行通信，使用雙絞股線作為傳輸媒介。主站通過217模塊的RS232與PLC控制面板進(jìn)行連接，便于人員操作，在RS-232上使用屏蔽電纜來降低噪音。使用RS485通信電纜與斗輪、懸臂的軟啟動(dòng)器連接。PLC與工控機(jī)的通信使用以太網(wǎng)連接，利用PROFIBUS DP實(shí)現(xiàn)與行走、回轉(zhuǎn)、俯仰絕對(duì)值編碼器的通信。CP-317主站通信回路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 ?CP-317主站通信回路

5 ?改造效果

Z港口堆場臂式堆取料機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)過改造后，PLC系統(tǒng)中的程序可隨時(shí)改動(dòng)，擴(kuò)展性能更加，控制功能大大提升。因PLC處于定期循環(huán)狀態(tài)，所以系統(tǒng)受制約時(shí)間較短。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，故障率大大降低，作業(yè)量得到顯著提升，為提升港口堆場的生產(chǎn)效率提供了重要保障。

6 ?結(jié)束語

本次針對(duì)Z港口堆取料機(jī)的電氣控制系統(tǒng)的升級(jí)改造，主要從配電系統(tǒng)、硬件選型、網(wǎng)絡(luò)通信幾個(gè)方面進(jìn)行簡要論述，其他方面沒有進(jìn)行相關(guān)闡述?？刂葡到y(tǒng)經(jīng)過改造后的堆取料機(jī)，作業(yè)效率大幅提升，系統(tǒng)的控制性能更加穩(wěn)定。因?yàn)楸敬坞姎饪刂葡到y(tǒng)優(yōu)化改造是在港口堆取料機(jī)原有基礎(chǔ)上進(jìn)行的，受到設(shè)備原有結(jié)構(gòu)及各部件的性能影響，控制系統(tǒng)的改造方案并不是最佳的控制方式。隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，在港口和設(shè)備等各方面條件允許的情況下，還可以對(duì)堆取料機(jī)的電控系統(tǒng)進(jìn)行更加高效的升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)港口作業(yè)的智能化管理，全面提升設(shè)備堆取作業(yè)效率，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 沈盛陽，胡鵬，劉呂昌.基于PROFIBUS通訊實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)絕對(duì)值編碼器的應(yīng)用[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2020，55（2）：73-75.

[2] 劉俊武.基于無線網(wǎng)橋的冗余通訊鏈路在斗輪堆取料機(jī)通訊中的研發(fā)和運(yùn)用[J].中國水運(yùn)（下半月），2022，22（12）：59-60.

[3] 張鑫，趙新宇，趙學(xué)剛.變頻調(diào)速在斗輪堆取料機(jī)行走控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2022（1）：168-170.

[4] 楊文英，高靜.智能一體化生產(chǎn)控制平臺(tái)在火電廠斗輪堆取料機(jī)無人作業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國設(shè)備工程，2021（17）：32-34.

[5] 李海濤，薛家陽，李軍，等.火電煤場門式斗輪堆取料機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究及應(yīng)用[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2023，64（9）：48-50.

[6] 吳吉，何干祥，潘宏生，等.1050MW機(jī)組煤場堆取料機(jī)控制系統(tǒng)的改造[J].上海電氣技術(shù)，2023，16（1）：59-61.