淺談側(cè)式懸臂堆料機(jī)橋式斗輪取料機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曹艷華 王鳳

摘 要：文章介紹了側(cè)式懸臂堆料機(jī)橋式斗輪取料機(jī)的基本控制理論，以及西門子有源底板、西門子工業(yè)以太網(wǎng)、西門子PROFIBUS-DP、光纖通訊等的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：控制理論；PLC；工業(yè)以太網(wǎng)

1 堆取料機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 堆取料機(jī)的特點(diǎn)

側(cè)式懸臂堆料機(jī)橋式斗輪取料機(jī)具有占地面積小，物料貯量大等優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)今應(yīng)用最廣泛的均化設(shè)備，在港口、碼頭、大型電廠、水泥廠、礦山都可以見(jiàn)到它的影子。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC功能日漸強(qiáng)大，網(wǎng)絡(luò)通訊功能的應(yīng)用，使功能控制更加集中，監(jiān)測(cè)能力更加完備，側(cè)式懸臂堆料機(jī)和橋式斗輪取料機(jī)控制技術(shù)也日臻完善。

1.2 堆取料機(jī)的工藝流程

側(cè)式懸臂堆料機(jī)和橋式斗輪取料機(jī)配套使用，側(cè)式懸臂堆料機(jī)由堆料臂、配重塊、驅(qū)動(dòng)裝置、液壓系統(tǒng)、主控制室、動(dòng)力電纜卷盤、控制電纜卷盤和來(lái)料小車等部分組成；橋式斗輪取料機(jī)由收料皮帶、耙車、斗輪、行走小車、動(dòng)力電纜卷盤及控制電纜卷盤等部分組成。側(cè)式懸臂堆料機(jī)采用往復(fù)鱗狀堆料的方法，橋式斗輪取料機(jī)采用橫斷面取料方法。

1.3 堆取料機(jī)的控制方式

側(cè)式懸臂堆料機(jī)和橋式斗輪取料機(jī)分三種控制方式，自動(dòng)方式、手動(dòng)方式、維修方式，其中自動(dòng)方式又分為機(jī)上自動(dòng)和中控室自動(dòng)，中控室自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的遠(yuǎn)程遙控操作。

1.4 堆取料機(jī)動(dòng)作聯(lián)鎖流程

側(cè)式懸臂堆料機(jī)和橋式斗輪取料機(jī)在同一個(gè)料場(chǎng)工作，正常工作時(shí)它們是相對(duì)獨(dú)立的個(gè)體。

側(cè)式懸臂堆料機(jī)自動(dòng)工作時(shí)的起機(jī)順序是首先將懸臂降低至下極限，由中控室或機(jī)上發(fā)出自動(dòng)工作命令，堆料機(jī)發(fā)出起機(jī)響鈴預(yù)警15秒，之后皮帶啟動(dòng)，5秒后，行走驅(qū)動(dòng)運(yùn)行并伴有移動(dòng)警告，堆料機(jī)在堆料區(qū)域往返行走，卸料皮帶機(jī)同時(shí)卸下物料，堆料機(jī)在遠(yuǎn)離料場(chǎng)中心一側(cè)的停留點(diǎn)是固定的，稱為固定點(diǎn)。在靠近料場(chǎng)中心一側(cè)的停留點(diǎn)是可變的，即每次回縮一段距離，稱為可變點(diǎn)。為保證堆形，堆料機(jī)在固定點(diǎn)、可變點(diǎn)的停留時(shí)間是可調(diào)的。每次堆料時(shí)，堆料機(jī)總是向固定點(diǎn)方向行走，在固定點(diǎn)與可變點(diǎn)之間往返行走進(jìn)行堆料，直到堆料臂上的料位檢測(cè)開關(guān)觸料后液壓俯仰系統(tǒng)工作，這時(shí)俯仰系統(tǒng)自動(dòng)上升一段距離，待堆料機(jī)達(dá)到堆滿開關(guān)時(shí)會(huì)向中控室發(fā)出堆滿停車申請(qǐng)，中控室或機(jī)上發(fā)出正常停機(jī)命令停止堆料皮帶和堆料機(jī)的運(yùn)行。側(cè)式懸臂堆料機(jī)會(huì)按起動(dòng)時(shí)的相反順序依次停車。

橋式斗輪取料機(jī)自動(dòng)工作的起機(jī)順序是，啟動(dòng)命令發(fā)出響鈴15秒，響鈴?fù)戤厗?dòng)輸送皮帶，5秒后斗輪啟動(dòng)（由于料場(chǎng)位置不同，斗輪旋轉(zhuǎn)的方向不同），7秒后斗輪小車后行（靠近控制室一側(cè)），待物料取完一個(gè)橫斷面，斗輪小車后行碰到后行程，這時(shí)斗輪小車停止，取料機(jī)大車會(huì)向前運(yùn)行（靠近物料）0.5米，之后斗輪小車前行，待碰到前行程，斗輪又完成一個(gè)橫斷面取料，小車停止，大車向前運(yùn)行0.5米。取料機(jī)如此反復(fù)工作，直到碰到料取完限位。取料機(jī)的停機(jī)順序是起機(jī)的逆續(xù)，先停大車行走和小車行走，之后是斗輪，最后停輸料皮帶。

側(cè)式懸臂堆料機(jī)和橋式斗輪取料機(jī)正常停機(jī)后，堆料機(jī)大臂抬到上極限，取料機(jī)的斗輪開到后行程，以便兩臺(tái)設(shè)備交叉換堆。

2 堆取料機(jī)設(shè)計(jì)的原則、硬件及輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC硬件的組態(tài)選擇

本文介紹的側(cè)式懸臂堆料機(jī)和橋式斗輪取料機(jī)其控制系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

選用西門子S7 300系列PLC；由ET200和有源底板構(gòu)成的可熱插拔的輸入輸出模塊系統(tǒng)；堆料機(jī)、取料機(jī)與中控室采用DP通訊，中控室為DP通訊的主站，堆料機(jī)和取料機(jī)為DP通訊的從站；堆料機(jī)與取料機(jī)之間的通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)，堆料機(jī)為主站，取料機(jī)為從站，兩種通訊都通過(guò)光纖介質(zhì)傳輸，在硬件選型時(shí)需要選用將DP信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w信號(hào)的OLM以及將工業(yè)以太網(wǎng)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器，并將運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)顯示在西門子觸摸屏上。

2.2 堆取料機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.2.1 側(cè)式懸臂堆料機(jī)主回路

懸臂卸料皮帶電機(jī)；卸料皮帶抱閘；液壓變幅電機(jī)；堆料行走電機(jī)；堆料行走抱閘；

2.2.2 橋式斗輪取料機(jī)主回路

皮帶電機(jī)回路；斗輪電機(jī)回路；斗輪小車行走電機(jī)；斗輪小車行走抱閘；大車行走電機(jī)；大車行走抱閘；

2.2.3 堆取料機(jī)主回路的硬件配置

側(cè)式懸臂堆料機(jī)行走機(jī)構(gòu)采用西門子440變頻器，采用DP通訊的方式控制電機(jī)的起動(dòng)和停止。根據(jù)橋式斗輪取料機(jī)取料的特點(diǎn)，其取料面為三角形而斗輪小車的行走軌跡為直線型，因此為了使出料均勻且提高取料效率，將小車行走軌跡分為3段A、B、C。在A段與C段行走速度加快，減少取料時(shí)間，而B段減慢小車行走速度，增加取料時(shí)間。因此斗輪小車的行走機(jī)構(gòu)也采用西門子440變頻進(jìn)行控制，同時(shí)也起到了防止頻繁啟停電流過(guò)高的問(wèn)題，并使斗輪小車運(yùn)行更加平穩(wěn)。

3 側(cè)式懸臂堆料機(jī)及橋式斗輪取料機(jī)的軟件及控制系統(tǒng)開發(fā)

3.1 有源底板

西門子300PLC輸入輸出模塊沒(méi)有帶電熱插拔的功能，隨著技術(shù)的不斷完善，將有源低板應(yīng)用到PLC的機(jī)架上，用ET200擴(kuò)展的輸入輸出模塊就可以實(shí)現(xiàn)I/O點(diǎn)的熱插拔功能。將有源底板的GSD文件安裝在西門子STEP 7硬件組態(tài)上。ET200采用ET200M系列可以帶遠(yuǎn)程I/O模塊的特點(diǎn)，將多個(gè)輸入模塊、輸出模塊、模擬量和高速模塊集成在有源底板上，就可以實(shí)現(xiàn)熱插拔的功能。有源底板根據(jù)需要選接口有源底板和I/O有源底板，一個(gè)接口有源底板安裝一塊ET200M，它可以擴(kuò)展80MM的I/O有源底板6塊通過(guò)硬件的如下設(shè)置就可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

A帶電插拔模塊時(shí)，確保不造成模塊的硬件損壞；

B帶電插拔模塊時(shí)，CPU不停機(jī)，并產(chǎn)生報(bào)警；

C帶電插拔模塊時(shí)，該模塊I/O通道的數(shù)值保持不變，而其他模塊的運(yùn)行不受影響；

D帶電插拔模塊時(shí)，CPU中觸發(fā)中斷組織塊或通過(guò)DP診斷程序塊，得到模塊拔出或插入的事件信息，在用戶程序或中斷組織塊OB**中進(jìn)行相應(yīng)控制邏輯和I/O通道的處理；

3.2 工業(yè)以太網(wǎng)

本項(xiàng)目中工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用是為了實(shí)現(xiàn)堆料機(jī)與取料機(jī)之間的信息傳遞。

工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)：

（1）Ethernet是全開放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，遵照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同廠商的設(shè)備可以很容易實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

（2）以太網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接，形成企業(yè)級(jí)管控一體化的全開放網(wǎng)絡(luò)。

（3）軟硬件成本低廉，由于以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，支持以太網(wǎng)的軟硬件受到廠商的高度重視和廣泛支持，有多種軟件開發(fā)環(huán)境和硬件設(shè)備供用戶選擇。

（4）通信速率高，隨著企業(yè)信息系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜程度的提高，對(duì)信息量的需求也越來(lái)越大，有時(shí)甚至需要音頻、視頻數(shù)據(jù)的傳輸，目前以太網(wǎng)的通信速率為10M、100M的快速以太網(wǎng)開始廣泛應(yīng)用，千兆以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，10G以太網(wǎng)也正在研究，其速率比目前的現(xiàn)場(chǎng)總線快很多。

（5）可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ螅谶@信息瞬息萬(wàn)變的時(shí)代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個(gè)快速而有效的通信管理網(wǎng)絡(luò)，信息技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網(wǎng)技術(shù)不斷地持續(xù)向前發(fā)展

3.3 PROFIBUS -DP

PROFIBUS -DP用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。總線循環(huán)時(shí)間必須要比主站（PLC）程序循環(huán)時(shí)間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)，診斷和報(bào)警處理。

PROFIBUS-DP在本系統(tǒng)中建立兩條，在本系統(tǒng)中變頻器的起/停，編碼器的數(shù)據(jù)傳輸采集和擴(kuò)展的ET200建立在一條DP系統(tǒng)上，為了不影響堆取料機(jī)與中控室的數(shù)據(jù)傳輸，堆取料機(jī)與中控室建立另外的一條DP通訊，這樣DP1與DP2互不干擾，數(shù)據(jù)傳輸?shù)母_。

3.4 光纖傳輸

光纖通信具有頻帶寬，通信容量大；損耗低，中繼距離長(zhǎng)；抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。本臺(tái)側(cè)式懸臂堆料機(jī)、橋式斗輪取料機(jī)和中控室的距離都在240米的距離，用光纖作傳輸介質(zhì)比其它任何傳輸介質(zhì)的損耗都低，而且光纖是絕緣體材料，它不受自然界的雷電干擾、電離層的變化和太陽(yáng)黑子活動(dòng)的干擾，也不受電氣化鐵路饋電線和高壓設(shè)備等工業(yè)電器的干擾，用它與電力導(dǎo)體復(fù)合構(gòu)成復(fù)合光纜，減少了電纜鋪設(shè)的工時(shí)。采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式，需要用光口交換機(jī)將以太網(wǎng)傳輸?shù)碾娦盘?hào)轉(zhuǎn)換為光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)，堆料機(jī)、取料機(jī)和中控室之間采用PROFIBUS-DP的通訊方式，需要用OLM交換機(jī)將DP信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。

4 結(jié)束語(yǔ)

側(cè)式懸臂堆料機(jī)、橋式斗輪取料機(jī)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，控制技術(shù)日臻完善，提供了更人性化的控制系統(tǒng)，從而有效地提高產(chǎn)品的均化效果，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，使我們的堆料機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

參考文獻(xiàn)

[1]馮敏，劉宇.自控產(chǎn)品在堆取料機(jī)控制系統(tǒng)上的應(yīng)用，2006（6）.

[2]李榮芳，范曉濤，等.SIEMENS自控產(chǎn)品在堆取料機(jī)控制系統(tǒng)上的應(yīng)用，2004（3）.

作者簡(jiǎn)介：曹艷華（1980，5-），遼寧省開原市人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：電氣設(shè)計(jì)。

王鳳（1975，2-），遼寧省開原市人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，研究方向：電氣設(shè)計(jì)。