基于PLC和HMI控制的旋擺沖擊磨操作系統的改進設計

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(貴州省地勘裝備服務中心，貴州 貴陽 550000)

1 問題提出

1.1 旋擺沖擊磨作業操作步驟

圖1 旋擺沖擊磨示意圖

旋擺沖擊磨設備是一種廣泛用于巖石礦物樣制備工藝流程中的細碎加工設備[1]。如圖1是旋擺沖擊磨示意圖，它的作業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、塊的6料缽罐上5料缽蓋，安放在旋擺沖擊粉碎設備的9擺動盤上；步驟二，對5料缽蓋實施壓緊；步驟三，將上機箱旋轉蓋放下并扣上蓋扣，將上機箱蓋扣住；步驟四，設定對礦物樣粉碎的加工時間；步驟五，起動電動機。9擺動盤上隨電機轉動，帶動偏心塊7，實現10沖擊環和塊在旋轉擺動對料缽內的礦物樣進行沖擊粉碎；步驟六，待所設定的加工時間到達設定值后，對電機實施斷電；步驟七，觀測(聽)電機斷電后的慣性旋轉是否完全停止；步驟八，在電機完全停止后打開上箱蓋；步驟九松開對料缽蓋的壓緊機構。然后，從旋擺沖擊粉碎設備的擺動盤上取礦物出料缽，并將料缽內已加工完成的巖石樣移至下一道礦樣工藝流程。

1.2 操作過程分析

在作業操作控制過程中，對缽體蓋實施壓緊的方式通常有手動螺栓壓緊和獨立的氣動開關進行壓緊。

在設定對礦物樣粉碎的加工時間上，通常采用時間繼電器或定時器開關進行控制。在電機執行完成設定的加工時間后，對電機實施斷電。這一操作控制往往是人為觀測電機慣性旋轉是否完全停止，并松開對料缽蓋的壓緊機構。

采用螺紋壓緊機構中實施手動壓緊和松開壓緊螺栓費時費力、效率低；用獨立的氣動壓緊機構，通過切換換向閥開關實施換向對氣缸(或氣囊)減壓以實現松開氣動壓緊機構。這一操作控制過程往往出現電動機慣性旋轉擺動尚未完全停止，壓緊機構就被松開，致使料缽在慣性作用下飛出的事故發生。

可見，傳統的旋擺沖擊磨操作控制往往是獨立的單項操作控制，操作控制過程繁瑣，勞動強度大、工作效率不高，特別是在開啟機體上箱蓋過程中還存在一定事故風險。

由于對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，在對礦物樣加工時間設定操作控制上也有所不同。需要針對不同礦物樣種類和裝樣量分別實時設置不同的加工時間調整。

如果采用單一的PLC控制器進行加工時間調整控制往往兩種方式：一種是用七段碼顯示器來顯示數字，用撥碼開關來輸入參數，這種方式增加了I/O接口數[2]，這將增大了硬件成本。

另一種方式是在程序中改變定時器時間的設定值，通常使用便攜式編程器改變設定值，只能用指令編程和采用計算機安裝的編程軟件進行修改[3]，不利于現場操作人員操作控制。

2 操作控制設計

針對上述旋擺沖擊磨操作控制中存在的操作控制繁瑣，勞動強度大、工作效率不高和實時調整礦物樣加工時間存在的問題，現提出了一種基于PLC和HMI控制的自動化順序操作控制系統對旋擺沖擊磨進行操作控制。

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盤上后：1)對上機箱蓋實時鎖緊控制；2)通過氣動控制系統對料缽蓋實施壓緊控制；3)對電機設置被加工礦物樣的運行時間的人機交互設置操作；4)對換向閥換向設定時間延時啟動時間人機交互設置操作，該時間為電機慣性運動完全停止所需時間；5)執行換向閥換向；6)開啟上機箱鎖緊機構。所有這些是基于PLC和HMI控制狀態下進行。

2.2 氣動控制系統設計

氣動技術是實現自動化控制的一項重要技術，更加便捷地實現自動化控制[4]。圖2是氣動控制系統。它是由供氣部分：1空氣壓縮機、2儲氣罐、3安全閥、4過濾器、5減壓閥、6油霧器組成的供氣系統；由7電磁閥和9、10兩個壓力開關組成的控制系統；由一組(兩件)11、12旋轉氣缸組成對料缽蓋實施壓緊、松開的執行元件組成。

圖2 氣動控制系統

通過PLC控制系統控制，當換向閥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旋轉并對料缽蓋實施壓緊。當氣缸內壓力達到設定值時，壓力開關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。待料缽內被加工物料按操作控制設定時間執行完成加工后，在電機完全停止時，通過PLC控制系統至電磁閥線圈Y1得電，換向閥移動至左位，供氣系統開始向氣缸供氣，氣缸活塞上移同時氣缸塞柱上的壓塊外擺，対料缽蓋實施松開。當壓力達到設定值后壓力開關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。

2.3 PLC控制系統設計

方案對PLC的選型選用三菱FX3U-16MR。其PLC采用GX developer[5]按照2.1控制要求進行相關設計。

2.3.1 PLC輸入/輸出元件及控制功能

表1所示，是根據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個輸入點和8個輸出點，本設計輸入點為X0-X5使用了6個，輸出點Y1-Y4使用了4個。

對PLC的選擇符合略有富余的要求。各輸入輸出元件符號、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設計的接線圖。

圖3 PLC接線圖

2.3.3 旋擺沖擊磨PLC梯形圖

根據前述2.1操作控制要求，采用三菱GX Developer編程軟件編寫梯形圖。為了實現實時對被加工礦物樣的運行時間進行調整及在電機慣性運動完全停止后所需的延時啟動換向閥的時間，設計增添了人工界面HMI操作控制系統。如圖4為PLC的梯形圖，在梯形圖中，定時器線圈T0和定時器線圈T1分別執行HMI地址相對應的寄存器D0、D1設定的時間值。

圖4 PLC梯形圖

2.3.4 人機界面組態設計

為了實現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，需要對礦物樣加工的時間進行不同的設定。同樣在加工完成被粉碎樣后對電機實施斷電，為確保電機慣性運動完全停止，閥換向才能松開的安全要求，必須設置延時啟動換向閥換向松開対料缽蓋壓緊時間值。在設計上選用威綸通HMI人機界面。通過使用EasyBuildPro軟件進行組態設計[6]。利用顯示屏顯示，通過觸摸屏鍵盤，寫入礦物樣加工時間和延時啟動換向閥換向時間。

圖5是組態設計完成的進入碎樣時間設置界面。點擊用戶登錄輸入密碼、點擊數字框即可進入圖6所示的鍵盤輸入時間界面。點擊鍵盤輸入對不同粉碎粒度要求和被粉碎樣裝樣量的不同而需要的時間設置。

通過PLC與HMI的通信連接，在組態界面碎樣時間設置數字框內輸入數值，就是PLC定時器T0所執行的寄存器D0值。從而實現了互交操作設置，通過PLC執行控制對碎樣所需的時間調整設置。

同樣的方法，設計了確保電機慣性運動完全停止，換向閥換向松開対料缽蓋的時間值設定界面并通過PLC執行控制。

此外，還設計了相關的按鈕、指示燈等控制操作界面，使操作更為直觀和便于監控。

3 改進后操作控制執行結果

改進后的操作控制執行結果如下：

控制行1：當按下啟動按鈕SB1，軟元件X1得電，繼電器觸點M0得電，繼電器線圈M0實現自保持。在線路上串接有急停開關常閉觸點X0、開啟料缽壓力線路上的壓力開關常閉觸點X3，并接的定時器線圈T3通電計時。

控制行2：繼電器觸點M0得電，當定時器線圈T3完成計時值后斷電，常開觸點T3接通，驅動電磁鎖線圈Y1通電，致電磁鎖鎖舌外伸，將上機箱蓋鎖住，實現加工作業的安全保證。

控制行3：電磁鎖線圈Y1通電后，常開觸點Y1觸點接通，通過定時觸點T2得電實現自保持，實現驅動定時器線圈T2。

控制行4：在定時器線圈T2執行完成時間設定值后斷電，常開觸點T2接通，驅動換向閥壓緊線圈Y2，實現電磁閥右移，氣缸下移，氣缸上的壓塊向內旋轉實現對料缽蓋的壓緊。當輸入壓力達到預先設定壓力值時，控制行上的常閉壓力開關X2自動斷電，至Y2失電，換向閥移至中位封閉狀態保持壓力；

控制行5：控制行4上常閉觸點X2斷電后，與之互鎖的常開觸點X2得電，經觸點M2實現繼電器線圈M2自保持通電。

控制行6：繼電器線圈M2得電，常開觸點M2得電，用過觸點Y4自保持驅動線圈Y4，實現電機輸入繼電器線圈通電，電機始運轉。在此行線路上串接有定時器常閉觸點T0，并接有定時器線圈T0。當定時器線圈T0執行完成HMI寄存器D0設定的時間后斷電，常閉觸點T0斷開，電動機實現斷電。串接在該行常閉觸點X4為電機控制線路熱繼電器保護開關。

控制行7：上行定時器線圈T0斷電后，常開觸點T0得電，通過串接的壓力開關常閉觸點X3，驅動定時器線圈T1。在驅動定時器線圈T1執行完成HMI寄存器D1設定的時間值后斷電。

控制行8：驅動定時器線圈T1斷電，常開觸點T1接通，驅動線圈Y3，實現換向閥移動至左位，供氣系統開始向氣缸供氣，氣缸活塞上移同時氣缸頭上的壓塊外擺，対料缽蓋實施放開。當氣缸內壓力達到設定值時，松開壓力開關常閉觸點X3斷開，線圈Y3失電，換向閥移動至中位，氣缸活塞上移保持缸頭上的壓塊外擺和持續対料缽蓋實施放開狀態。同時，控制行1松開壓力開關常閉觸點X3斷電，致使控制行2常通M0觸點斷電，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蓋，取出料缽進入下道工序。

4 結束語

通過基于PLC和HMI控制的旋擺沖擊磨操作控制系統改進設計，實現了對旋擺沖擊磨一鍵操作控制作業全過程的目的。與原有的手動操作控制或繼電器控制操作相比簡化了操作，節省了在制備樣作業過程中的操作控制時間，提高了工作效率。特別是通過HMI人工界面對寄存器D0、D1的組態設計，實現了對巖石礦物樣加工時間的實時調整和消除電機斷電后慣性運動產生的安全隱患。為巖石礦物樣制備設備實現自動化操作控制提供了一種可借鑒的解決方案。

[1] 中華人民共和國國土資源部.DZ/T 0130.1-2006地質礦產實驗室測試質量管理規范[S].北京：中國標準出版社，2006.

[2] 廖常初.西門子人機界面(觸摸屏)組態與應用技術[M].北京：機械工業出版社，2008.

[3] 黃宋魏.鄒金慧.電氣控制與PLC應用技術[M].北京：電子工業出版社，2015.

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

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

[6] 威綸通公司.EasyBuild Pro使用手冊.