基于PLC技術的破碎機自控系統研究設計

徐青峰

（西山煤電集團公司西銘礦選煤廠，山西太原 030052）

0 引言

在我國煤礦井下生產中，膠帶輸送機上運輸的物料最終會統一卸載到溜煤眼處，然后經過其進入到煤倉。由于運輸的物料中偶爾出現的體積比較大的煤塊或者是矸石所以溜煤眼堵塞的現象也時有發生。因為溜煤眼是煤炭進入煤倉的必經之處所以其在礦井生產中的地位是舉足輕重的。國家也出臺相關規定來防止此類事件的發生。為了能夠有效地降低溜煤眼堵塞情況的發生，設計一套基于PLC的破碎機自動控制系統。通過更加科學地對破碎機進行控制，能夠有效減少大塊物料的出現和降低溜煤眼的堵塞現象[1-3]。

1 PLC的結構及優勢

PLC是將微處理器經過二次開發編程趨于簡單穩定性有所增強的一種可編程邏輯控制器。PLC主要由幾部分組成：主CPU模塊、電源變換模塊、數據輸入輸出模塊以及通訊模塊等。目前煤礦井下使用的控制器中PLC占絕大部分。目前經常使用的PLC內部集成了兩部分存儲模塊，分別用于存儲控制程序和運行時產生的各種數據；其中輸入輸出模塊又分為數字量和模擬量兩種。

目前在工業應用中PLC控制器具有以下優點：

（1）程序的編寫和閱讀簡單化。PLC具有一種獨有的編程方式就是梯形圖編程。相比于傳統的代碼編程梯形圖在編寫和閱讀方面更具有優勢，尤其是其原理幾乎和繼電器控制原理相同，所以在實際應用中工人上手比較快，學習門檻低[4-5]。

（2）選型和使用比較方便。目前生產PLC的廠家比較多，不論是在編程軟件還是在配套技術支持方面都比較全面，同時與目前比較流行的各種界面組態軟件兼容性也比較好，通訊接口也比較豐富。

（3）工業性應用穩定性高。PLC經過多年工業使用基本上驗證了其在復雜環境下的工作能力，相比于一般的控制器PLC具有更加穩定的運行特性，能夠很好的適應干擾性強的環境。

2 破碎機控制系統設計要求

在設計破碎機自動控制系統的時候不光要滿足基本的功能條件，還需要具備實用性條件，工人在操作時能夠快速上手，具備一定的自動化程度，能夠有效減少操作頻率等。具體功能方面主要體現在以下兩個方面：其一是在故障發生時具備聲光報警功能，由于破碎機的使用頻率比較高，因此故障率也相對比其他設備要高，為盡快發現問題及時處理就要求其控制系統能夠精確的、及時地對故障進行檢測并報警，同時記錄相關故障。其二是為了盡量節約能源，需要對液壓缸結構進行一定程度的調整，使其能量利用率盡可能地高。

3 基于PLC技術的破碎機控制系統設計

如圖1所示為破碎機系統的主要組成部分。由圖中可以看出破碎機系統主要有4部分組成。其中破碎系統的安裝位置主要是在整個系統的后部，由液壓缸驅動破碎系統中的錘頭工作。每一個液壓缸控制一個錘頭，通過調節液壓缸的動作便能夠達到控制破碎對象顆粒大小的目的[3]。

圖1 破碎機結構圖

（1）分析液壓原理

破碎液壓系統破碎煤塊的主要流程如下：液壓缸上升可以帶起2個重錘，之后快速回落，連續幾次方可完成煤塊的破碎。破碎煤塊的工作原理是液壓缸上面有2個錘頭，但是每個錘頭產生的力量比較分散，從而可以產生比較均勻的沖擊力，達到破碎的目的。破碎機液壓系統主要由以下幾部分組成：油缸、溢流閥、梭閥、二位二通或二位三通的電磁閥等。其中每一組成部分都有各自的功能，比如溢流閥可以保護液壓回路的配管和相應的設備，梭閥和液壓控制系統的單向閥聯合起來可以控制系統回油。失電二位二通電磁閥可以斷開進油管路與回油；失電二位三通電磁閥可以關閉液控單向閥；單向閥受高壓影響開啟，然后液壓缸迅速得到供給的油，最后油缸處于上升的狀態。油缸下落的狀態與上升的狀態截然相反，從而使油缸完全下落[6]。

（2）確定控制方式

目前常用的控制器有以下幾種：以單片機為主要CPU的控制器、以可編程邏輯控制器為主CPU的控制器以及其他控制器等。由于可編程邏輯控制器在工業應用中的各種優點所以該系統選用PLC作為主CPU。外圍配備各種中間繼電器、閥門以及電源和報警器件等。在被控對象上還有各種傳感器用于檢測其工作狀態。

（3）選擇PLC

在對主控制器PLC進行選型時需要考慮的因素主要有以下幾項：輸入輸出點數、價格、通訊方式、擴展方式以及兼容性等方面。在滿足系統控制要求的前提下盡量選擇性價比比較高的產品是關鍵的選型標準。在輸入輸出點數確定時需要考慮的因素主要由以下幾個方面：首先在滿足系統需求的前提下結合成本預留出一定的余量，方面后期的功能擴展一般的余量為15%～20%。其次是在點數和繼電器或者是外圍配套設備之間找到平衡點，使總體的成本降到最低。考慮到傳感器信號會有數字量和開關量的區別，所以需要配套一部分模擬量模塊便于數據采集和處理。

（4）制定控制方案

考慮到編程熟練度以及整個系統的兼容性，該系統選用西門子公司最新推出的S7-1200系列PLC。相比于前代的產品，該控制器在小型的運行控制方面以及過程控制系統在高級功能方面的應用進行的優化和提高。如表1所示為系統的破碎機通電控制流程[7-8]，用“+”代表接通電源“—“代表斷開電源；DT表示元件代號。

表1 破碎機動作循環表

（5）設計控制流程

如圖2所示為該系統設計的破碎機液壓控制系統流程圖。從圖中可以看出程序能夠實現手動和自動操作，同時具備參數調整功能。

圖2 破碎機液壓控制系統的流程圖

（6）編輯梯形指令

梯形圖的編輯主要是根據圖2中的控制流程進行的。具體的梯形圖如圖3所示。其中常開觸點M0.0為中間繼電器，DB塊為定時器，通過定時器獲取到定時時間然后控制PIW的值能夠達到控制VD的目的，這時就能夠實現精確的延時。而延時時間主要用來控制液壓缸下落的時間。通過控制中間繼電器能夠使液壓缸開始上升，上升的時間由PIW控制，當上升時間到達時斷開中間繼電器，此時液壓缸開始下降。通過預設的下降時間能夠控制整個液壓缸運動的頻率，從而實現控制破碎機破碎程度的目的。通過控制人機界面上的控制按鈕能夠準確的控制相關繼電器的通斷，從而實現液壓缸的重復運動。圖3中模塊MOV_W為模擬量和數字量的轉換模塊，SUB_R為減法器。整個系統通過PID模塊來達到速度控制的自動化。

圖3 電磁閥控制梯形圖

4 結語

設計一套基于PLC的破碎機自動控制系統，通過工業性試驗表明其功能實現完整，穩定性高，符合工業實際生產要求。能夠有效降低溜煤眼堵塞的概率，同時由于該系統具有一定的智能性，有效減少工人的工作強度，為礦井實現無人化或者是少人化操作打下基礎。