刮板鏈自動拆裝PLC控制系統設計*

賀藝博，周好斌，徐向前，賈 寧，董 陽

(西安石油大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710065)

0 引 言

刮板輸送機是現代化采煤工藝中不可或缺的重要設備。鏈條和刮板等是刮板輸送機的重要組成部件，實際工作時將刮板固定在鏈條上組成刮板鏈。在維修過程中，需要將刮板與鏈條進行拆卸與裝配，隨著工作面的長度不斷增加，鏈條的長度及刮板的數量也逐漸增加，因此要頻繁地進行拆裝鏈條的操作[1]。實際生產中，一個工作面的鏈條長達幾百米，刮板上百個，目前國內的拆裝過程基本是通過人力完成，人工拆裝的工作效率低，勞動強度大，容易引發不安全事故。因此，急需開發研制能用于刮板輸送機中刮板鏈自動拆裝的設備。PLC作為一種新型控制元件有著結構簡單、通用性好和功能較完備的特點，在用于工業控制中，其抗干擾能力強能夠提高系統的可靠性和穩定性以及生產效率[2]。因此，設計一種刮板鏈自動拆裝PLC系統是十分必要的。

1.刮板鏈自動拆裝控制系統總體設計

1.1 刮板鏈自動拆裝系統總體結構及工作原理

此次設計中的刮板鏈自動拆裝控制系統由刮板輸送裝置、拆裝裝置、鉆銑裝置和牽引裝置四個部分組成。該控制系統的動力源主要由液壓缸和變頻電機所提供。圖1為刮板鏈自動拆裝控制系統示意圖。

圖1 刮板鏈自動拆裝控制系統示意圖

刮板由輸送裝置運送到指定工作臺，到達指定位置后，拆裝裝置的單側可動氣缸爪手將刮板推入固定的拆裝位置。拆裝裝置前部靠板上的兩個升降液壓油缸，其中一個控制伺服電機對上刮板上螺絲的拆卸，另一個液壓油缸使整個前部靠板上升，背部靠板上的液壓油缸控制下刮板下降，當上下刮板完全分離后，拆裝裝置頂部的直流無刷電機驅動整個拆裝部分橫向移動至鏈條上方，各液壓油缸共同控制下上下刮板朝鏈條方向移動并完成螺絲的緊固。然后由牽引裝置將裝配好的刮板鏈向前移動至鉆銑裝置的工作位置，由步進電機完成對刮板鏈上螺絲的鉆銑。整個過程完成后由位置傳感器發出信號并反饋給PLC，進入下一個刮板的拆裝。

1.2 刮板鏈自動拆裝控制系統總體設計思路

控制系統總體設計主要采取經典的順序控制，采用模塊化的控制思想，便于調試。根據所需工藝流程，選取了以PLC為控制核心，整個拆裝模塊的橫向移動通過變頻直流電機驅動，根據移動拆卸刮板移動至鏈條上方的參數計算出步進電機每次所需移動的位移量，將拆裝模塊的位移量轉化為脈沖信號的個數，PLC發出脈沖信號，控制電機轉動，在起點與終點處裝有限位開關用來行程保護，實現精確定位。PLC通過控制繼電器帶動電磁閥動作，從而對刮板鏈自動拆裝系統中的液壓油缸進行控制，實現刮板的移動定位。圖2為刮板鏈條自動拆裝控制系統的原理框圖。

圖2 自動拆裝控制系統原理框圖

2 自動拆裝控制系統的硬件及原理

針對所需的自動拆裝工藝流程，需要自動拆裝設備進行有效的控制，文中選用西門子編程控制器(PLC)控制，與觸摸屏模塊、變頻器控制系統、模擬量輸入模塊等共同實現整個現代電氣控制系統。用于刮板拆裝模塊移動以及自動拆裝螺絲的電機均選用直流無刷電機，由艾思控AQMD6030BLS直流有感無刷電機驅動器進行位置控制。液壓油缸有PLC數字量輸出點控制，置位與復位分別實現推出與返回，液壓油缸的置位復位狀態用觸摸屏顯示。

2.1 PLC選型

可編程邏輯控制器(PLC)是一種專為工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子系統。通過可編程的存儲器，在內部完成算數運算、定時器、計數器和邏輯運算等操作指令，通過數字量、模擬量的輸入輸出，達到控制目標[3]。

S7-200 SMART是由西門子公司推出的一款緊湊型、模塊設計化的PLC。其設計高效緊湊、組態靈活且具有功能強大的指令集，適用于單機小型自動化系統、小型運動控制系統和過程控制系統[4]。本項目選用CPU ST60，晶體管輸出型(DC)。支持36路數字量輸入和24路數字量輸出，配合西門子smart line 觸摸屏能夠很好的滿足控制需求[5]?？刂葡到y硬件架構如圖3所示。

圖3 控制系統硬件架構圖

2.2 電機選型及其原理

直流無刷電機既具有交流電動機結構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優點，又具有直流電動機運行效率高、調速性能好等諸多的優點。直流無刷電機最重要的部分就是它的控制結構，它的驅動器可以控制轉子維持在一定的轉速，性能更加的穩定。本項目采用普菲德130BYF350E-N型號的直流無刷電機，驅動裝置選用艾思控AQMD6030BLS直流有感無刷電機驅動器。

2.3 電磁閥、傳感器等硬件

文中采用直動式電磁閥，通電與斷電直接驅動電磁鐵推動閥芯運動來控制流體的通與斷，達到閥門打開和關閉的控制。通過PLC對電磁閥開關量的控制，達到對液壓缸推動的位置控制。傳感器以及限位開關。對拆裝裝置和鉆銑裝置中用于位移的伺服電機和液壓油缸安裝限位開關，有效的增加位置控制的精確性和安全性。

3 控制系統軟件設計

控制系統的軟件設計主要包括PLC程序設計和人機界面設計。PLC程序設計采用西門子公司開發的STEP7- Micro/ WIN SMART軟件設計完成，使用梯形圖的方式，軟件編寫采用模塊化設計[6]。通過軟件能夠實現對刮板的提升、放下的工作過程。控制系統進行螺絲的拆裝與鉆銑，能夠檢測系統的運行狀態和故障狀態，對系統的各項參數進行實時監測。當刮板鏈自動拆裝設備出現未到位、螺絲未擰緊等故障時，能夠自適應調整并將故障信息傳輸至人機交互界面。

3.1 PLC程序設計

PLC程序設計分為自動控制模式和手動控制模式。拆裝系統選擇自動運行模式時，此時系統將連續運行直至整個刮板鏈拆裝過程結束。當需要進行手動操作時，操作人員可以通過人機交互界面將PLC程序切換為手動運行模式，此時能夠對刮板鏈條拆裝系統的各個動作進行單步操作，也能夠對系統手動復位。圖4為系統結構流程圖。

圖4 系統結構流程圖

3.2 人機界面設計

人機界面設計采用Smart Line V3系列操作面板，編程方面采用WinCC Flexible SMARY 組態軟件，具有監視與記錄功能，由于占用內存小，用起來靈活方便。人機界面包括初始畫面、參數設置、主操作界面以及報警信息四個模塊組成。初始化面用于顯示各個模塊界面的切換以及公司的介紹。參數設置，主要對自動拆裝過程中需要的行程參數和速度參數進行設定與修改。主操作界面，主要包括手動運行畫面和自動運行畫面。報警信息，主要用于顯示刮板自動拆裝過程中的故障，能夠判斷并顯示在觸摸屏上。

4 結 語

基于PLC為控制核心，設計了刮板鏈條自動拆裝控制系統。該控制系統能夠實現刮板鏈條拆裝生產線的自動運行，解決了刮板鏈螺絲的自動拆卸與裝配過程。經測試，控制系統有效提高刮板鏈條拆裝效率，擺脫了過去靠人工拆裝過程，減輕工人勞動強度并提高工人的安全系數。能夠實現刮板輸送、刮板移動與定位、螺絲的拆裝與鉆銑和刮板鏈牽引的自動運行，拆裝過程各工位參數穩定，受人為因素影響小，其工作的穩定性與效率滿足技術要求，生產效率高。