基于PLC 的圓錐式破碎機油站控制系統

周開平，吳志良

（廣西美斯達工程機械設備有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

圓錐式破碎機將大礦石破碎出合適尺寸的碎石，廣泛應用于建筑、冶煉、鐵路、公路、化工等行業，為國家建設與社會進步、資源有效利用、綠色環保做出突出貢獻。國內外圓錐式破碎機發展迅速，美卓礦機、山特維克等率先使用PLC 控制圓錐破碎機油站從而保護主機，采用先進液壓技術調整排料口大小。因受自動化發展水平影響，國內對破碎機控制系統的研究較為滯后，也逐漸將PLC 應用于圓錐式破碎機控制系統，如丁佳慧[1]采用S7-300PLC 控制代替了傳統的繼電器控制并增加了上位機WinCC 提供了方便快捷的界面進行控制；楊麗榮等[2]以PLC 為核心控制器觸摸屏為人機界面接收各個傳感器信號，實現了圓錐破碎機的自動控制改造。傳統的繼電器控制方式會增加柜體空間，增加線路、增加故障率與檢修率、現場啟停操作不便，不利于快速穩定生產。而采用PLC 控制圓錐式破碎機油站能夠降低主機故障率與檢修率，保障主機的潤滑降溫、主破電機的可靠運行，準確破碎出合適大小的石料，滿足生產要求。對優秀的PLC 控制系統需求日漸增加。為此，設計一套采用PLC 與人機交互界面HMI 控制圓錐式破碎機油站的系統。

1 油站控制系統結構

油站控制系統總體結構如圖1 所示，其由油站控制柜，油站、變頻器控制柜、主破碎電機、遙控器組成。油站控制系統主要分為潤滑系統控制、液壓系統控制兩部分?？刂茲櫥到y潤滑主機，降低主機內部溫度，避免損壞主機，保證主機穩定運行；控制液壓系統，調整排料口大小，過鐵保護、清倉、加壓?？刂葡到y的核心為PLC，PLC 可以接收多個開關量，模擬量信號，經過邏輯連鎖判斷輸出，對比傳統的繼電器控制，可減小柜體體積，接線方便、控制精準、節約成本。

圖1 系統總體結構

1.1 油站控制柜

油站控制柜控制油站各電機、電磁閥啟停，使得潤滑系統與液壓系統油路循環達到控制要求，接收各個傳感器信號，反饋至PLC 形成閉環控制。安裝方式為側邊安裝并增加減震墊，增加抗震效果。控制柜面板控制方式可分為手動盤手動控制，程序手動控制、程序自動控制、遠程遙控控制。前三種方式均可實現控制潤滑系統與液壓系統，遠程遙控控制可實現控制液壓系統。油站控制柜控制面板安裝有，人機交互界面、電源啟動按鈕、急停按鈕，加熱器，冷風機、潤滑油泵啟動按鈕及運行指示，遙控與就地切換開關，報警指示燈、蜂鳴器、手自動切換開關、增大排料口、減小排料口、加壓、清倉等按鈕。柜內布局有可編程邏輯控制器PLC、接觸器、熱繼電器、空開、隔離模塊、模擬量轉換模塊、線纜、中間繼電器、隔離變壓器、端子排、浪涌保護器等。根據電氣控制原理圖安裝柜體，柜內布線整齊工整，做好標記，強電弱電線纜顏色做區分、接線牢固，并做好接地。

1.2 油站

油站由潤滑泵，液壓泵、閥組、冷風機、加熱器、電磁閥、安全閥、傳感器、油箱等組成。油站系統分為兩個回路，潤滑油與液壓油控制回路，油箱用隔板隔開分別存儲潤滑油、液壓油。油站控制柜控制油站潤滑油通過進油管進入主機，再經過回油管流回冷風機冷卻，進入潤滑油箱。液壓油通過液壓泵進入閥組，控制電磁閥通斷實現排料口調節，加壓、清倉功能。

油站各傳感器功能。鎖緊缸壓力、保險缸壓力傳感器液晶顯示可實時讀取壓力值，圓錐破碎機工作時需保證壓力達到一定數值，拉住調整環和定錐以提供破碎力，當壓力短暫時間不足時經PLC 輸出自動運行液壓泵增加壓力，達到一定數值后自動停止，程序檢測10 min 內液壓泵啟動次數超過三次判斷系統故障不保壓，需停機檢查故障點。當潤滑過濾堵塞器、液壓油潤滑油液位傳感器、檢測堵塞、液位低時PLC 程序輸出指令，HMI 人機交互界面顯示故障發出聲光報警、液壓油與潤滑油液位傳感器。進油溫度高于45 ℃時PLC 輸出啟動冷風機命令，降低潤滑油溫度。加熱器溫度開關檢測油箱溫度低于20 ℃時PLC 輸出啟動加熱器命令。滿足以下條件時PLC 輸出命令停止破碎機保護主機：（1）鎖緊缸壓力、保險缸壓力傳感器壓力瞬間不足。（2）潤滑油出油壓力、潤滑油進油壓力傳感器當壓力低于0.1 MPa 或高于1.3 MPa。（3）水平軸壓力開關壓力高于設定值。（4）油箱溫度、出油溫度、進油溫度傳感器檢測溫度高于60 ℃。

1.3 變頻器控制柜

變頻器控制柜由變頻器，隔離變壓器、中間繼電器、聲光報警器、互感器、線纜、柜內散熱風扇等組成。變頻器控制柜裝在設備上，安裝方式為側裝并增加減震墊，增加抗震效果，柜內元器件安裝牢固，接線牢固。防塵防水達到戶外柜IP55 等級要求。

變頻器控制柜控制主破電機啟停、調壓調頻，正反轉等，用于變頻啟動，可降低電機瞬間啟動電流，減少對發動機的沖擊，充分利用發動機功率，減少啟動電機產生諧波進入發動機，使得主破電機平穩啟動。

變頻器的選型可根據控制需求，以及主破電機功率等條件選型。變頻器功率需等于或大一級主破電機功率。

根據變頻器操作說明設置相關參數，如啟動命令為鍵盤加外控，啟動信號、停止信號、故障信號等。操作說明可以獲取我們所需要的所有信息包括Modbus通信寄存器地址等，但有些廠家隨機配置的操作手冊是精簡版，可進入變頻器廠家獲取完成版的操作說明。PLC 讀取變頻器電流模擬量輸出信號，進入PLC隔離模塊，經模擬量轉換模塊，在HMI 上顯示電流。運行信號輸出至中間繼電器，控制柜內散熱風扇啟停，將運行信號傳回PLC，故障信號輸出至中間繼電器，當變頻器故障時，故障信號傳回PLC 由PLC 輸出命令停止破碎機，保護主機。互感器輸出電流信號至油站控制柜，在油站控制柜物理電流表上顯示。柜內配有10 m 長接地鍍鋅圓鋼，控制柜工作時需做好接地防護。

2 油站控制系統原理

油站控制系統原理圖根據項目數據，控制要求繪制。控制系統原理圖可用CAD、EPLAN 等軟件繪制。

2.1 主回路

如圖2 所示為控制回路主回路電路。主回路由總控開，控制回路空開、電機保護器、接觸器主觸點、電機等組成，負責用電設備的電源供給，當接觸器線圈得電時接觸器主觸點吸合，回路接通，電機啟動。

圖2 主回路電路

2.2 控制回路

如圖3 所示為控制回路部分回路電路圖。控制回路電源由24 V 供給，由保險絲、開關觸點、中間繼電器觸點、接觸器線圈等組成，負責控制接觸器線圈。PLC 接收各個傳感器開，開關、接觸器觸點、繼電器觸點等開關量模擬量信號輸入，經過邏輯判斷輸出信號使中間繼電器線圈得電從而控制接觸器線圈得電，主回路接通。

圖3 部分控制回路

3 油站控制系統程序設計

3.1 油站控制系統PLC 程序設計

根據項目需要統計輸入信號與輸出信號得到統計I/O 點數，輸入信號如開關，旋鈕、接觸器觸點、電流、電壓、壓力、液位、溫度等；輸出信號如電機啟動，報警、加壓、清倉、排料口增大、排料口減小等。統計得到油站控制系統I/O 點數：DI 點數28，DO 點數18、AI 點數6、AO 點數0，PLC 程序與控制原理圖I/O 點數一致。根據I/O 點數選擇PLC 及擴展模塊，本項目無脈沖，伺服等控制，PLC 選用繼電器輸出，PLC 品牌可根據實際情況選用，本次選用西門子PLCS7-200SMART{2}。PLC 程序控制要求：（1）程序具備一鍵啟動功能，在HMI 上按下一鍵啟動時，自動運行潤滑泵，潤滑主機，且各傳感器顯示無故障，經2 min 后自動運行主機。（2）程序可以手動運行與自動運行，并且可以切換。如加熱器手動/自動啟動、冷風機手動/自動啟動、潤滑泵手動/自動啟動、液壓泵手動/自動啟動等。（3）可以在人機交互界面HMI 修改程序設定參數，PLC 參數變量地址和HMI 關聯，如冷風機啟動溫度設定、加熱器啟動溫度設定、排料口大小設定、自動加壓壓力設定、進油出油壓力等。（4）讀取變頻器運行信號，經程序計算信號在線時間，在HMI 顯示設備運行時間，根據設備運行時間可判斷使用情況，是否質保等。（5）接近開關傳感器裝設于動錐齒輪盤邊，PLC接收接近開關傳感器信號利用計數器讀取齒輪轉動個數，根據齒輪轉動個數算出排料口大小，在HMI 上顯示。（6）壓力、液位、溫度、電壓、電流等信號進入模擬量模塊由程序計算出對應實際值在HMI 上顯示。如圖4 所示為讀取電流模擬量信號。（7）設備運行時具備液壓自動加壓功能給圓錐主機保險缸與鎖緊缸加壓。（8）根據變頻器以及傳感器等信號的輸入，如主電機過載、壓力過高、溫度過高、變頻器故障等，由程序判斷，做出停止主機運行的命令，主機停止時延遲6Min 關斷潤滑泵，繼續給主機潤滑。（9）根據傳感器等信號，做出報警輸出，在HMI 上顯示，以及聲光報警，設置靜音功能。（10）延遲3 s 接通電磁閥，保護電磁閥。（11）滿足壓力，溫度、電流等條件才允許給料進入圓錐破碎腔。（12）具備聯鎖保護。

圖4 PLC 模擬量部分程序

根據控制要求以及條件，輸入輸出、開關量、模擬量、連鎖保護等編寫程序。讀取主破電機電流。

3.2 人機交互界面HMI 設計

油站控制柜人機交互界面HMI 是操控油站控制系統的重要組成部分，其主要功能為顯示、控制系統的運行與停止，在HMI 上可操作程序自動功能，程序手動功能。HMI 畫面設計需整潔，清晰、有條理、層次分明根據控制系統要求設置頁面。HMI 變量地址需保證與程序變量地址一致。人機交互界面HMI 可根據實際情況選用，本次選用昆侖通態觸摸屏。

人機交互界面HMI 設計5 個操作頁面，除首頁外，每個界面上方均設置有報警滾動條，以便實時查看故障信息。（1）第1 個頁面為首頁顯示設備概況，時間、可操作登陸與退出。界面操作權限需不同身份人員登陸才能操作設置參數、清除報警記錄等，分為管理人員、調試人員、工作人員，所需密碼也不同。（2）第2 個頁面為生產工藝，顯示排料口大小、油箱溫度、進油壓力、出油壓力、鎖緊缸壓力、保險缸壓力、運行電流電壓等?？稍谠摻缑媲袚Q程序手動啟動功能與自動啟動功能如圖5 所示。當切換為程序手動模式，在界面可操作啟動各類小電機如加熱器、潤滑泵等；切換為自動模式時自動啟動控制系統，自動啟動潤滑泵，自動啟動液壓泵自動加壓，將定錐鎖緊在調整環上，避免設備運行定錐轉動，根據傳感器信號，當滿足控制控制條件時自動運行破碎機。（3）第3 個界面為參數設置，設定控制系統相關參數，如冷風機啟動溫度，加熱器啟動溫度、主破電機額定電流、互感器變比、鎖緊缸與保險缸設定壓力等。該界面需權限才可操作。（4）第4 個界面為設備啟動流程，顯示啟動流程中各設備的運行狀態。運行狀態可顯示為不同顏色，當設備啟動流程中某項條件未滿足時或故障，顏色顯示為紅色，清晰明了故障點，故障消除后正常顯示為綠色。（5）第5 個界面為報警記錄，當發生故障時，HMI 生成報警記錄并指示如何檢查故障點，頁面設置有報警清除按鈕，報警記錄刷新按鈕，頁面讀取變頻器運行信號，PLC 程序計算得出設備工作時間在該頁面顯示。

圖5 HMI 生產工藝部分界面

4 系統驗證

為了檢驗設計，進行了如下驗證：（1）手自動模式潤滑泵，液壓泵、冷風機、加熱器是否能夠正常運行。（2）是否能夠調整排料口大小。（3）加壓、清倉功能是否正常。（4）主機運行溫度是否正常。（5）各電機運行電流、電壓是否正常。（6）各個傳感器信號是否正常，能否自動開啟風冷機、加熱器。（7）主機溫度過高、過載、電流過高、壓力不正常等情況是否能夠自動停止主機且潤滑泵延遲停止。（8）人機交互界面是否能正常顯示電壓，電流、溫度、壓力等工藝參數。（9）是否能夠在人機交互界面運行各個電機、調整排料口等功能。（10）人機交互界面是否能夠顯示報警記錄，報警清除、報警滾動條顯示等功能。

油站控制系統驗證方法：（1）檢測硬件，軟件、控制柜接線、電氣元器件、油箱加注潤滑油、液壓油等。（2）將程序下載至PLC 與HMI，檢查輸入輸出點是否與電氣原理圖一致。（3）分別測試手動/自動模式，按下油站控制柜，人機交互界面、遙控器對應按鈕，查看對應功能是否實現。

經過驗證，手動/自動模式下，各個電機正常運行；聯鎖功能正常；實現調整排料口，加壓、清倉等功能；人機交互界面正常顯示壓力，電流等工藝參數，正常報警及顯示報警記錄。圓錐破碎機穩定運行，如圖6 所示。

圖6 驗證運行

5 結語

在控制系統PLC 程序編程中，應采用簡單的指令與思路去完成復雜的控制，只有不能實現控制功能時，才使用復雜的指令，增加程序的可能靠，減少程序漏洞。完成圓錐式破碎機油站控制系統設計后，應關注設備工作狀態，采集電流數據、系統故障等，以便優化程序，達到最優控制。