臂式堆取料機電氣控制系統優化設計研究

任世超 邢高舉 潘恩思

摘 ?要：控制系統作為堆取料機的核心部分，主要負責控制堆取料機的運動和操作。該文以Z港口臂式堆取料機的控制系統改造為例，簡述PLC控制系統的優勢，介紹Z港口現有堆取料機控制系統存在的不足，然后從配電系統、PLC系統、網絡通信方面對控制系統進行優化改造。改造后的電氣控制系統以PLC為核心，以現場總線作為連接外部設備和PLC主從站的通信工具。在改造部分主要對機構配電方案、硬件選型、網絡通信方案進行論述，控制系統改造后經過現場調試，驗證控制系統的安全性和可靠性，有效提升堆取料機的作業效率。

關鍵詞：堆取料機；電氣控制系統；PLC；模塊；現場總線

中圖分類號：TH24 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）18-0128-04

Abstract： As the core part of the stacker and reclaimer， the control system is mainly responsible for controlling the movement and operation of the stacker. Taking the control system transformation of Z port arm stacker and reclaimer as an example， this paper briefly describes the advantages of PLC control system， introduces the shortcomings of the existing stacker and reclaimer control system in Z port， and then optimizes the control system from the aspects of power distribution system， PLC system and network communication. The modified electrical control system takes PLC as the core and the field bus as the communication tool to connect the external equipment and the PLC master-slave station. In the transformation part， the power distribution scheme， hardware selection and network communication scheme are mainly discussed. After the transformation of the control system， the safety and reliability of the control system are verified， and the operation efficiency of the stacker and reclaimer is effectively improved.

Keywords： stacker and reclaimer; electrical control system; PLC; module; fieldbus

堆取料機作為大型高效的裝卸機械，常用于大型干散物料搬運場所，廣泛應用于各大港口、鋼企、礦山和電廠中。堆取料機承擔著繁重的生產任務，通常需要進行連續性的挖取、堆放任務，工作環境較為惡劣，為了保證堆取料機的安全高效生產，需要有性能穩定的控制系統，對設備的運動和操作進行精準穩定的控制[1]。隨著我國經濟的快速發展，Z港口堆場的煤炭堆存能力大幅提升，原有的堆取料機已經無法滿足生產需求，不僅要提升設備自身的堆取料能力，而且還要對控制系統進行升級改造，以適應港口的生產需求。在機械制造業逐漸向智能化、數字化、信息化方向發展的背景下，控制系統也需要相應的優化改造，基于PLC的電氣控制系統設計，可實現對堆取料機的實時監視、控制、綜合管理。通過與軟件開發、網絡通信、數據管理等多項功能的集成應用，可構建設備管理監視系統，對堆取料機進行狀態監控、故障排查、維護提醒和生產記錄等一體化管理，切實提升堆取料機控制系統的智能化水平[2]。本文以Z港口臂式堆取料機電氣控制系統優化改造為例，闡述了基于PLC的控制系統設計在提升堆取料機作業能力方面的效能。

1 ?PLC控制系統的優勢

電氣控制系統作為臂式堆取料機的核心，系統的穩定性、可靠性及智能化水平直接關系到設備運行的穩定性和作業效率。早期的電氣控制系統主要采用繼電器-接觸器控制系統，各電器元件會按照一定的接線方式組成控制系統，實現機電傳動系統運行性能的控制和保護。繼電器-接觸器控制系統中會使用大量的電器元件，占地面積大，耗能多，故障率高，因為安裝于電器柜內，所以改造難度高。可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）在電氣控制系統中的應用，是對電氣控制系統的重要改革。PLC作為一種數字運算操作的電子系統，其設計就是為了適應工業生產的微型計算機。PLC擁有超強功能的編程元件，編程簡單易操作，系統設計、安裝、調試工作量少，維修方便，可靠性高，所以已經逐漸代替傳統繼電器-接觸器的控制技術。在通信技術的加持下，可將多個PLC配置在一起，進而擴展系統的控制能力，提高系統的可靠性[3]。使用同軸電纜進行信號傳輸，可減少電纜和繼電器的使用量，降低故障的發生頻率，進一步提升系統運行的穩定性。PLC控制系統可以實現數據的實時傳輸、處理、連鎖，所以在本次電氣控制系統改造中選擇使用PLC。

2 ?Z港口堆取料機電控系統存在的問題

Z港口現有臂式斗輪堆取料機已經投產運行十幾年，為了保證港口堆場正常運行，一直處于高負荷運轉狀態，而且港口堆場鹽分高、環境潮濕、煤塵多，加劇了電氣設備的老化。堆取料機使用的還是繼電器-接觸器控制系統，該系統占地面積較大，受到電器柜的限制不便于進行功能擴展，系統發生故障時不利于檢修，系統控制的設備中很多老舊的配件已經無法滿足Z港口堆場的煤炭堆卸需求。連接控制系統的電纜已經出現嚴重的龜裂、破皮、斷股等現象，導致控制信號無法穩定的傳輸，對生產作業的安全性和穩定性造成嚴重影響。控制系統中的接線箱、轉接箱、接線端子等硬件設備老化嚴重，增加了系統發生故障的頻率。在信息化和智能化生產時代，由于系統的控制方式較為落后，對于設備運行過程中的數據檢測不及時、不全面，控制系統無法精準地掌控設備的實時運行狀態，導致系統發出動作指令的時間延遲且不夠精準，老舊的控制系統無法實現無人化生產作業，影響到Z港口堆場的作業效率。無論是提升堆場作業效率，還是減少設備故障，對堆取料機電氣控制系統進行升級改造都勢在必行。

3 ?Z港口堆取料機控制系統配電設計

3.1 ?堆取料機控制系統的配電方案

針對原有設備配電系統存在的不足，對配電系統進行了重新設計。臂式堆取料機的電源由地面變電所的10 kV饋電回路，利用電纜輸送至堆取料機地面高壓接電箱，然后再通過電纜卷筒和集電環引到機上高壓電氣房的高壓進線柜[4]。堆取料機上機為三相四線AC10 kV電源，由高壓進線柜再引至主變壓器、輔助變壓器和中繼皮帶1#驅動電機、中繼皮帶2#驅動電機中，如圖1所示。

圖1 ?堆取料機控制系統配電系統圖

3.2 ?堆取料機主要機構配電系統設計

堆取料機各個傳動機構的動力都由上機電源通過主變壓器和輔助變壓器來提供，為了保證配電系統運行的安全性，主變壓器和輔助變壓器會選用高壓斷路器進行保護。AC10 kV上機電源經過主變壓器后得到AC380 V、50 Hz的低壓電源，為大車行走、臂架俯仰、回轉機構和斗輪機等主要運行機構的驅動回路供電。AC10 kV上機電源經過輔助變壓器得到AV380 V、50 Hz低壓電源，主要為斗輪液壓沖刷電機、皮帶機制動器、電纜卷筒等供電。經過與負責維修的電氣工程師交流，結合設備及現場的運行工況，對堆取料機各機構電機進行選型，并設計符合系統需求的參數，詳見表1。

表1 ?堆取料機主要機構驅動電機參數

以表1的電機為核心，對堆取料機各機構都重新進行了配電設計，并且都做好了相應的可靠性設計。比如在大車行走機構和回轉機構配電設計中，經過主變壓器獲取的電源通過變頻器主回路，可實現調壓調頻且產生再生電能，還設計了外置型制動單元以防止電機急劇降速或者負載過大而損壞電氣設備，在制動電阻過熱時能夠快速切斷回路以實現對電氣設備的保護。在其他機構中也設計了傳感器和檢測開關等安全檢測和保護裝置，可進一步提升電氣設備運行的安全性和可靠性。

4 ?Z港口堆取料機PLC控制系統設計

4.1 ?堆取料機控制系統組成

針對Z港口堆場干散貨粉塵較大、機械設備在重載運行狀態下發生振動的特點，在改造方案中選擇PLC控制器作為臂式堆取料機控制系統的核心，由幾個獨立的控制子系統組成，如圖2所示。PLC可解決繼電器-接觸器控制邏輯不易改變的問題，通過更改PLC內部程序即可改變控制邏輯，控制系統更加靈活，故障率也會下降[5]。

圖2 ?堆取料機控制系統組成

改造后的控制系統配置1個主站和3個從站，PLC主站設置在上部電氣房內，實現PLC主從雙級控制。該控制系統中所有可接收到的數字量信號都會傳輸到PLC控制系統中，然后PLC控制系統會結合內部的系統程序，向電動機、變頻器、接觸器等發出控制信號，驅動變頻器和各機構的電機運轉，從而實現對堆取料機的控制。整個系統執行末端的運行狀態都會通過以太網傳輸顯示在主站觸摸屏上。

4.2 ?堆取料機 PLC 硬件選型

4.2.1 ?PLC主站硬件選型

在堆取料機PLC控制系統硬件選型時，應該注意以下問題。先要計算出控制系統中最少需要I/O輸入輸出點數，在此基礎上再額外增加至少10%的預留量，為了功能擴展和模塊損壞備用。PLC的選擇要保證能夠滿足堆取料機各機構的控制需求，并且能夠在港口堆場環境中穩定運行，具有高效的通信能力，保證信息傳輸速度和精準度[6]。鑒于以上考量，在改造方案中選用YASKAWA CP-317 作為系統控制器，主要由電源模塊、主板模塊、I/O通信模塊組成。PLC主站設置在上部電氣房內，其模塊選型和數量配置見表2。

表2 ?PLC主站模塊

該方案選擇的電源模塊會向主站中的每個模塊供電，具有斷電自檢功能，且在電壓發生變化時，系統可選擇重新啟動。方案中選擇的主板模塊在突然斷電的情況下，能夠將程序和數據完整地保存下來，可采用不同速率模式執行程序。通信模塊可以通過協議接口與外部設備建立連接，模擬輸入模塊的內部通道數可根據主站決定。

4.2.2 ?PLC從站模塊選型

在升級改造方案中設計主從站模式，主要是因為系統控制的硬件設備較為分散，在被控設備處設置PLC從站，既能夠減少檢測與控制信號的電纜，又能夠降低維修工作成本。設置PLC從站還能夠緩解輸入輸出點數不夠的缺陷，在需要增加控制點時，可在從站處增加模塊，以此來滿足堆取料機對各機構控制點數的需求。該方案中的PLC主站設置在上部電氣房內，主站具有通信主動權，從站負責與主站之間的數據交換，并且接受主站的命令對堆取料機各機構進行控制。從站的硬件設計主要包括電源模塊、主板模塊、I/O模塊，在模塊選型時，除了估算現需的I/O點數，還要考慮功能擴展、后期改造及損壞等需求。方案中電源模塊選擇PS22A型號，主板模塊選擇215RIO型號，I/O模塊選擇2000系列產品，其中I/O模塊的型號、數量配置見表3。

表3 ?PLC從站I/O模塊配置

4.3 ?PLC主站通信網絡方案設計

臂式堆取料機作為大型機械設備，控制系統需要控制的設備較為分散，需要監測的信號點位較多，為了保證數據信號的穩定傳輸，PLC主站采用了215、216、RS485和以太網等多種通信方案，堆取料機與中控室通過光纖和無線2種方式通信。CP-317主站通過215接口與下部電氣房、司機室的PLC從站之間進行通信，在雙絞股線中間選用中繼器作為雙絞股電纜和硅石光纖電纜的中繼，可延長傳輸距離。CP-317主站通過216接口與行走、回轉結構的變頻器進行通信，使用雙絞股線作為傳輸媒介。主站通過217模塊的RS232與PLC控制面板進行連接，便于人員操作，在RS-232上使用屏蔽電纜來降低噪音。使用RS485通信電纜與斗輪、懸臂的軟啟動器連接。PLC與工控機的通信使用以太網連接，利用PROFIBUS DP實現與行走、回轉、俯仰絕對值編碼器的通信。CP-317主站通信回路設計如圖3所示。

圖3 ?CP-317主站通信回路

5 ?改造效果

Z港口堆場臂式堆取料機控制系統經過改造后，PLC系統中的程序可隨時改動，擴展性能更加，控制功能大大提升。因PLC處于定期循環狀態，所以系統受制約時間較短。經過一段時間的運行，電氣控制系統運行穩定，故障率大大降低，作業量得到顯著提升，為提升港口堆場的生產效率提供了重要保障。

6 ?結束語

本次針對Z港口堆取料機的電氣控制系統的升級改造，主要從配電系統、硬件選型、網絡通信幾個方面進行簡要論述，其他方面沒有進行相關闡述。控制系統經過改造后的堆取料機，作業效率大幅提升，系統的控制性能更加穩定。因為本次電氣控制系統優化改造是在港口堆取料機原有基礎上進行的，受到設備原有結構及各部件的性能影響，控制系統的改造方案并不是最佳的控制方式。隨著人工智能和物聯網技術的快速發展，在港口和設備等各方面條件允許的情況下，還可以對堆取料機的電控系統進行更加高效的升級改造，實現港口作業的智能化管理，全面提升設備堆取作業效率，提升系統的穩定性和可靠性。

參考文獻：

[1] 沈盛陽，胡鵬，劉呂昌.基于PROFIBUS通訊實現PLC對絕對值編碼器的應用[J].鍛壓裝備與制造技術，2020，55（2）：73-75.

[2] 劉俊武.基于無線網橋的冗余通訊鏈路在斗輪堆取料機通訊中的研發和運用[J].中國水運（下半月），2022，22（12）：59-60.

[3] 張鑫，趙新宇，趙學剛.變頻調速在斗輪堆取料機行走控制系統中的應用[J].內蒙古煤炭經濟，2022（1）：168-170.

[4] 楊文英，高靜.智能一體化生產控制平臺在火電廠斗輪堆取料機無人作業系統中的應用[J].中國設備工程，2021（17）：32-34.

[5] 李海濤，薛家陽，李軍，等.火電煤場門式斗輪堆取料機自動控制系統的研究及應用[J].自動化應用，2023，64（9）：48-50.

[6] 吳吉，何干祥，潘宏生，等.1050MW機組煤場堆取料機控制系統的改造[J].上海電氣技術，2023，16（1）：59-61.