劉辰龍++陳先林++ 楊蘭菊++劉宇昊

摘 要：傳統(tǒng)的繼電器-接觸器裝置電氣控制系統(tǒng)在水泥固化線輥道控制系統(tǒng)中存在著控制精度低、檢修不便、故障率高、抗干擾能力差、不穩(wěn)定、通用性和靈活性差、修改控制時需要重新設(shè)計布線等缺點。針對水泥固化線輥道控制系統(tǒng)的要求，選擇了具有一系列優(yōu)點的PLC控制系統(tǒng)對水泥固化線輥道進行控制。該文簡要分析了用西門子S7-300型PLC實現(xiàn)水泥固化線輥道控制的方法，設(shè)計了水泥固化線輥道控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)提高了輥道的控制精度、節(jié)約了輸入輸出點數(shù)、大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，又充分發(fā)揮了工控機良好的數(shù)據(jù)分析和處理的能力。實踐表明，該系統(tǒng)可以保證輥道的安全、可靠、準確運行。

關(guān)鍵詞：水泥固化線 輥道控制 PLC 控制 S7-300

中圖分類號：TP342+.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（c）-0124-03

可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為集三大技術(shù)（通信、自動控制、計算機）為一體，以微處理器為基礎(chǔ)發(fā)展起來的電子控制系統(tǒng)，表現(xiàn)出了很多優(yōu)點，如，具有較強的抗干擾能力、接口簡單維護方便、控制精度高，特別由于其自身具有較高的可靠性并對惡劣的工業(yè)環(huán)境有很強的適用性，同時如今的PLC控制系統(tǒng)在處理開關(guān)量、模擬量、位置控制、系統(tǒng)集中控制、通信接口等方面都有了很大提高，因而在工業(yè)控制領(lǐng)域占據(jù)重要地位[1]。而水泥固化工段是采用水泥固化工藝將反應(yīng)堆運行過程中的放射性濃縮液進行預(yù)處理、整備并形成穩(wěn)定的廢物包，以便運輸、暫存和處置的生產(chǎn)線。輸送輥道是水泥固化工段的主要設(shè)備之一，用于將200 L金屬桶自動傳輸?shù)礁鱾€指定的工位進行操作。在輸送固化桶的過程中，需要確保固化桶的精確位置。因此，采用PLC對系統(tǒng)的可靠性和安全性進行特殊設(shè)計，具有十分重要的意義。

1 水泥固化系統(tǒng)

輥道輸送線貫穿7個工位，由9段輥道組成，分別編號為輥道01～輥道09。包括7段直線輥道和2段旋轉(zhuǎn)輥道。其中空桶準備工位設(shè)置輥道01和輥道02（旋轉(zhuǎn)輥道）、過渡工位設(shè)置輥道03、濕料加注工位設(shè)置輥道04、水泥加注工位設(shè)置輥道05、封蓋工位設(shè)置輥道06、劑量檢測工位設(shè)置輥道07（旋轉(zhuǎn)輥道）、吊運工位設(shè)置輥道08、攪拌槳清洗桶暫存工位設(shè)置輥道09。輥道的控制決定著整個固化生產(chǎn)線的成敗。水泥固化系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

2 輥道控制方案

2.1 主要參數(shù)

（1）運行方式：間斷運行，每年完成4 000個200 L滿載桶的往復(fù)輸送。

（2）輥道傳輸速度為5 m/min。

（3）輥道輸送線的操作對象為200 L金屬桶，空桶重量50 kg，單桶裝料后的最大重量為450 kg。

（4）輥道均需能實現(xiàn)金屬桶的雙向傳輸（電機能正、反轉(zhuǎn)）。

2.2 控制功能要求

（1）桶在各工位需停下時，利用輥道電機適當提前停轉(zhuǎn)，或提前減速的方式，以減小固化桶對定位擋桶裝置的沖擊，同時保證固化桶準確的定位。

（2）采用光電裝置實現(xiàn)固化桶的定位。

（3）輥道分別采用手動控制和分段程序控制兩種控制方式，通過控制電機的正反轉(zhuǎn)，使固化桶產(chǎn)生前進或后退的定向直線位移。

（4）手動控制時，可單獨啟動每臺輥道電機正反轉(zhuǎn)。

（5）主要控制開關(guān)及其狀態(tài)指示包括：每段輥道的前進、后退和停止手動按鈕及其狀態(tài)指示、分段程序控制的啟動按鈕、停止按鈕和狀態(tài)指示等。

2.3 電氣控制系統(tǒng)

水泥固化線系統(tǒng)采用一一對應(yīng)的模式對輥道進行控制即固化線上的每段輥道對應(yīng)著一臺單獨的電動機，通過控制電機來實現(xiàn)輥道的運轉(zhuǎn)，為了滿足工藝要求保證精度，輥道2和輥道7采用變頻裝置對輥道進行控制。這種單獨的傳動控制模式可以保證輥道控制的可靠性、高精度、大大提高生產(chǎn)效率。在老式的水泥固化線設(shè)計中通常采用擋板來改變輥道方向或停止，所以固化線生產(chǎn)中擋板要一直與固化桶接觸，故擋板是固化桶運輸中的易損件。隨著控制技術(shù)的不斷進步，固化桶與擋板的接觸已經(jīng)從“硬碰硬”演變成了“軟著陸”[2]。該固化生產(chǎn)線通過采用常規(guī)電機、光電傳感器、限位開關(guān)、變頻裝置等，對輥道進行精確的定位與控制，實現(xiàn)固化桶的安裝可靠運輸。

該水泥固化線電氣控制系統(tǒng)包括中央處理器、開關(guān)量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、定位模塊、接口模塊、通信模塊、繼電器、光電開關(guān)、限位開關(guān)、變頻器等。在輥道上裝有光電開關(guān)和接近開關(guān)來對固化桶的位置進行定位，生產(chǎn)線窺視窗附近上安裝了就地操作箱，就地控制箱上裝有輥道位置監(jiān)測指示燈、輥道的正反轉(zhuǎn)和停止按鈕及狀態(tài)指示、故障指示。輥道位置信號和工作狀態(tài)檢測信號通過輸入模塊送入控制器，控制器發(fā)出指令信號并通過指示燈顯示。輸入信號有正反轉(zhuǎn)按鈕、中間繼電器的觸點信號等。輸出信號包括電磁閥、指示燈、繼電器等，它們以PLC為核心組成PLC控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)根據(jù)輸入模塊接收到的信號，執(zhí)行相應(yīng)的PLC程序，從而控制輸出回路的電器元件，進而驅(qū)動相應(yīng)的設(shè)備，實現(xiàn)水泥固化線輥道的控制。如圖2所示。

2.4 控制回路設(shè)計

2.4.1 減少輸入點法

在固化前區(qū)窺視窗附件設(shè)有就地控制箱，根據(jù)工藝要求及操作的方便性，同一設(shè)備的控制按鈕需要安裝在2臺控制箱上或3臺控制箱上。那么就相當于單體設(shè)備的多個地點啟動和多地點停止按鈕信號。為了減少輸入點，節(jié)約成本，將這些信號通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式合并，如圖3所示。圖中SB1～SB3為三地點啟動按鈕，SB4～SB6為三地點停止按鈕。采用減少輸入點法，將6個輸入點減少為2個輸入點。

2.4.2 分時分組輸入

分時分組輸入主要是針對不同時使用的兩個控制點來說的，當兩個輸入信號或多個輸入信號不同時使用時，一個輸入點可以重復(fù)使用[3]。水泥固化線固化前區(qū)的控制箱都有遠程和就地兩種控制狀態(tài)，遠程控制和就地控制不會同時執(zhí)行。每種控制方式各有N個輸入信號，那么就要占用2N個輸入點。但采用分時分組控制法時，2N個輸入信號只需占用N 個輸入點，其原理圖如圖4所示。

2.4.3 控制回路的設(shè)計

水泥固化線控制系統(tǒng)中各設(shè)備信號回路采用電氣硬觸點帶動。PLC輸出點可以直接帶指示燈、電鈴等聲光信號裝置。但是，如果信號點數(shù)增多，相應(yīng)地要增加PLC輸出點數(shù)，同時就有可能增加輸出模塊的數(shù)量，使設(shè)備投資加大很多，而且PLC輸出點只能反應(yīng)控制程序執(zhí)行結(jié)果，并不一定是真正的設(shè)備動作狀態(tài)，可靠性自然難以保證。例如，PLC某輸出端有信號輸出，而接在該輸出回路上的接觸器線圈燒壞了，使該接觸器控制的電機沒有起動。如果采用PLC輸出信號去控制運行指示信號燈，當然就錯了[4]。因此，水泥固化系統(tǒng)中采用直接來自電氣控制柜的接觸器、開關(guān)輔助觸點，只有那些與系統(tǒng)中多個設(shè)備有關(guān)的顯示信號才以PLC輸出來帶動。

2.4.4 按鈕信號的輸入

輸入信號包括常閉觸點輸入和常開觸點輸入，圖5是輥道的輸入回路電路圖，SB2、SB3分別是正轉(zhuǎn)按鈕和反轉(zhuǎn)按鈕。SB2和SB3是將按鈕的常開觸點接到PLC的輸入模塊，那么梯形圖中的觸點類型與繼電器電路的觸點類型完全一致；對按鈕SB1來說，接入PLC控制系統(tǒng)的是按鈕的常閉觸點，那么梯形圖中的觸點類型與繼電器電路的觸點類型相反[5]。

2.4.5 控制回路的互鎖設(shè)計

在輥道的控制中，包括電機的正轉(zhuǎn)控制和反轉(zhuǎn)控制，如果兩個命令同時動作，會損壞執(zhí)行機構(gòu)，有可能還會造成嚴重的工業(yè)事故。即使使用PLC，在程序里做了互鎖，還是應(yīng)該用正反向接觸器輔助觸頭做硬線互鎖，因為有時因為各種原因，PLC的動作也會出錯[6]。當電機工作在正轉(zhuǎn)狀態(tài)時，正轉(zhuǎn)接觸器通過常閉輔助接點斷開反轉(zhuǎn)接觸器線圈的回路，使反轉(zhuǎn)接觸器不會因操作不當而閉合，反之亦然?；ユi控制電路能夠有效地防止電機同時工作在兩種工作狀態(tài)而引起的線路短路。如圖6所示。

2.5 PLC抗干擾措施

2.5.1 電源的抗干擾設(shè)計

在水泥固化線控制系統(tǒng)中，影響電源品質(zhì)的主要是外部供電電源和直接與電氣系統(tǒng)連接的儀控系統(tǒng)供電引起的干擾等。它們引起的諧波干擾，直接影響PLC系統(tǒng)的正常工作，比如控制的精度，嚴重時會引起指令的誤動作、錯誤的執(zhí)行指令。為防止水泥固化線控制系統(tǒng)的干擾，PLC的CPU模塊、I/O模塊、接口模塊、定位模塊及儀控系統(tǒng)的供電等都采用了隔離變壓器進行隔離。當PLC系統(tǒng)中的某個模塊出現(xiàn)故障時，其他模塊還會正常運轉(zhuǎn)，提高了系統(tǒng)的可靠性。如圖7所示。該系統(tǒng)還設(shè)計了UPS不間斷電源，當供電質(zhì)量不穩(wěn)定時，CPU可以通過UPS供電，保證了系統(tǒng)的安全運行。鑒于水泥固化線PLC控制系統(tǒng)干擾源的復(fù)雜性，除了采取了硬件措施，在軟件設(shè)計時也采取了相應(yīng)的措施，比如：濾波、設(shè)計定時器等。

2.5.2 電纜的選擇和敷設(shè)

水泥固化線室內(nèi)動力電纜采用WDZA-YJY-0.6/1kV電纜，控制電纜采用WDZA-KYJVP-系列屏蔽電纜，配電線路敷設(shè)為穿鋼管敷設(shè)和橋架敷設(shè)。

在電纜敷設(shè)時采取的措施[7]如下。

（1）電纜在橋架中的敷設(shè)為動力電纜和控制電纜分兩側(cè)布置，將對控制信號的影響降低到最小。

（2）根據(jù)傳輸信號類型選擇不同的電纜。

（3）動力電纜和控制電纜的敷設(shè)都是通過穿熱鍍鋅焊接鋼管的方式。

（4）利用光纖電纜進行遠距離信號的傳輸，例如PLC控制系統(tǒng)和主控室DCS的通訊就選擇了光纖傳輸。

2.5.3 接地

接地可以保證設(shè)備的正常運行以及人身的安全。水泥固化線PLC控制系統(tǒng)的地包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護地等。接地系統(tǒng)設(shè)計不合理或接地錯誤，容易造成接地點電位的不均勻分布，產(chǎn)生電位差，進而引起地環(huán)路電流，從而產(chǎn)生干擾信號，影響系統(tǒng)的正常工作[8]。

接地設(shè)計原則[9]：接地面是系統(tǒng)中所有電信號的公共點位參考點；流經(jīng)地線的設(shè)備的電流互不形成電流環(huán)路，避免地點位差的影響；流經(jīng)接地體的電流無電位差。為了更好地抑制干擾，PLC控制系統(tǒng)的接地和其他設(shè)備的接地應(yīng)獨立。如圖8所示。

3 結(jié)語

水泥固化線輥道控制系統(tǒng)的設(shè)計提高了輥道控制精度，增強了抗干擾能力、可靠性，節(jié)約了軟硬件成本，保證了固化桶的安全、可靠、準確運輸。

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