白希 龐德龍

北方重工集團(tuán)有限公司 遼寧沈陽 110000

隨著西門子PLC設(shè)備的不斷升級(jí)換代，1994年SimaticS5系列逐漸被SimaticS7系列替代，S7系統(tǒng)能完全替代S5的所有功能，在運(yùn)算方面、穩(wěn)定性、抗干擾性以及系統(tǒng)冗余方面都有很大的提升。我廠破碎機(jī)于2002年投產(chǎn)使用，當(dāng)時(shí)采用的是S5-95U控制系統(tǒng)，由于近期PLC主機(jī)故障頻發(fā)，導(dǎo)致設(shè)備無法穩(wěn)定可靠運(yùn)行且備件極其緊缺，因此決定對(duì)破碎機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造[1]。

1 破碎機(jī)PLC控制系統(tǒng)

破碎機(jī)PLC控制系統(tǒng)主要由電控柜和其他設(shè)備組成，電控柜中西門子PLC程序控制器是控制柜的核心部件，PLC程序控制器是西門子S7-1200可編程序控制器，而且還包括西門子數(shù)字?jǐn)U展模塊、模擬擴(kuò)展模塊、遠(yuǎn)程通信模塊。輔助控制電氣元件還有變壓器、斷路器、變頻器等。變頻器的工作主要是精確控制破碎機(jī)履帶行走；變壓器是將礦區(qū)高壓輸電轉(zhuǎn)換成配電柜及相應(yīng)設(shè)備所用電源的電壓；CAN通信系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備主要是用于PLC程序控制器和HMI觸屏控制界面之間的通信，并且用于破碎機(jī)遠(yuǎn)程操作控制信息的傳輸，對(duì)振動(dòng)設(shè)備、犁煤設(shè)備、皮帶傳送設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)進(jìn)行控制，能夠?qū)斔蜋C(jī)馬達(dá)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制，對(duì)料斗進(jìn)行升降控制。系統(tǒng)傳感元件主要用于把控油位、壓力、油溫等，輔助設(shè)備包括照明燈具、信號(hào)燈具、應(yīng)急停止開關(guān)、瓦斯檢測(cè)變送器等[2]。

2 改造方案的思路

2.1 硬件設(shè)備的替換

考慮到空間、成本、程序編寫等因素，將使用S7-300，CPU為312型來替換S5-95U。主要選擇該主機(jī)的原因有兩點(diǎn)：①S7-300基本上算是在S5基礎(chǔ)上升級(jí)優(yōu)化而來，大部分程序以及指令都有相通之處。在程序編譯和修改方面可以減少相應(yīng)的錯(cuò)誤；②目前公司有完善的S7仿真設(shè)備以及人員均具備S7-300的日常維護(hù)能力。

2.2 程序方面的升級(jí)

先對(duì)S5程序以及破碎機(jī)工作方式進(jìn)行整理，了解各個(gè)程序運(yùn)行模式以及運(yùn)轉(zhuǎn)過程，再通過整理對(duì)S7程序進(jìn)行重新編寫仿真。

3 改造方案的實(shí)施步驟

3.1PLC與變頻器選型設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)PLC控制器選用西門子公司的S7-200型，S7-200型PLC控制器操作簡(jiǎn)單，適用于小型自動(dòng)化控制系統(tǒng)，具有快速的數(shù)據(jù)處理能力；系統(tǒng)連接簡(jiǎn)便，組態(tài)處理方便；指令處理速度較快，縮短了系統(tǒng)執(zhí)行命令的循環(huán)時(shí)間；最多可增加3個(gè)擴(kuò)展模塊，芯片集成度高，節(jié)省了系統(tǒng)空間；具有功能強(qiáng)大的編程器和編程軟件。S7-200型PLC具有運(yùn)行和停止2種模式，當(dāng)系統(tǒng)處于運(yùn)行模式時(shí)，控制器執(zhí)行用戶程序來滿足系統(tǒng)的控制要求；當(dāng)處于停止模式時(shí)，處理器不執(zhí)行用戶程序，用戶在此模式下設(shè)置系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，并將從編程軟件創(chuàng)建、編輯、編譯好的程序和數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺PU處理器當(dāng)中。除了受到控制工作模式的轉(zhuǎn)換以外，系統(tǒng)還可以通過軟件控制的方式調(diào)節(jié)控制器的運(yùn)行和停止。在對(duì)變頻器選型時(shí)，考慮破碎機(jī)負(fù)載不均勻，工況惡劣，本文最終選用西門子公司生產(chǎn)的MM440型號(hào)變頻器，其適用于高級(jí)矢量控制系統(tǒng)，可在負(fù)載突然變化的情況下保證高驅(qū)動(dòng)性能。MM440變頻器具有快速的輸入響應(yīng)，內(nèi)部帶有制動(dòng)斬波器，在制動(dòng)時(shí)保障設(shè)備安全穩(wěn)定停止工作。

3.2 控制方式設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)選用PLC控制器作為系統(tǒng)的核心處理器，PLC可編程控制器主要由CPU模塊、電源模塊、I/O模塊以及通信模塊等組成。PLC控制器在編譯程序時(shí)較為簡(jiǎn)單，即可使用代碼語言編程也可使用梯形圖編程，工人在實(shí)際操作中操作簡(jiǎn)單，上手速度快。市場(chǎng)上PLC技術(shù)完全成熟，在工程控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，不論是在編程還是在配套軟件方面都具有完整的技術(shù)支持，并且具有良好的兼容性，通訊接口傳輸信號(hào)穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，在復(fù)雜環(huán)境下仍然具有穩(wěn)定的工作能力，減少誤差。系統(tǒng)對(duì)破碎機(jī)控制的方式選用變頻驅(qū)動(dòng)速度閉環(huán)控制，首先給系統(tǒng)設(shè)定1個(gè)速度值輸入給PLC，控制器通過控制變頻器改變電機(jī)的輸入頻率來改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，安裝在電機(jī)輸出軸的速度傳感器將速度信號(hào)傳輸?shù)絇LC控制器，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中速度信號(hào)的測(cè)量可使用光電編碼器實(shí)現(xiàn)[3]。

3.3 對(duì)原功能的優(yōu)化

原有S5報(bào)警出口只有一個(gè)，在排查故障和監(jiān)護(hù)運(yùn)行情況下不夠明朗。為增強(qiáng)故障可見性，為此在原有主程序不變的情況下，設(shè)置獨(dú)立故障報(bào)警出口，以便利用PLC指示燈讀出故障原因。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC的破碎機(jī)變頻控制系統(tǒng)來替代傳統(tǒng)的繼電器控制方式，系統(tǒng)通過在電機(jī)輸出軸安裝編碼器的方式檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過引入PID控制器調(diào)節(jié)優(yōu)化了動(dòng)態(tài)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)變頻驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)調(diào)速控制，PLC控制器與變頻器之間采用USS協(xié)議進(jìn)行通訊，控制器與上位機(jī)采用CAN總線的通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力?？刂葡到y(tǒng)的應(yīng)用將會(huì)降低設(shè)備工作時(shí)的消耗，實(shí)現(xiàn)破碎機(jī)的軟起動(dòng)，減少設(shè)備在受到?jīng)_擊時(shí)所造成的損壞，降低了故障發(fā)生率，提高了破碎機(jī)的穩(wěn)定性與可靠性。