羅偉奇

（湖南長重機(jī)器股份有限公司，湖南 長沙 410005）

半門架刮板取料機(jī)是一種執(zhí)行取料作業(yè)的機(jī)械設(shè)備，近年來，原料場已逐步實現(xiàn)生產(chǎn)工藝的自動化改造升級，基于PLC 技術(shù)改良機(jī)械設(shè)備的控制性能，為取料作業(yè)自動化與生產(chǎn)效率提升提供技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)設(shè)計及有限元分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該設(shè)備主要由門架、取料臂、卷揚提升裝置、固定端梁和擺動端梁等機(jī)構(gòu)組成，在取料臂的臂架上設(shè)有刮板鏈系統(tǒng)，當(dāng)電機(jī)啟動后將帶動減速輪轉(zhuǎn)動，利用鏈輪牽引刮板鏈沿縱向刮取散狀物料。當(dāng)行走端梁沿軌道往復(fù)運行時，刮板系統(tǒng)將在刮板臂架的支撐下沿橫向刮取散狀物料。通過依據(jù)預(yù)先設(shè)定好的吃料深度調(diào)節(jié)臂架懸掛角度，即可逐層刮取物料至取料量設(shè)定值，達(dá)成取料作業(yè)目標(biāo)。

1.2 參數(shù)設(shè)計

設(shè)某長形料場堆積的物料種類為鐵精粉，其容重為2.7t/m3、粒度≤0.4mm、堆積角介于25°～40°、含水量為10%。該設(shè)備的重要參數(shù)包含以下兩種：

其一是行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動功率，在取料作業(yè)的工況條件下，負(fù)荷阻力主要由軌道對車輪的阻力、車輪軸承阻力、沿前進(jìn)方向的刮板切削阻力三部分組成。設(shè)機(jī)重為G、滾動力臂為K、車輪半徑為r、滾動軸承滾動半徑為r’、軸承摩擦系數(shù)為f、鏈載荷長度為L、每米刮板鏈物料輸送量為Gf、材料摩擦系數(shù)為uf、刮板阻力系數(shù)為us，其負(fù)荷阻力、驅(qū)動功率的計算公式分別為：

其二是刮板系統(tǒng)的驅(qū)動功率，刮板驅(qū)動力主要由刮板切削阻力、沿前進(jìn)方向的物料摩擦阻力、刮板鏈運行產(chǎn)生的摩擦阻力以及物料抬升阻力組成，設(shè)總功率效率系數(shù)η=0.73、安全系數(shù)為1.35，則刮板驅(qū)動軸功率與電機(jī)功率的計算公式分別為：

1.3 有限元分析

采用ANSYS 軟件進(jìn)行設(shè)備主要部件結(jié)構(gòu)的有限元分析，分別選用殼單元、梁單元、剛體單元進(jìn)行設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)、受拉構(gòu)件或受壓構(gòu)件與鉸軸結(jié)構(gòu)的模擬，依托程序自動完成網(wǎng)格劃分，并手動完成局部優(yōu)化操作。在材料選取上，選用Q345-E 鋼材，其密度為7.85g/cm3、泊松比為0.29、彈性模量為2.06×105MPa。在部件載荷值設(shè)計上，門架、固定端梁、刮板臂架與導(dǎo)槽自重等項目的加載模式均由程序自動生成；改向鏈輪與張緊裝置采用集中力加載模式，載荷值為2.358×104N；驅(qū)動鏈輪與驅(qū)動裝置均采用集中力加載，載荷值分別為4.382×104N 和8.988×104N；其他附屬設(shè)施采用均布載荷，載荷值為5.23×103N/m。在約束條件設(shè)計上，針對固定端梁的X 方向取鉸接軸的軸向，分別施加X、Y 兩方向的位移約束，以及Y、Z 兩方向的旋轉(zhuǎn)約束；針對擺動端梁施加X 方向的位移約束，建立剛體單元；針對刮板臂架及其與端梁連接部位，分別施加X、Y、Z 三個方向的位移約束，依據(jù)關(guān)節(jié)軸承特征實現(xiàn)自由度耦合。有限元分析結(jié)果表明，該設(shè)備主要部件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大應(yīng)力位于固定端梁與行走車輪架連接部位以及刮板臂吊點部位，其最大應(yīng)力值133MPa、應(yīng)變值以及動載系數(shù)等指標(biāo)均符合安全使用需求，證明該設(shè)計方案具備實際應(yīng)用價值。

2 PLC 控制程序的具體實現(xiàn)方案

2.1 控制系統(tǒng)組成

2.1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成

控制系統(tǒng)采用主從站分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計，主站選用西門子CPU1515-2PN，從站選用IM151-3PN 接口模塊；I/O 信號模塊由DO、DI、AI、AO、COUNT 組成；選擇觸摸屏作為HMI 界面用于顯示信息和參數(shù)，利用TCP/IP 形式實現(xiàn)與主從站的數(shù)據(jù)交換；基于TIA PORTAL V13 軟件進(jìn)行PLC 程序與監(jiān)控組態(tài)軟件的開發(fā)。

2.1.2 通訊協(xié)議設(shè)計

考慮到半門架刮板取料機(jī)需在料場實行移動作業(yè)，如果沿用傳統(tǒng)作業(yè)模式將在現(xiàn)場敷設(shè)大量電纜，在機(jī)械設(shè)備移動環(huán)節(jié)可能造成電纜扭斷問題，影響設(shè)備運行可靠性與作業(yè)安全。在此選用TCP/IP 通訊協(xié)議實現(xiàn)觸摸屏與主從站間的通訊與數(shù)據(jù)交換，利用多模光纖將PLC 控制系統(tǒng)與中控系統(tǒng)進(jìn)行連接，采用動力電纜集成光纖并與刮板機(jī)保持同步作業(yè)，有效規(guī)避在設(shè)備移動過程中引發(fā)光纖扭斷問題，提高通訊可靠性。

2.1.3 檢測保護(hù)系統(tǒng)

行走、俯仰、刮板是半門架刮板取料機(jī)的主要機(jī)構(gòu)，為兼顧設(shè)備自動取料與安全運行需求，應(yīng)將檢測技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計中。其一，選取限位保護(hù)開關(guān)安裝在行走機(jī)構(gòu)的電機(jī)制動器與軌道兩端位置，用于保護(hù)設(shè)備在行走過程中的安全運行；其二，將電流檢測裝置安裝在電機(jī)上，以4 ～20mA電流信號與PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行連接，實現(xiàn)電機(jī)運行狀態(tài)監(jiān)測，避免因過載導(dǎo)致電機(jī)被燒壞；其三，將傾角儀設(shè)置在俯仰機(jī)構(gòu)上，實現(xiàn)對機(jī)構(gòu)傾斜角度的檢測，并且將對刮板電機(jī)負(fù)荷與取料量產(chǎn)生影響；其四，將編碼器安裝在行走機(jī)構(gòu)上，實現(xiàn)對行走速度的檢測與閉環(huán)控制；其五，選取超聲波傳感器沿刮板鏈條兩側(cè)呈對稱設(shè)置，實現(xiàn)對皮帶狀態(tài)的檢測，保障取料的連續(xù)性與安全性；其六，采用RFID 技術(shù)將讀寫頭、載碼標(biāo)簽分別安裝在設(shè)備與皮帶支架部位，可以在設(shè)備取料過程中讀取倉位、位置等數(shù)據(jù)信息。

2.2 PLC 控制程序設(shè)計

2.2.1 手動模式

手動模式適用于兩種工況條件，其一，設(shè)備手動取料；其二，自動模式下的整平送料準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，并且增設(shè)限位保護(hù)開關(guān)、過載保護(hù)器等部件的安全連鎖信號，用于保障手動模式下的作業(yè)效率與安全。

2.2.2 自動模式

在自動模式下，需完善邏輯連鎖條件的設(shè)計，增設(shè)皮帶運行的連鎖信號，控制系統(tǒng)將在設(shè)備自動取料環(huán)節(jié)針對皮帶運行狀態(tài)、有無堆料或斷帶故障等進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)皮帶運行故障時將自動執(zhí)行保護(hù)性停機(jī)，并且在觸摸屏HMI 界面上顯示報警信息，待運維人員進(jìn)行故障排查、解除故障后，HMI 界面將恢復(fù)正常、完成故障復(fù)位，并重啟系統(tǒng)實現(xiàn)繼續(xù)作業(yè)。同時，在設(shè)備上增設(shè)急停開關(guān)，如果在設(shè)備運行環(huán)節(jié)出現(xiàn)緊急事故，系統(tǒng)將自動觸發(fā)急停開關(guān)、啟動保護(hù)性停機(jī)功能，并且將設(shè)備各機(jī)構(gòu)的動力源切斷，待維護(hù)人員排查故障后完成復(fù)位及重置系統(tǒng)，以此保障設(shè)備及人員的安全。在切換至自動模式后，系統(tǒng)將自動依據(jù)“參數(shù)設(shè)定與投入自動模式——皮帶機(jī)運行——俯仰機(jī)構(gòu)、刮板鏈條、行走機(jī)構(gòu)故障判斷——提升刮板鏈條——運行至預(yù)設(shè)位置、降下刮板鏈條——啟動刮板、完成取料——判斷有無急停或故障問題——接近倉壁——料倉盡頭——待到達(dá)預(yù)設(shè)吃料深度后取料停止——回到停車位”的流程開展取料作業(yè)，無須人工干預(yù)，操作人員可以通過觸摸屏了解設(shè)備的實時運行狀態(tài)信息，在必要情況下還可以通過操作臺進(jìn)行人工干預(yù)，調(diào)節(jié)刮板取料機(jī)執(zhí)行取料作業(yè)。

2.2.3 維護(hù)模式

該模式適用于設(shè)備故障排查與系統(tǒng)維護(hù)環(huán)節(jié)，工作人員需借助操作臺執(zhí)行具體操作，依托連鎖條件控制設(shè)備動作。

2.3 監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計

2.3.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于TIA PORTAL V13 平臺進(jìn)行監(jiān)控組態(tài)設(shè)計，選用HMI 觸摸屏實現(xiàn)人機(jī)交互功能，操作人員可通過觀察觸摸屏掌握有關(guān)設(shè)備實時運行狀態(tài)、故障信息、報警信息、生產(chǎn)參數(shù)等信息。在軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計上，組態(tài)軟件主要由登錄畫面、系統(tǒng)設(shè)置界面、三大主體機(jī)構(gòu)監(jiān)控畫面、物料探測畫面、倉位檢測畫面、參數(shù)設(shè)定畫面、報警顯示畫面等結(jié)構(gòu)，可供操作人員在觸摸屏端完成對設(shè)備運行的調(diào)控。

2.3.2 運行模式分析

當(dāng)操作人員登錄軟件系統(tǒng)觀看觸摸屏?xí)r，將首先觀察到登錄畫面，將預(yù)先設(shè)定好的用戶賬號、密碼等信息輸入系統(tǒng)中即可成功登錄，借助操作人員權(quán)限的設(shè)置有效規(guī)避無關(guān)人員隨意操縱設(shè)備的問題，為設(shè)備整體安全運行提供保障，防范因操作不當(dāng)造成安全事故。在設(shè)備執(zhí)行生產(chǎn)作業(yè)的過程中，操作人員可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)實現(xiàn)對設(shè)備的及時干預(yù)與調(diào)控，可以在生產(chǎn)過程中實現(xiàn)實時糾偏，在線調(diào)節(jié)生產(chǎn)工藝參數(shù)、控制設(shè)備啟停，為生產(chǎn)作業(yè)效果創(chuàng)設(shè)雙重保障。同時，操作人員還可以在觸摸屏端獲取到作業(yè)現(xiàn)場的圖形、數(shù)據(jù)等信息，依據(jù)具體信息判斷現(xiàn)場各設(shè)備的運行情況，在整體層面實現(xiàn)對現(xiàn)場機(jī)組運行安全的監(jiān)控。最后，當(dāng)設(shè)備在運行過程中發(fā)生故障時，系統(tǒng)將結(jié)合預(yù)設(shè)的故障等級觸發(fā)嚴(yán)重性不等的報警開關(guān)，并在觸摸屏端顯示報警信息與監(jiān)控畫面，供操作人員及時查找、排除故障，經(jīng)由故障分析與記錄調(diào)閱確定事故原因，保障設(shè)備的安全可靠運行。

3 結(jié)語

本文基于PLC 技術(shù)進(jìn)行設(shè)備原有控制系統(tǒng)的改造，可以實現(xiàn)設(shè)備自動化生產(chǎn)與集中控制，設(shè)計方案具備良好的可操作性，有助于進(jìn)一步提高取料作業(yè)效率。