宋 慧

（臨汾職業(yè)技術(shù)學院，山西 臨汾 041000）

在煤炭、冶金、電力等行業(yè)，對裝料系統(tǒng)的使用比較廣泛。目前，仍主要采用傳統(tǒng)的控制方式來調(diào)速[1]。這種比較老舊的控制方式雖然成本相對較低，但是各種問題比較多，最主要的是在我國人口紅利消減的大趨勢下，這種方式有悖于“中國制造2025”的精神，該類型的設(shè)備已不能適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展要求?；诖?，筆者使用加裝可編程控制器或嵌入式控制器來控制設(shè)備的行走單元；在電力拖動系統(tǒng)部分，使用變頻傳動裝置以及矢量控制技術(shù)，優(yōu)化了調(diào)速系統(tǒng)性能，并加以編碼器的輔助控制。

1 總體方案

1.1 任務(wù)描述

筆者對送料系統(tǒng)進行智能設(shè)計，之前裝料車從出發(fā)到完成作業(yè)，一次裝料時間平均為15 分鐘。通過對裝料車控制系統(tǒng)進行自動化設(shè)計，將一次裝料時間控制在12 分鐘以內(nèi)。

改造重點是裝料車的自動運行控制，需要改造的設(shè)備布置圖如圖1 所示。從布置圖可以看出，裝料車開始出發(fā)，低速起步、高速行走，快到達一號位置時減速，低速?？?，準確到達位置后停車，裝料成功后低速行走到下一個停車位，以此類推。

圖1 送料系統(tǒng)平面布置示意圖

由于整套的系統(tǒng)要求全自動化運行，因此就需要加裝PLC，用對位置的反饋選擇比較精確的光電編碼器來實現(xiàn)；對于各種必要的位置信息，采用光電接近開關(guān)來測量；對于裝料車內(nèi)物料的檢測，采用兩個機械式物料傳感器來測量，執(zhí)行機構(gòu)采用矢量變頻器，裝料車與中控室的通信采用無線傳輸，中控室的上位機控制軟件采用組態(tài)王軟件。裝料車可以根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)停靠到指定位置，?？课恢脺蚀_[2]。

1.2 工藝流程圖

整個裝料車運行控制的流程圖如圖2所示。從流程圖中可以看出從輸入開始到輸出結(jié)束裝料車運行的一系列動作，流程圖形象地描述了整個工作過程。

圖2 裝料車運行流程圖

2 硬件選型

2.1 PLC選型

裝料車在改造后的需求：數(shù)字輸入量為42 個，備用數(shù)字輸入量為6 個，模擬輸入量為6 個，數(shù)字輸出量為14 個，備用輸出量為2 個。具體的I/O 地址分配表如表1、表2 所示。

表1 系統(tǒng)I/O 地址輸入分配表

表2 系統(tǒng)I/O 地址輸出分配表

根據(jù)需求，對于PLC，筆者選用了西門子公司的s7 系列。就這次改造而言，考慮到后續(xù)還有擴展的需求，所以選擇了s7-300，為后續(xù)改造提供可擴展空間。

根據(jù)CPU 技術(shù)參數(shù)手冊可知，CPU315 可帶3 個機架32個模塊，開關(guān)量I/O為1024/1024點，模擬量I/O為256/256 點，點數(shù)滿足系統(tǒng)要求。

核算24 V 電源總電流，CPU 為0.9 A，變送器為1.58 A，模擬量輸出模塊為0.96 A，數(shù)字量輸入模為0.09 A，數(shù)字量輸入回路為0.336 A，數(shù)字量輸出模塊為0.34 A，中間繼電器為1.28 A，合計為5.486 A。在使用時所有回路不可能都滿載，所以乘以滿載系數(shù)0.8，得到的電流為4.388 8 A，所以選擇6ES7 307-1EA01-0AA0 電源模塊（5 A）。

所選用的模塊完全能滿足系統(tǒng)要求，在滿足要求的基礎(chǔ)上對所有點數(shù)留有10%的備用點數(shù)，為日后的設(shè)備維修和改造提供便利，為日后的無需人員值守創(chuàng)造硬件條件[3]。

2.2 電動機選型

電動機是本次改造項目中的動力部分，裝料車的運行完全依靠電機帶動，在選擇電機上要求電機功率與實際需要相匹配[4]。

每套電機功率為：

其中，靜阻力系數(shù)為：

運行機構(gòu)靜阻力為：

式中，Gn為額定起重量；Gz為自重量。

根據(jù)式（2）、（3）可以得出：

啟動平均加速度為：

式中，K 為考慮旋轉(zhuǎn)件的慣性阻力。

可以得出：

式中，C 為風力系數(shù)；F 為風壓高度系數(shù)；A 為迎風面積。

可以得出：

將數(shù)值Gn＝23.2 t，Gz＝311.5 t，g＝9.8 m/s2，ω＝0.006 8，ηg＝0.8，Vk＝75 m/min，a＝0.276 m/s2，K＝1.2，C＝1.2，q＝90 N/m2，F(xiàn)＝1，A＝132 m2，Kh＝1，Kt＝1.12，λcp＝3，Z＝4 代入上述公式，可以計算出P1＝21.497 74 kW。

根據(jù)計算，對于電動機，選擇Y Z P 2 0 0 L 1-6/22 kW 電磁制動三相異步電動機。該型號電動機技術(shù)成熟、運行穩(wěn)定，符合改造需求。

2.3 減速器選型

在對減速器進行選型時，最主要的就是確定傳動比。本設(shè)計選用的電機是YZP200L1-6/22kW 電動機，其額定轉(zhuǎn)矩為211 N·m，轉(zhuǎn)速為n＝980 r/min。

裝料車轉(zhuǎn)速公式為：

式中，D 為車輪踏面直徑，其中Vk＝75 m/min，D＝710 mm，得出n'＝33.641 34 r/min

傳動比為：

根據(jù)上述公式可得出傳動比I＝29.130 83。根據(jù)減速機使用手冊，選擇傳動比最接近的I1＝31.5，減速機選型為DCY224-31.5-Ι，將I1帶入式（10），得出裝料車實際速度為69.39 m/min，減速器實際輸出扭矩9 135 N·m[5]。

2.4 變頻器選型

變頻器主要是帶動電機運行，在選擇具體型號時要視所帶電動機的具體型號而定[6]。本設(shè)計選用額定電壓380 V、額定功率22 kW 的三相異步電動機四臺，根據(jù)電機確定了變頻器的型號，型號為CM53XH-B4T110G，該型號輸入電壓為380 V、輸入電流為214 A、輸出電流為210 A、適配電機為110 kW，與本設(shè)計所用的電機相匹配。

3 軟件設(shè)計

上位機通信。改造過程中，使用無線通信替代原來的有線通信，推薦使用DTD434M，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。本設(shè)計采用的無線通信模塊是中心頻率為433 MHz 開發(fā)的ISM 拼段，內(nèi)部的無線傳輸系統(tǒng)由全數(shù)字RF 通信芯片以及單片機組成，外部接口是采用標準的RS485 總線方式[7]。但是考慮到裝料車運行的環(huán)境比較惡劣，進入建筑下方后信號可能會被屏蔽，使通信不暢，而且WIFI 傳輸距離比較近，PLC 和上位機之間傳輸數(shù)據(jù)量不大，所以采用了串行通信，而取消了WIFI 連接的方案，解決了上位機和PLC 之間的通信問題。

圖3 無線系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)方案的實現(xiàn)

4.1 電氣原理圖

變頻器控制端子接線圖如圖4 所示，數(shù)字量輸入端子DI1 為正轉(zhuǎn)運行、DI2 為反向運行、DI3 為停止、DI4 為故障復位。模擬量輸入端子AI1 為電機電流給定。TA、TC 接中間繼電器KA3.1，變頻器運行時，中間繼電器KA3.1 線圈得電，KA3.1 常開觸點閉合，KM3.1 線圈得電，KM3.1 動作，控制柜內(nèi)的風機啟動。RA、RC 接中間繼電器KA3.2，變頻器故障時，中間繼電器KA3.2 線圈得電，KA3.2 常閉觸點斷開。

圖4 變頻器控制端子接線圖

安全回路接線圖如圖5 所示，裝料車門閉合，門保護行程開關(guān)的常開觸點吸合，主回路接觸器KM1常開觸點吸合，當斷軸保護、錯相保護等檢測正常時，軟件安全回路KB09 線圈得電，其常開觸點吸合，則KA11.0 線圈得電，其常開觸點吸合，與主令零位開關(guān)形成自鎖。當操作臺急停按鈕SB3.1、正向超限位開關(guān)、反向超限位開關(guān)、變頻器故障等任一安全回路開關(guān)斷開，則KA11.0 線圈失電，安全回路斷開。如果僅是軟件安全回路故障，需啟動回路時，可按下SA11.2，使KA13.1 線圈得電，其常開觸點閉合，跳過軟件安全回路，但此狀態(tài)僅限于維修狀態(tài)。

圖5 安全回路接線圖

4.2 PLC程序梯形圖

PLC 的機器語言常用梯形圖，梯形圖具有編程簡便、直觀性較強的優(yōu)點，具有很好的可讀性。下列是裝料車系統(tǒng)的部分PLC 程序梯形圖。電機電壓、電流數(shù)據(jù)采集梯形圖分別如圖6、圖7 所示。PLC 對電機電壓數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)進行采集，將采集回來的模擬量信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號輸出給上位機、觸摸屏。

圖6 電機電壓數(shù)據(jù)采集梯形圖

圖7 電機電流數(shù)據(jù)采集梯形圖

軟件安全回路梯形圖如圖8 所示，軟件安全回路主要包括主令零位、重故障、輕故障等，設(shè)備啟動前，必須確保主令控制器在零位狀態(tài)。軟硬雙保護安全回路梯形圖如圖9 所示，設(shè)計雙保護安全回路，進一步確保設(shè)備運行的安全性。

圖8 軟件安全回路梯形圖

圖9 軟硬雙保護安全回路梯形圖

5 系統(tǒng)方案調(diào)試

5.1 手動部分調(diào)試

將控制柜內(nèi)的所有斷路器打到閉合位置，開始手動試車。將控制方式的轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到手動位置，觀察指示燈是否為手動，觀察手動自動控制狀態(tài)是否正確。

將PLC 連接到電腦，關(guān)閉主回路電源，合上控制電源，模擬觀察控制過程是否正確，各個點的反饋是否正確。

觀察PLC 上的高速計數(shù)器是否開始計數(shù)，按下裝料車原點按鈕，觀察編碼器是否復位成零，如果不正確，請檢查硬件接線和程序是否正確[8-9]。按下正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)按鈕，觀察所對應(yīng)的接觸器是否閉合正確。在線監(jiān)測PLC，測試各個控制按鈕和相對應(yīng)的接觸器。手動調(diào)試后，所有設(shè)備能按要求進行動作，各項指示無異常。

5.2 自動部分調(diào)試

手動測試成功后開始測試控制系統(tǒng)的自動運行，這里面的難點在于裝料車料餅裝完后的位置記憶，裝料車運行時編碼器的測試數(shù)據(jù)和實際運行距離的差距。因為裝料車在啟動和制動時可能會出現(xiàn)滑動的情況，所以要求在自動運行時裝料車的運行頻率不斷調(diào)整，直到誤差最小為止。

自動調(diào)試完成了對編碼器的測試數(shù)據(jù)與實際運行距離之間的誤差最小化，最大程度地保證裝料車可以精準停車。

5.3 上位機調(diào)試

上位機調(diào)試主要是保證PLC 和上位機能正常通信?？梢韵仁褂肕ODSCAN 軟件進行測試，測試成功后再連接PLC，這樣可以排除無線和設(shè)置的故障。先調(diào)試手動操作，看畫面上的操作按鈕和實際的裝料車動作情況是否一致，如果出現(xiàn)偏差，則進行修改。因為就地手動操作已經(jīng)設(shè)置完畢，所以只能更改觸摸屏畫面上的內(nèi)部變量，修改完成后開始自動調(diào)試，確?，F(xiàn)場通信暢通，沒有數(shù)據(jù)丟失問題。

5.4 綜合試車

當各項調(diào)試都正常后，就可以進行綜合試車，這需要向甲方客戶申請，等甲方同意后可以進行綜合試車。為了保證綜合試車一次成功，要求電氣人員和機械安裝人員緊密配合，確保機械和電氣部分沒有任何問題后開始綜合試車[10]。

6 結(jié)語

1）采用變頻器實現(xiàn)無級調(diào)速取代傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性，降低了噪聲，不僅改善了操作人員的工作環(huán)境，而且使得設(shè)備調(diào)速平順，設(shè)備實現(xiàn)無級調(diào)速，設(shè)備不會出現(xiàn)機械沖擊的現(xiàn)象；實現(xiàn)了在低頻低壓狀態(tài)下的軟啟動及軟停止，啟動及加速過程的沖擊電流變小，可以實現(xiàn)裝料車在重載的情況下從低速平滑地升至所設(shè)定的允許的最高速度。

2）裝料車可以實現(xiàn)準確?？可狭衔恢?，避免了原有人工反復?？康膯栴}，節(jié)省人力成本、減輕工人勞動強度、改善工人勞動環(huán)境，從成本上節(jié)省了資金。

3）使用無線通信設(shè)備取代了原有控制電纜線，在維護保養(yǎng)方面降低了設(shè)備故障率，減輕了工人勞動強度，并且從成本上節(jié)省了大量資金[11]。