臂式斗輪堆取料機新型控制系統的設計

孫喜勝 遇廣宇 國占一

（北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽110027）

前言

臂式斗輪堆取料機是在小型斗輪挖掘機的基礎上發展起來的堆、取合一的軌道式散料專用裝卸設備。它具有堆取能力大、料場占地面積小、操作方便等優點而被工業部門廣泛使用[1]。它廣泛應用于火力發電廠、輕工化工、散貨港口等的儲料廠。所以研究斗輪堆取料機的控制系統有著重要意義。

1 初期的臂式斗輪堆取料機控制系統

80年代初期，PLC、變頻器和軟啟停器等應用于斗輪機控制系統中，減少了繼電器和控制電纜，在斗輪機取料的過程中，通過變頻調速技術實現了斗輪取料機構取煤量在一定范圍內的可調；實現了大車的平穩啟動與制動，減小了啟動與制動過程中對設備的沖擊[2]。斗輪機的性能得到了提高。

2 現場總線技術

根據國際電工委員會（IEC）和美國儀表協會(ISA)的定義：現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，它的關鍵標志是能支持雙向多節點、總線式的全數字通訊，具有可靠性高、抗干擾能力強、通信速率快、維護成本低等特點[3]。

Profibus符合國際標準IEC61158，是世界上通用的現場總線標準之一，并以其獨特的技術特點，嚴格的認證規范、開放的標準、眾多廠商的支持和不斷發展的應用行規，成為現場的最優解決方案[4]。

3 應用了總線控制的的臂式斗輪堆取料機控制和通訊系統

設計以PLC為核心，采用先進的現場總線方式，將PLC、變頻器、觸摸屏、檢測系統連接在一起，控制臂式斗輪堆取料機各機構的運行。本系統采用SIEMENS公司的Profibus-DP總線控制系統，所有的網絡元件都要和CPU通過總線進行數據交換。

3．1臂式斗輪堆取料機的硬件系統設計

臂式斗輪堆取料機的電氣控制系統由電源部分、電動機控制中心（MCC）、變頻調速系統、操作臺、PLC及觸摸屏等組成。

PLC是系統的控制核心，采用SIEMENS公司的S7 300系列可編程序控制器，主機采用CPU315-2DP，提供一個PROFIBUS DP接口。

變頻器采用施耐德公司的ATV71變頻器。

軟起動器采用西門子公司的3RW44。

變頻器、人機界面等現場裝置，通過獨立的Profibus-DP接口直接連接到現場總線上。PLC通過邏輯運算處理發出相應的數字信息，從而控制現場裝置的工作運行。

圖1 系統的硬件組態

3．2臂式斗輪堆取料機軟件控制系統

根據控制系統的硬件，選擇相應的編程軟件對系統的控制流程進行開發。西門子專門為客戶提供了程序開發軟件STEP 7。STEP 7是用于SIMATIC可編程序控制器的組態和編程的標準軟件包，它是SIMATIC工業軟件的組成部分[5]。

（1）堆料程序控制任務

在斗輪堆取料機堆料PLC控制程序中，斷續回轉+斷續行走定點堆料是經常采用的一種工作方式。首先將大車行走到預定料場位置，啟動堆料程序，給系統發出堆料作業信號并實現與系統膠帶工況聯鎖。通過編碼器和物位計的采樣、傳送、邏輯運算，做出判斷進行懸臂回轉和大車行走動作，實現斗輪堆取料機的堆料作業。

（2）取料程序控制任務

在斗輪堆取料機取料PLC控制程序中，采用旋轉分層不分段取料。首先將大車開至預定取料位置。當接到系統取料指令后，啟動取料程序，斗輪在程序控制下順序啟動，通過編碼器分別進行取料初始角和取料終止角的角度采集、傳送和存貯，確定懸臂回轉的取料范圍。實現斗輪堆取料機的取料作業。

3．2臂式斗輪堆取料機軟件控制系統的解決方案

（1）創建并編輯項目

項目可用來存儲為自動化任務解決方案而生成的數據和程序。這些數據被收集在一個項目下，包括：硬件結構的組態數據及模板參數；網絡通訊的組態數據，以及為可編程序模板編制的程序。生成一個項目的主要任務就是為編程準備這些數據。數據在一個項目中以對象的形式存儲。

（2）項目硬件組態

通過STEP 7編程軟件對臂式斗輪堆取料機控制系統的硬件配置進行組態。在項目中插入相應的可編程序控制器的硬件結構。如圖1所示：

（3）項目程序開發

一旦完成了硬件組態，就可以為可編程模板生成軟件，選擇編程語言，完成程序邏輯。STEP 7軟件為客戶提供多種編程語言，包括語句表STL、梯形邏輯LAD、功能塊圖FBD、SCL結構控制語言等等。本設計采用語句表STL和梯形圖LAD進行設計。

3．3臂式斗輪堆取料機軟件控制系統的編程實例

如圖2所示為一段斗輪堆取料機自動堆料程序，采用LAD梯形圖編制。

程序塊中包含了堆料聯鎖工藝流程，只有滿足各種工作條件，才能激活輸出點，斗輪堆取料機各個機構才能互相配合順序運行。為了方便閱讀和編程，通常要將I/O點進行定義，通過Step 7軟件提供的符號編輯表就可以輕而易舉地完成。

·I代表數字輸入；·Q代表數字輸出；·M代表中間變量；·PIW代表輸入字；·PQW代表輸出字。

圖2 STEP7自動堆料編程段

結論

通過分析斗輪堆取料機的堆料工藝和取料工藝，確定系統的控制方案，設計一套控制系統。本文的創新點在于采用了先進的現場總線控制系統，通過現場總線將PLC、變頻器等現場裝置連接在一起，實現了PLC控制技術、變頻器調速技術與檢測技術的集成?，F場總線構成了該控制系統的基本框架，是斗輪堆取料機控制系統的核心部分。通過現場的應用結果表明該現場總線系統提高了作業效率，保證了設備的可靠運行，提高設備的使用壽命。

[1]邵明亮.斗輪堆取料機[M].北京：化學工業出版社，2007.

[2]何恩江，閆德軒.變頻調速在斗輪堆取料機行走控制系統中的應用[J].哈爾濱軸承，2006(02).

[3]王慧鋒.現場總線控制系統原理與應用[M].北京：化學工業出版社，2006.

[4]崔堅.西門子工業通信網絡指南.北京：機械工業出版社，2003.

[5]張澤榮.可編程序控制器原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[6]肖洪，孫永.旋轉編碼器在斗輪堆取料機回轉保護功能上的應用 [J].礦山機械，2006，34(12).