基于CC-Link總線的懸臂式堆取料機控制系統(tǒng)設(shè)計

石亞茹，孫英培，李永聰，關(guān)玉明

SHI Ya-ru，SUN Ying-pei，LI Yong-cong，GUAN Yu-ming

（河北工業(yè)大學 機械工程學院，天津 300130）

0 引言

1 懸臂式斗輪堆取料機電氣控制技術(shù)總體方案

1.1 懸臂式斗輪堆取料機的基本結(jié)構(gòu)

懸臂式斗輪堆取料機整體基本機構(gòu)如圖1所示。

圖1 懸臂式斗輪堆取料機基本結(jié)構(gòu)

1.2 懸臂式斗輪堆取料機電氣控制技術(shù)方案

堆取料機控制系統(tǒng)中的控制對象有：回轉(zhuǎn)機構(gòu)、俯仰機構(gòu)、斗輪機構(gòu)、行走機構(gòu)和尾車等部分，另外還要與其它物料裝卸設(shè)備（例如排土機、地面皮帶輸送機）建立通信。從控制系統(tǒng)組成的角度出發(fā)，分為控制核心、PLC、現(xiàn)場總線、人機界面、遠程控制等幾個方面。

1.2.1 各控制部分的選擇方案

1)控制核心的選擇：堆取料機復雜的工作流程、嘈雜的工作環(huán)境、強烈的電磁干擾都使低價的單片機控制系統(tǒng)愛莫能助，從而考慮選擇適于工控現(xiàn)場的PLC作為堆取料機的控制核心。

2)PLC的選擇：采用模塊化控制的思想，從物料裝卸裝備系統(tǒng)角度把控制系統(tǒng)分為堆取料機、排土機、地面皮帶輸送機三個部分，從堆取料機機構(gòu)上分為斗輪、俯仰、回轉(zhuǎn)、行走、尾車等幾個相對較小的控制系統(tǒng)，一個或幾個模塊從距離、工藝復雜程度和走線等方面配備一個PLC，從而實現(xiàn)單獨控制。斗輪堆取料裝備控制點數(shù)多，程序復雜，采用多個中小型PLC聯(lián)合控制；排土裝備和皮帶輸送裝備控制點數(shù)相對較少，采用中小型PLC；各個裝備之間的通訊用PLC通訊模塊來完成。

3)現(xiàn)場總線的選擇：CC-Link總線采用主從站結(jié)構(gòu)，主站指控制數(shù)據(jù)鏈接系統(tǒng)的站（QJ61BT11N），從站指遠程I/O模塊和遠程設(shè)備模塊（即PLC模塊），多個PLC之間可以通過主從站結(jié)構(gòu)進行通信。大型物料裝卸設(shè)備系統(tǒng)的工作性質(zhì)決定多個模塊之間必須協(xié)同合作，鑒于此考慮采用總線方式來連接多個PLC，加上多模塊主從站思想，從而實現(xiàn)多模塊之間的通信。在整個物料裝備控制系統(tǒng)應(yīng)用中，多個PLC不僅能夠單獨完成一部分任務(wù)，多個PLC之間必須還能夠互通有無，因此采用CC－Link作為堆取料機的總線傳輸方式。堆取料裝備控制系統(tǒng)復雜，作為CC-Link主站設(shè)計，排土裝備和皮帶輸送裝備作為從站設(shè)計，從而實現(xiàn)整個物料系統(tǒng)之間的通訊。主站與從站中PLC與現(xiàn)場設(shè)備之間用RS-485進行通信。

4)人機界面的選擇：司機室內(nèi)空間狹小，采用大屏幕觸摸屏完全合理；地面遠程控制室，沒有空間限制，且需要人機界面功能強大，我們采用工控機來實現(xiàn)。

5)遠程控制信息載體的選擇：遠程通信用來遠程檢測和控制物料裝卸設(shè)備的運行。目前遠程通信的方式有：線路交換和分組交換，線路交換用公用電話網(wǎng)建立連接，分組交換常用因特網(wǎng)。電話網(wǎng)和因特網(wǎng)的切換主要由因特網(wǎng)數(shù)據(jù)的實時傳輸速率來決定，當因特網(wǎng)傳輸速率快時，就采用因特網(wǎng)，當因特網(wǎng)傳輸速率慢時，就切換成電話網(wǎng)。圖2是采用的兩種通信方式的遠程通信系統(tǒng)示意圖。

圖2 堆取料機遠程通信系統(tǒng)示意圖

1.2.2 斗輪堆取料機高壓電源電氣控制技術(shù)方案

變壓器繞組徑向變形主要影響的是集總參數(shù)模型中的高低壓繞組之間的電容。根據(jù)實際情況的調(diào)查以及對繞組電動力的研究發(fā)現(xiàn),這類故障主要發(fā)生在高壓繞組的外側(cè)。隨著故障程度的增加,高壓繞組與油箱之間的電容會減小。根據(jù)文獻[8]的分析可知,徑向變形繞組模型為

斗輪堆取料機上機電源采用6kV三相交流電（3PH+PE，50Hz）。6kV電源由變配電所6kV開關(guān)柜提供，通過高壓電纜引至斗輪堆取料機軌道中點處的動力電纜接線箱，再通過橡膠軟電纜、電纜卷筒和集電環(huán)引至斗輪堆取料機上配電室內(nèi)高壓控制柜，高壓控制柜中高壓電源直接供給高壓電機工作。高壓控制柜通過高壓變壓器變壓，輸出380V作為動力電源，供給各機構(gòu)的驅(qū)動電動機（如圖3所示）。

高壓回路中采用的保護元件有高壓熔斷器、高壓真空斷路器、防雷型壓敏電阻器和高壓變壓器的溫度控制器等。

1.2.3 控制電纜卷筒電氣控制技術(shù)方案

圖3 堆取料機高壓電源引入方案

斗輪堆取料機根據(jù)工作需要，要在固定的導軌上移動，這時動力電纜、控制電纜都要跟著移動，需要做到電纜的收放自如。本設(shè)計由電機、行星齒輪箱、圓錐減速箱、磁制聯(lián)軸器和電纜卷盤等組成磁制式電纜卷筒裝置。這個設(shè)計的核心部件是磁制聯(lián)軸器，它具有特殊力矩偶合功能。工作時電機產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)動力先傳至磁制聯(lián)軸器，再通過行星齒輪箱和圓錐減速箱將旋轉(zhuǎn)力矩放大后傳至電纜卷盤。電機始終向收卷方向旋轉(zhuǎn)。需要放卷時電纜拖拽力克服磁制聯(lián)軸器的磁場力矩，使磁制聯(lián)軸器兩盤之間產(chǎn)生滑差，把卷盤上的電纜放開。需要收卷時，電纜的拖拽力消除，電纜卷筒朝收卷方向卷取電纜。為避免電纜卷曲產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力過大造成電纜扭損甚至斷裂等重大事故，從大車行走軌道中點處動力電纜接線箱中引出的高壓電源電纜先引至高壓滑環(huán)箱中的定子，再從高壓滑環(huán)箱中轉(zhuǎn)子引出高壓電纜卷曲在電纜卷盤上。

1.2.4 懸臂式斗輪堆取料機整體電氣控制方案

圖4 堆取料機整體電氣控制方案示意圖

堆取料機整體電氣控制方案框圖如圖5所示。

2 懸臂式斗輪堆取料機控制技術(shù)硬件設(shè)計

2.1 CC-Link現(xiàn)場總線在懸臂式斗輪堆取料機上的硬件配置

圖5 堆取料機整體電氣控制方案框圖

CC-Link通訊系統(tǒng)通過專用電纜將分散的特殊功能模塊、I/O模塊等連接起來，并通過PLC的CPU來控制這些相應(yīng)模塊。CC-Link特殊接口模塊FX2N-32CCL的作用是將PLC作為遠程設(shè)備站掛接到CC-Link中形成一個簡單的分散控制系統(tǒng)。根據(jù)懸臂式斗輪堆取料機的基本機構(gòu)和生產(chǎn)功能以及考慮到之后與其它堆取料設(shè)備的通信，我們把斗輪堆取料機CC-Link系統(tǒng)分為一個主站，4個掛接從站和1個預備從站，其中主站放在電氣室，它的功能是統(tǒng)籌控制整個物料堆取系統(tǒng)還包括斗輪的旋轉(zhuǎn)控制和液壓缸的俯仰控制。第一個從站放在司機室，它的的功能是連接觸摸式人機界面和各種操作按鈕、手柄以及聲光報警系統(tǒng)。第二個從站放在電氣室，它的功能是控制大車行走和變頻電機的回轉(zhuǎn)控制。第三個從站放在電氣室，它的功能是控制懸臂式皮帶輸送機和尾車皮帶輸送機。第四個從站放在電氣室，它的功能是控制動力和控制電纜卷盤、潤滑系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)。一個預備從站放在遠距離排土機控制室，用來控制排土機的運行。采用CC-Link現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)整個大型物料裝卸系統(tǒng)的程序控制和通訊鏈路，其硬件配置如圖6所示。

圖6 堆取料裝備CC-Link硬件配置圖

CC-Link主站（總控制中心、斗輪與俯仰控制）的配置是：采用 FX2N-16CCL-M作為主站模塊；CC-Link從站（司機室、行走和回轉(zhuǎn)、懸臂和尾車皮帶輸送機、動力和控制電纜卷盤、排土機）的配置是：采用FX2N-32CCL作為從站模塊。主站與5個從站之間采用專用雙絞電纜FANC-SB 0.5mm2х3CC-LINK進行串聯(lián)連接。主站和從站兩個終端要加入兩個110歐姆的終端電阻，用來屏蔽數(shù)據(jù)通訊中的干擾信號。CC-Link通訊連接配線設(shè)計如圖7所示。

圖7 CC-Link通訊連接配線設(shè)計

2.2 調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計

表1 堆取料機變頻器的選擇

表2 堆取料機PLC型號選擇

變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應(yīng)用微電子技術(shù)與變頻技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率的方式來控制交流電動機轉(zhuǎn)速的電力控制設(shè)備。根據(jù)堆取料機大車行走機構(gòu)、臂架回轉(zhuǎn)機構(gòu)和斗輪取料機構(gòu)所用電機功能參數(shù)和數(shù)量，選用以下三菱型號的變頻器，如表1所示。

2.3 基于CC-Link現(xiàn)場總線的可編程序控制器

根據(jù)懸臂式斗輪堆取料機各控制機構(gòu)輸入輸出點數(shù)選擇三菱PLC型號總結(jié)如表2。

3 結(jié)束語

本文對懸臂式斗輪堆取料機提出了基于CCLink現(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)。從控制系統(tǒng)組成的角度分析了電氣控制技術(shù)方案，結(jié)合高壓電源電氣控制技術(shù)和電纜卷筒電氣控制技術(shù)總結(jié)了懸臂式斗輪堆取料機整體電氣控制方案。進而介紹了懸臂式斗輪堆取料機控制技術(shù)的硬件設(shè)計，實現(xiàn)了相應(yīng)的控制功能。

[1] 邵明亮,于國飛,耿華,等.斗輪堆取料機[M].北京:化學工業(yè)出版社,2007.

[2] 錢江濤.斗輪堆取料機主參數(shù)的選用[J].水利電力機械,2005,27(1):43-48.

[3] 李玉民,劉勤國.臂架型堆取料機俯仰液壓系統(tǒng)[J].起重運輸機械,2008,11:85-87.

[4] 夏少建.臂架式斗輪堆取料機取料平均生產(chǎn)能力的研究[J].起重運輸機械,2009.

[5] 何路茵.臂式斗輪堆取料機取料過程分析[J].機械研究與應(yīng)用,2009.

[6] 謝則明.斗輪機平衡系統(tǒng)的調(diào)整[J].電力科學與工程,2008,24(6):46-47.

[7] 陳曉明.堆取料機俯仰液壓系統(tǒng)改造[J].科技信息,2010,21:463-464.

[8] 張洪信,趙清海.ANSYS有限元分析完全自學手冊[Z].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[9] 耿華.斗輪堆取料機工作裝置動態(tài)特性研究[D].吉林:吉林大學,2007.

[10] 江洪,王貴成,盧擇臨.SolidWorks高級曲線曲面實例解析[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.