淺談側式懸臂堆料機橋式斗輪取料機控制系統的設計

曹艷華 王鳳

摘 要：文章介紹了側式懸臂堆料機橋式斗輪取料機的基本控制理論，以及西門子有源底板、西門子工業以太網、西門子PROFIBUS-DP、光纖通訊等的應用。

關鍵詞：控制理論；PLC；工業以太網

1 堆取料機控制系統現狀

1.1 堆取料機的特點

側式懸臂堆料機橋式斗輪取料機具有占地面積小，物料貯量大等優點是現今應用最廣泛的均化設備，在港口、碼頭、大型電廠、水泥廠、礦山都可以見到它的影子。隨著科學技術的不斷發展，PLC功能日漸強大，網絡通訊功能的應用，使功能控制更加集中，監測能力更加完備，側式懸臂堆料機和橋式斗輪取料機控制技術也日臻完善。

1.2 堆取料機的工藝流程

側式懸臂堆料機和橋式斗輪取料機配套使用，側式懸臂堆料機由堆料臂、配重塊、驅動裝置、液壓系統、主控制室、動力電纜卷盤、控制電纜卷盤和來料小車等部分組成；橋式斗輪取料機由收料皮帶、耙車、斗輪、行走小車、動力電纜卷盤及控制電纜卷盤等部分組成。側式懸臂堆料機采用往復鱗狀堆料的方法，橋式斗輪取料機采用橫斷面取料方法。

1.3 堆取料機的控制方式

側式懸臂堆料機和橋式斗輪取料機分三種控制方式，自動方式、手動方式、維修方式，其中自動方式又分為機上自動和中控室自動，中控室自動控制實現了設備的遠程遙控操作。

1.4 堆取料機動作聯鎖流程

側式懸臂堆料機和橋式斗輪取料機在同一個料場工作，正常工作時它們是相對獨立的個體。

側式懸臂堆料機自動工作時的起機順序是首先將懸臂降低至下極限，由中控室或機上發出自動工作命令，堆料機發出起機響鈴預警15秒，之后皮帶啟動，5秒后，行走驅動運行并伴有移動警告，堆料機在堆料區域往返行走，卸料皮帶機同時卸下物料，堆料機在遠離料場中心一側的停留點是固定的，稱為固定點。在靠近料場中心一側的停留點是可變的，即每次回縮一段距離，稱為可變點。為保證堆形，堆料機在固定點、可變點的停留時間是可調的。每次堆料時，堆料機總是向固定點方向行走，在固定點與可變點之間往返行走進行堆料，直到堆料臂上的料位檢測開關觸料后液壓俯仰系統工作，這時俯仰系統自動上升一段距離，待堆料機達到堆滿開關時會向中控室發出堆滿停車申請，中控室或機上發出正常停機命令停止堆料皮帶和堆料機的運行。側式懸臂堆料機會按起動時的相反順序依次停車。

橋式斗輪取料機自動工作的起機順序是，啟動命令發出響鈴15秒，響鈴完畢啟動輸送皮帶，5秒后斗輪啟動（由于料場位置不同，斗輪旋轉的方向不同），7秒后斗輪小車后行（靠近控制室一側），待物料取完一個橫斷面，斗輪小車后行碰到后行程，這時斗輪小車停止，取料機大車會向前運行（靠近物料）0.5米，之后斗輪小車前行，待碰到前行程，斗輪又完成一個橫斷面取料，小車停止，大車向前運行0.5米。取料機如此反復工作，直到碰到料取完限位。取料機的停機順序是起機的逆續，先停大車行走和小車行走，之后是斗輪，最后停輸料皮帶。

側式懸臂堆料機和橋式斗輪取料機正常停機后，堆料機大臂抬到上極限，取料機的斗輪開到后行程，以便兩臺設備交叉換堆。

2 堆取料機設計的原則、硬件及輔助系統設計

2.1 PLC硬件的組態選擇

本文介紹的側式懸臂堆料機和橋式斗輪取料機其控制系統有如下特點：

選用西門子S7 300系列PLC；由ET200和有源底板構成的可熱插拔的輸入輸出模塊系統；堆料機、取料機與中控室采用DP通訊，中控室為DP通訊的主站，堆料機和取料機為DP通訊的從站；堆料機與取料機之間的通訊采用工業以太網，堆料機為主站，取料機為從站，兩種通訊都通過光纖介質傳輸，在硬件選型時需要選用將DP信號轉變為光纖信號的OLM以及將工業以太網的電信號轉換為光信號的光電轉換器，并將運行時的數據顯示在西門子觸摸屏上。

2.2 堆取料機驅動系統的設計

2.2.1 側式懸臂堆料機主回路

懸臂卸料皮帶電機；卸料皮帶抱閘；液壓變幅電機；堆料行走電機；堆料行走抱閘；

2.2.2 橋式斗輪取料機主回路

皮帶電機回路；斗輪電機回路；斗輪小車行走電機；斗輪小車行走抱閘；大車行走電機；大車行走抱閘；

2.2.3 堆取料機主回路的硬件配置

側式懸臂堆料機行走機構采用西門子440變頻器，采用DP通訊的方式控制電機的起動和停止。根據橋式斗輪取料機取料的特點，其取料面為三角形而斗輪小車的行走軌跡為直線型，因此為了使出料均勻且提高取料效率，將小車行走軌跡分為3段A、B、C。在A段與C段行走速度加快，減少取料時間，而B段減慢小車行走速度，增加取料時間。因此斗輪小車的行走機構也采用西門子440變頻進行控制，同時也起到了防止頻繁啟停電流過高的問題，并使斗輪小車運行更加平穩。

3 側式懸臂堆料機及橋式斗輪取料機的軟件及控制系統開發

3.1 有源底板

西門子300PLC輸入輸出模塊沒有帶電熱插拔的功能，隨著技術的不斷完善，將有源低板應用到PLC的機架上，用ET200擴展的輸入輸出模塊就可以實現I/O點的熱插拔功能。將有源底板的GSD文件安裝在西門子STEP 7硬件組態上。ET200采用ET200M系列可以帶遠程I/O模塊的特點，將多個輸入模塊、輸出模塊、模擬量和高速模塊集成在有源底板上，就可以實現熱插拔的功能。有源底板根據需要選接口有源底板和I/O有源底板，一個接口有源底板安裝一塊ET200M，它可以擴展80MM的I/O有源底板6塊通過硬件的如下設置就可以實現如下功能：

A帶電插拔模塊時，確保不造成模塊的硬件損壞；

B帶電插拔模塊時，CPU不停機，并產生報警；

C帶電插拔模塊時，該模塊I/O通道的數值保持不變，而其他模塊的運行不受影響；

D帶電插拔模塊時，CPU中觸發中斷組織塊或通過DP診斷程序塊，得到模塊拔出或插入的事件信息，在用戶程序或中斷組織塊OB**中進行相應控制邏輯和I/O通道的處理；

3.2 工業以太網

本項目中工業以太網的應用是為了實現堆料機與取料機之間的信息傳遞。

工業以太網的特點：

（1）Ethernet是全開放、全數字化的網絡，遵照網絡協議不同廠商的設備可以很容易實現互聯。

（2）以太網能實現工業控制網絡與企業信息網絡的無縫連接，形成企業級管控一體化的全開放網絡。

（3）軟硬件成本低廉，由于以太網技術已經非常成熟，支持以太網的軟硬件受到廠商的高度重視和廣泛支持，有多種軟件開發環境和硬件設備供用戶選擇。

（4）通信速率高，隨著企業信息系統規模的擴大和復雜程度的提高，對信息量的需求也越來越大，有時甚至需要音頻、視頻數據的傳輸，目前以太網的通信速率為10M、100M的快速以太網開始廣泛應用，千兆以太網技術也逐漸成熟，10G以太網也正在研究，其速率比目前的現場總線快很多。

（5）可持續發展潛力大，在這信息瞬息萬變的時代，企業的生存與發展將很大程度上依賴于一個快速而有效的通信管理網絡，信息技術與通信技術的發展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網技術不斷地持續向前發展

3.3 PROFIBUS -DP

PROFIBUS -DP用于現場層的高速數據傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息。總線循環時間必須要比主站（PLC）程序循環時間短。除周期性用戶數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設備所需的非周期性通信以進行組態，診斷和報警處理。

PROFIBUS-DP在本系統中建立兩條，在本系統中變頻器的起/停，編碼器的數據傳輸采集和擴展的ET200建立在一條DP系統上，為了不影響堆取料機與中控室的數據傳輸，堆取料機與中控室建立另外的一條DP通訊，這樣DP1與DP2互不干擾，數據傳輸的更精確。

3.4 光纖傳輸

光纖通信具有頻帶寬，通信容量大；損耗低，中繼距離長；抗電磁干擾等優點。本臺側式懸臂堆料機、橋式斗輪取料機和中控室的距離都在240米的距離，用光纖作傳輸介質比其它任何傳輸介質的損耗都低，而且光纖是絕緣體材料，它不受自然界的雷電干擾、電離層的變化和太陽黑子活動的干擾，也不受電氣化鐵路饋電線和高壓設備等工業電器的干擾，用它與電力導體復合構成復合光纜，減少了電纜鋪設的工時。采用工業以太網通訊方式，需要用光口交換機將以太網傳輸的電信號轉換為光纖傳輸的光信號，堆料機、取料機和中控室之間采用PROFIBUS-DP的通訊方式，需要用OLM交換機將DP信號轉換為光信號。

4 結束語

側式懸臂堆料機、橋式斗輪取料機隨著科學技術的發展，控制技術日臻完善，提供了更人性化的控制系統，從而有效地提高產品的均化效果，延長了設備的使用壽命，使我們的堆料機控制系統設計達到世界領先水平。

參考文獻

[1]馮敏，劉宇.自控產品在堆取料機控制系統上的應用，2006（6）.

[2]李榮芳，范曉濤，等.SIEMENS自控產品在堆取料機控制系統上的應用，2004（3）.

作者簡介：曹艷華（1980，5-），遼寧省開原市人，大學本科，工程師，研究方向：電氣設計。

王鳳（1975，2-），遼寧省開原市人，大學本科，高級工程師，研究方向：電氣設計。