水泥固化線輥道控制系統的設計

劉辰龍++陳先林++ 楊蘭菊++劉宇昊

摘 要：傳統的繼電器-接觸器裝置電氣控制系統在水泥固化線輥道控制系統中存在著控制精度低、檢修不便、故障率高、抗干擾能力差、不穩定、通用性和靈活性差、修改控制時需要重新設計布線等缺點。針對水泥固化線輥道控制系統的要求，選擇了具有一系列優點的PLC控制系統對水泥固化線輥道進行控制。該文簡要分析了用西門子S7-300型PLC實現水泥固化線輥道控制的方法，設計了水泥固化線輥道控制系統。該系統提高了輥道的控制精度、節約了輸入輸出點數、大大提高了系統的抗干擾能力，又充分發揮了工控機良好的數據分析和處理的能力。實踐表明，該系統可以保證輥道的安全、可靠、準確運行。

關鍵詞：水泥固化線 輥道控制 PLC 控制 S7-300

中圖分類號：TP342+.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（c）-0124-03

可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為集三大技術（通信、自動控制、計算機）為一體，以微處理器為基礎發展起來的電子控制系統，表現出了很多優點，如，具有較強的抗干擾能力、接口簡單維護方便、控制精度高，特別由于其自身具有較高的可靠性并對惡劣的工業環境有很強的適用性，同時如今的PLC控制系統在處理開關量、模擬量、位置控制、系統集中控制、通信接口等方面都有了很大提高，因而在工業控制領域占據重要地位[1]。而水泥固化工段是采用水泥固化工藝將反應堆運行過程中的放射性濃縮液進行預處理、整備并形成穩定的廢物包，以便運輸、暫存和處置的生產線。輸送輥道是水泥固化工段的主要設備之一，用于將200 L金屬桶自動傳輸到各個指定的工位進行操作。在輸送固化桶的過程中，需要確保固化桶的精確位置。因此，采用PLC對系統的可靠性和安全性進行特殊設計，具有十分重要的意義。

1 水泥固化系統

輥道輸送線貫穿7個工位，由9段輥道組成，分別編號為輥道01～輥道09。包括7段直線輥道和2段旋轉輥道。其中空桶準備工位設置輥道01和輥道02（旋轉輥道）、過渡工位設置輥道03、濕料加注工位設置輥道04、水泥加注工位設置輥道05、封蓋工位設置輥道06、劑量檢測工位設置輥道07（旋轉輥道）、吊運工位設置輥道08、攪拌槳清洗桶暫存工位設置輥道09。輥道的控制決定著整個固化生產線的成敗。水泥固化系統流程圖如圖1所示。

2 輥道控制方案

2.1 主要參數

（1）運行方式：間斷運行，每年完成4 000個200 L滿載桶的往復輸送。

（2）輥道傳輸速度為5 m/min。

（3）輥道輸送線的操作對象為200 L金屬桶，空桶重量50 kg，單桶裝料后的最大重量為450 kg。

（4）輥道均需能實現金屬桶的雙向傳輸（電機能正、反轉）。

2.2 控制功能要求

（1）桶在各工位需停下時，利用輥道電機適當提前停轉，或提前減速的方式，以減小固化桶對定位擋桶裝置的沖擊，同時保證固化桶準確的定位。

（2）采用光電裝置實現固化桶的定位。

（3）輥道分別采用手動控制和分段程序控制兩種控制方式，通過控制電機的正反轉，使固化桶產生前進或后退的定向直線位移。

（4）手動控制時，可單獨啟動每臺輥道電機正反轉。

（5）主要控制開關及其狀態指示包括：每段輥道的前進、后退和停止手動按鈕及其狀態指示、分段程序控制的啟動按鈕、停止按鈕和狀態指示等。

2.3 電氣控制系統

水泥固化線系統采用一一對應的模式對輥道進行控制即固化線上的每段輥道對應著一臺單獨的電動機，通過控制電機來實現輥道的運轉，為了滿足工藝要求保證精度，輥道2和輥道7采用變頻裝置對輥道進行控制。這種單獨的傳動控制模式可以保證輥道控制的可靠性、高精度、大大提高生產效率。在老式的水泥固化線設計中通常采用擋板來改變輥道方向或停止，所以固化線生產中擋板要一直與固化桶接觸，故擋板是固化桶運輸中的易損件。隨著控制技術的不斷進步，固化桶與擋板的接觸已經從“硬碰硬”演變成了“軟著陸”[2]。該固化生產線通過采用常規電機、光電傳感器、限位開關、變頻裝置等，對輥道進行精確的定位與控制，實現固化桶的安裝可靠運輸。

該水泥固化線電氣控制系統包括中央處理器、開關量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、定位模塊、接口模塊、通信模塊、繼電器、光電開關、限位開關、變頻器等。在輥道上裝有光電開關和接近開關來對固化桶的位置進行定位，生產線窺視窗附近上安裝了就地操作箱，就地控制箱上裝有輥道位置監測指示燈、輥道的正反轉和停止按鈕及狀態指示、故障指示。輥道位置信號和工作狀態檢測信號通過輸入模塊送入控制器，控制器發出指令信號并通過指示燈顯示。輸入信號有正反轉按鈕、中間繼電器的觸點信號等。輸出信號包括電磁閥、指示燈、繼電器等，它們以PLC為核心組成PLC控制系統。PLC控制系統根據輸入模塊接收到的信號，執行相應的PLC程序，從而控制輸出回路的電器元件，進而驅動相應的設備，實現水泥固化線輥道的控制。如圖2所示。

2.4 控制回路設計

2.4.1 減少輸入點法

在固化前區窺視窗附件設有就地控制箱，根據工藝要求及操作的方便性，同一設備的控制按鈕需要安裝在2臺控制箱上或3臺控制箱上。那么就相當于單體設備的多個地點啟動和多地點停止按鈕信號。為了減少輸入點，節約成本，將這些信號通過串聯或并聯的方式合并，如圖3所示。圖中SB1～SB3為三地點啟動按鈕，SB4～SB6為三地點停止按鈕。采用減少輸入點法，將6個輸入點減少為2個輸入點。

2.4.2 分時分組輸入

分時分組輸入主要是針對不同時使用的兩個控制點來說的，當兩個輸入信號或多個輸入信號不同時使用時，一個輸入點可以重復使用[3]。水泥固化線固化前區的控制箱都有遠程和就地兩種控制狀態，遠程控制和就地控制不會同時執行。每種控制方式各有N個輸入信號，那么就要占用2N個輸入點。但采用分時分組控制法時，2N個輸入信號只需占用N 個輸入點，其原理圖如圖4所示。

2.4.3 控制回路的設計

水泥固化線控制系統中各設備信號回路采用電氣硬觸點帶動。PLC輸出點可以直接帶指示燈、電鈴等聲光信號裝置。但是，如果信號點數增多，相應地要增加PLC輸出點數，同時就有可能增加輸出模塊的數量，使設備投資加大很多，而且PLC輸出點只能反應控制程序執行結果，并不一定是真正的設備動作狀態，可靠性自然難以保證。例如，PLC某輸出端有信號輸出，而接在該輸出回路上的接觸器線圈燒壞了，使該接觸器控制的電機沒有起動。如果采用PLC輸出信號去控制運行指示信號燈，當然就錯了[4]。因此，水泥固化系統中采用直接來自電氣控制柜的接觸器、開關輔助觸點，只有那些與系統中多個設備有關的顯示信號才以PLC輸出來帶動。

2.4.4 按鈕信號的輸入

輸入信號包括常閉觸點輸入和常開觸點輸入，圖5是輥道的輸入回路電路圖，SB2、SB3分別是正轉按鈕和反轉按鈕。SB2和SB3是將按鈕的常開觸點接到PLC的輸入模塊，那么梯形圖中的觸點類型與繼電器電路的觸點類型完全一致；對按鈕SB1來說，接入PLC控制系統的是按鈕的常閉觸點，那么梯形圖中的觸點類型與繼電器電路的觸點類型相反[5]。

2.4.5 控制回路的互鎖設計

在輥道的控制中，包括電機的正轉控制和反轉控制，如果兩個命令同時動作，會損壞執行機構，有可能還會造成嚴重的工業事故。即使使用PLC，在程序里做了互鎖，還是應該用正反向接觸器輔助觸頭做硬線互鎖，因為有時因為各種原因，PLC的動作也會出錯[6]。當電機工作在正轉狀態時，正轉接觸器通過常閉輔助接點斷開反轉接觸器線圈的回路，使反轉接觸器不會因操作不當而閉合，反之亦然。互鎖控制電路能夠有效地防止電機同時工作在兩種工作狀態而引起的線路短路。如圖6所示。

2.5 PLC抗干擾措施

2.5.1 電源的抗干擾設計

在水泥固化線控制系統中，影響電源品質的主要是外部供電電源和直接與電氣系統連接的儀控系統供電引起的干擾等。它們引起的諧波干擾，直接影響PLC系統的正常工作，比如控制的精度，嚴重時會引起指令的誤動作、錯誤的執行指令。為防止水泥固化線控制系統的干擾，PLC的CPU模塊、I/O模塊、接口模塊、定位模塊及儀控系統的供電等都采用了隔離變壓器進行隔離。當PLC系統中的某個模塊出現故障時，其他模塊還會正常運轉，提高了系統的可靠性。如圖7所示。該系統還設計了UPS不間斷電源，當供電質量不穩定時，CPU可以通過UPS供電，保證了系統的安全運行。鑒于水泥固化線PLC控制系統干擾源的復雜性，除了采取了硬件措施，在軟件設計時也采取了相應的措施，比如：濾波、設計定時器等。

2.5.2 電纜的選擇和敷設

水泥固化線室內動力電纜采用WDZA-YJY-0.6/1kV電纜，控制電纜采用WDZA-KYJVP-系列屏蔽電纜，配電線路敷設為穿鋼管敷設和橋架敷設。

在電纜敷設時采取的措施[7]如下。

（1）電纜在橋架中的敷設為動力電纜和控制電纜分兩側布置，將對控制信號的影響降低到最小。

（2）根據傳輸信號類型選擇不同的電纜。

（3）動力電纜和控制電纜的敷設都是通過穿熱鍍鋅焊接鋼管的方式。

（4）利用光纖電纜進行遠距離信號的傳輸，例如PLC控制系統和主控室DCS的通訊就選擇了光纖傳輸。

2.5.3 接地

接地可以保證設備的正常運行以及人身的安全。水泥固化線PLC控制系統的地包括系統地、屏蔽地、交流地和保護地等。接地系統設計不合理或接地錯誤，容易造成接地點電位的不均勻分布，產生電位差，進而引起地環路電流，從而產生干擾信號，影響系統的正常工作[8]。

接地設計原則[9]：接地面是系統中所有電信號的公共點位參考點；流經地線的設備的電流互不形成電流環路，避免地點位差的影響；流經接地體的電流無電位差。為了更好地抑制干擾，PLC控制系統的接地和其他設備的接地應獨立。如圖8所示。

3 結語

水泥固化線輥道控制系統的設計提高了輥道控制精度，增強了抗干擾能力、可靠性，節約了軟硬件成本，保證了固化桶的安全、可靠、準確運輸。

參考文獻

[1] 王瑩.淺析PLC應用前景[J].科技創新與應用，2015（25）：118.

[2] 丁健.淺談PLC控制系統的設計方法[J].電工技術：理論與實踐，2015（12）：117.

[3] 蔣文偉，程凱，楊浩.基于變頻技術的電梯PLC控制系統設計[J].中國高新技術企業，2015（30）：15-16.

[4] 楊濤.PLC控制系統設計方法解析[J].企業文化旬刊， 2015（11）：11.

[5] 張慶明.自動剪切生產線的PLC控制系統設計[J].中國科技縱橫，2015（16）：68.

[6] 閔海斌，李凌峰，田艷秀.高速線材分鋼輥道控制系統的設計及應用[J].自動化應用，2015（5）：61-63.

[7] 馮娟.PLC控制技術的優勢及抗干擾措施研究[J].時代農機，2015，42（7）：39-40.

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[9] 許曉暉.PLC控制技術的優勢及抗干擾措施研究[J].電子技術與軟件工程，2014（15）：247.