破碎機控制系統PLC升級改造

白希 龐德龍

北方重工集團有限公司 遼寧沈陽 110000

隨著西門子PLC設備的不斷升級換代，1994年SimaticS5系列逐漸被SimaticS7系列替代，S7系統能完全替代S5的所有功能，在運算方面、穩定性、抗干擾性以及系統冗余方面都有很大的提升。我廠破碎機于2002年投產使用，當時采用的是S5-95U控制系統，由于近期PLC主機故障頻發，導致設備無法穩定可靠運行且備件極其緊缺，因此決定對破碎機控制系統進行升級改造[1]。

1 破碎機PLC控制系統

破碎機PLC控制系統主要由電控柜和其他設備組成，電控柜中西門子PLC程序控制器是控制柜的核心部件，PLC程序控制器是西門子S7-1200可編程序控制器，而且還包括西門子數字擴展模塊、模擬擴展模塊、遠程通信模塊。輔助控制電氣元件還有變壓器、斷路器、變頻器等。變頻器的工作主要是精確控制破碎機履帶行走；變壓器是將礦區高壓輸電轉換成配電柜及相應設備所用電源的電壓；CAN通信系統及相關設備主要是用于PLC程序控制器和HMI觸屏控制界面之間的通信，并且用于破碎機遠程操作控制信息的傳輸，對振動設備、犁煤設備、皮帶傳送設備之間的聯動進行控制，能夠對輸送機馬達進行正反轉控制，對料斗進行升降控制。系統傳感元件主要用于把控油位、壓力、油溫等，輔助設備包括照明燈具、信號燈具、應急停止開關、瓦斯檢測變送器等[2]。

2 改造方案的思路

2.1 硬件設備的替換

考慮到空間、成本、程序編寫等因素，將使用S7-300，CPU為312型來替換S5-95U。主要選擇該主機的原因有兩點：①S7-300基本上算是在S5基礎上升級優化而來，大部分程序以及指令都有相通之處。在程序編譯和修改方面可以減少相應的錯誤；②目前公司有完善的S7仿真設備以及人員均具備S7-300的日常維護能力。

2.2 程序方面的升級

先對S5程序以及破碎機工作方式進行整理，了解各個程序運行模式以及運轉過程，再通過整理對S7程序進行重新編寫仿真。

3 改造方案的實施步驟

3.1PLC與變頻器選型設計

本系統PLC控制器選用西門子公司的S7-200型，S7-200型PLC控制器操作簡單，適用于小型自動化控制系統，具有快速的數據處理能力；系統連接簡便，組態處理方便；指令處理速度較快，縮短了系統執行命令的循環時間；最多可增加3個擴展模塊，芯片集成度高，節省了系統空間；具有功能強大的編程器和編程軟件。S7-200型PLC具有運行和停止2種模式，當系統處于運行模式時，控制器執行用戶程序來滿足系統的控制要求；當處于停止模式時，處理器不執行用戶程序，用戶在此模式下設置系統要實現的功能，并將從編程軟件創建、編輯、編譯好的程序和數據傳輸到CPU處理器當中。除了受到控制工作模式的轉換以外，系統還可以通過軟件控制的方式調節控制器的運行和停止。在對變頻器選型時，考慮破碎機負載不均勻，工況惡劣，本文最終選用西門子公司生產的MM440型號變頻器，其適用于高級矢量控制系統，可在負載突然變化的情況下保證高驅動性能。MM440變頻器具有快速的輸入響應，內部帶有制動斬波器，在制動時保障設備安全穩定停止工作。

3.2 控制方式設計

本控制系統選用PLC控制器作為系統的核心處理器，PLC可編程控制器主要由CPU模塊、電源模塊、I/O模塊以及通信模塊等組成。PLC控制器在編譯程序時較為簡單，即可使用代碼語言編程也可使用梯形圖編程，工人在實際操作中操作簡單，上手速度快。市場上PLC技術完全成熟，在工程控制領域應用廣泛，不論是在編程還是在配套軟件方面都具有完整的技術支持，并且具有良好的兼容性，通訊接口傳輸信號穩定，抗干擾能力強，在復雜環境下仍然具有穩定的工作能力，減少誤差。系統對破碎機控制的方式選用變頻驅動速度閉環控制，首先給系統設定1個速度值輸入給PLC，控制器通過控制變頻器改變電機的輸入頻率來改變電機的輸出轉速，安裝在電機輸出軸的速度傳感器將速度信號傳輸到PLC控制器，構成閉環控制系統，其中速度信號的測量可使用光電編碼器實現[3]。

3.3 對原功能的優化

原有S5報警出口只有一個，在排查故障和監護運行情況下不夠明朗。為增強故障可見性，為此在原有主程序不變的情況下，設置獨立故障報警出口，以便利用PLC指示燈讀出故障原因。

4 結語

本文設計了一種基于PLC的破碎機變頻控制系統來替代傳統的繼電器控制方式，系統通過在電機輸出軸安裝編碼器的方式檢測電機的轉速，通過引入PID控制器調節優化了動態響應，實現系統變頻驅動的閉環調速控制，PLC控制器與變頻器之間采用USS協議進行通訊，控制器與上位機采用CAN總線的通信方式實現數據傳輸，增強了系統的抗干擾能力。控制系統的應用將會降低設備工作時的消耗，實現破碎機的軟起動，減少設備在受到沖擊時所造成的損壞，降低了故障發生率，提高了破碎機的穩定性與可靠性。