吊斗鏟的PLC系統

邢國棟

摘要：吊斗鏟是由美國比塞洛斯國際公司制造的礦山挖掘設備，也叫拉斗鏟，是世界最大的邁步式拉斗鏟，傳動形式是無齒輪傳動。設備具有非常高的挖掘效率，可全天二十四小時運行，吊斗鏟自重約5000多噸，挖掘深度最高可達70多米，單斗容量大約為90立方米，搬運物料的成本相當低，運行壽命可達40年。PLC系統是吊斗鏟的重要組成部分，使用了美國西門子公司的PLC S7-400.

關鍵詞：吊斗鏟;PLC S7-400;ET200;Profibus

一、吊斗鏟PLC的作用

吊斗鏟PLC使用的是西門子PLC S7-400，這種PLC系統復雜性比較強，于S7-200和S7-300比較，功能更加強大。吊斗鏟的調速系統屬于交-直-交變頻調速，通過SIBAS控制器和PLC S7-400對IGBT（絕緣柵雙極晶體管）器件組成的變頻系統進行控制。將提升/回拉同步電動機的轉速控制在合理調速范圍，最高速度每分鐘35轉，最低速度每分鐘14轉，進行無齒輪傳動。

PLC S7-400是吊斗鏟的心臟，吊斗鏟的運行完全依靠PLC進行控制。所以要想維護吊斗鏟就必須熟悉PLC S7-400的結構、工作原理及使用方法。

它具有以下特點。

（一）用于中等到高級性能要求的強大PLC。

（二）多種性能等級選擇范圍的CPU。

（三）擴展模塊選擇范圍超過300個模塊的可擴展設計。

（四）在模塊中集成背板總線。

（五）無插槽限制。

（六）多CPU同時工作。

二、吊斗鏟PLC的組成

維修如此復雜的PLC系統，必須對它的硬件系統、軟件系統進行全面了解。

（一）硬件

吊斗鏟PLC系統的硬件由主機架和遠程ET200組成。

1.????? 主機架。

（1）電源（PS）。

PLC系統主機架電源是由外部供給恒定的120VAC，轉換為24VDC和5VDC，通過背板總線給其它模塊提供工作電壓。除了外部的供電，電源模塊還安裝了備用電池，備用電池主要用于在外部電源斷電后，保存用戶存儲器的數據。

（2）中央處理器CPU

CPU是中央處理器的縮寫，是PLC的核心組成部分，其主要作用是裝載PLC用戶程序，并對其進行運算和控制。由于吊斗鏟的用戶程序比較大，所以吊斗鏟的PLC系統使用了2個CPU。其中一號CPU為主CPU，使用的是西門子系列型號為CPU416-2DP，定義為CPU416-2DP，CPU416-2DP的CPU有兩個接口，分別是X1 MPI/DP和X2 DP。吊斗鏟兩個接口都用于Profibus通信。另一個CPU為輔CPU，也使用的是西門子系列型號為CPU416-2DP，定義為CPU416-2DP（1），CPU416-2DP（1）的CPU也有兩個接口，分別是X1 MPI/DP和X2 DP，這個CPU只使用了X2 DP 用于Profibus通信。這兩個CPU之間的通信是使用S7的內部通信。

（3）通信處理器CP。

CP是通信處理器。主要用于PLC外部的通信。吊斗鏟采用了常用工業以太網，通過網絡的形式和SIBAS機架、操作電腦、司機操作屏在線通信。

2.遠程I/O站

吊斗鏟體積龐大，參與控制的電器件相距太遠，采用profibus通訊的ET200模塊是PLC的遠程通信模塊，使各個從站同主站進行通訊，用總線形式與CPU連起來才可以起作用，它接收的數據通過總線傳輸給CPU，CPU經過處理后再把信號通過ET200的子站的輸出模塊輸送出去，ET200不需要編程，但是在CPU寫程序的時候，必須在硬件組態中將ET200通過總線掛在CPU機架上，并且保證實際模塊與組態信息保持一致。

（1）從站的電源。

從站的電源，也是由外部供給恒定的120VAC，轉換為24VDC和5VDC。通過背板總線給其它模塊提供工作電壓。從站的電源沒有備用電池，原因是從站沒有CPU。

（2）從站的通信模塊。

ET200是主站的通信模塊，用于與PROFIBUS-DP現場總線連接，每個通信模塊都用自己的地址，而且在一個系統內不能有重復的地址。他的模塊有終端設置，中間的模塊終端電阻設置在“OFF”位置，終端的模塊終端電阻設置的“ON”位置。吊斗鏟共有32個ET200從站。CPU416-2DP的X1 MPI/DP接口的Profibus連接了10個從站，X2 DP接口的Profibus連接了19個從站，CPU416-2DP（1）的X2 DP 接口的Profibus連接了3個從站。

從站的模擬輸出模塊，只有0-10V輸出模塊，主要用于將操作指令、速度、力矩等參考信號傳入SIBAS機架。

（二）軟件

西門子S7系列PLC體積小、速度快、標準化，具有網絡通信能力，功能更強，可靠性更高。S7系列PLC產品可分為微型PLC（如S7-200），小規模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。

吊斗鏟PLC系統的軟件使用的是西門子的S7-400程序。S7-400 PLC是用于中、高檔性能范圍的可編程序控制器。S7-400 PLC采用模塊化無風扇的設計，可靠耐用，同時可以選用多種級別（功能逐步升級）的CPU，并配有多種通用功能的模板，這使用戶能根據需要組合成不同的專用系統。當控制系統規模擴大或升級時，只要適當地增加一些模板，便能使系統升級和充分滿足需要。通過SIMATC Manage軟件來管理程序。軟件作為應用軟件安裝在電腦內，具有可視化功能。

1.硬件組態。

硬件組態就是將你需要的所有PLC模塊，包括電源，CPU，開關量輸入、輸出、模擬量輸入、輸出，通訊模塊等進行配置，然后給每個模塊分配物理地址，這樣就可以方便編程，自己根據需要使用。硬件組態工具是對硬件進行配置、參數賦值以及診斷。即指定如何在機架中擺放模塊，外部硬件必須和硬件組態的位置及參數一一對應，并且每個槽也有自己的固定地址，而且硬件組態也要下載到CPU中。

2.PLC程序。

PLC程序是在SIMATC Manage軟件內編輯，通過軟件將程序下載到PLC的CPU中。吊斗鏟程序也是比較復雜的，由于吊斗鏟的PLC系統采用的兩個CPU，所以每個CPU都裝了不同的程序。

CPU416-2DP使用了9個OB塊，它們分別是OB1、OB34、OB37、OB80、OB81、OB82、OB86、OB100、OB122。CPU416-2DP編輯了100個FC （功能）并且被OB1調用，其中FC1的作用是讀取所有模擬輸入并且存儲到對應的存儲字。FC2-FC40是PLC系統的故障產生，FC41-FC47是故障的子程序。FC48-FC58是設備停機的條件。FC59是系統準備的條件。FC61是系統運行的順序。FC62-FC72是系統運行的步驟。以及FC73-FC100是設備的其它功能。

CPU416-2DP（1）的程序相對于CPU416-2DP少多了。僅有1 個OB塊和4個FC塊。其中OB1的作用是主程序循環和震動數據讀取，FC1和FC2是Wincc的電源表數據。FC4和FC5是提升和回拉編碼器器讀取。這幾個FC同樣也被OB1調用。

三、吊斗鏟PLC在維護保養中常用的功能。

（一）吊斗鏟的使用環境比較惡劣，所以定期除塵，是對PLC保養的重要項目。

（二）更換電源模塊的備用電池，電池的一般壽命為一年。而且更換電池時，只能在上電期間或連接外部電源時更換，否則，用戶存儲器中的數據將丟失。

（三）S7-400 CPU上的LED指示燈，通常根據指示燈辨別故障。

1.LED “INTF”表示內部故障，用戶程序出錯。

2.LED “EXTF”表示外部故障，I/O模塊出錯。

3.LED “BUS1F”表示MPI/DP接口的總線故障。

4.LED “BUS2F”表示DP接口的總線故障。

5.LED “FRCE”表示存在強制輸入/輸出。

（四）S7-400電源模塊指示。

1.LED “INTF”出現內部故障時亮起，例如，5V/24V短路或過載。

2.LED “BAF”電池故障，即沒有電池或電池故障且沒有外部電源供電。

3.LED “BATT1F”電池1耗盡或者缺少。

4.LED “BATT2F”電池2耗盡或者缺少。

5.LED “DC5V/DC24V”當5V/24V DC輸出電壓在容限范圍內時亮起;短路或過載后電壓恢復時閃爍。

6.LED “FMR”，確認開關，用于故障排除后確認和復位故障消息。

（五）下載和保存修改的塊，在日常的工作中，在應用程序進行測試時，要對程序稍做改動，改動完成后，需要保存并且下載到CPU。

1.點擊菜單欄File-Save，進行保存。也可以通過單擊工具欄的“Save”圖標。

2.點擊菜單欄File-Download，進行下載。也可以通過單擊工具欄的“Download”圖標。

（六）修改和監視變量，在工作中處理外部故障時，需要將相應變量的值進行臨時修改。

1.打開變量表，點擊菜單欄PLC-Monitor/Modify Variables。

2.修改變量值，例如修改輸出點Q8.0，在Address欄中輸入Q8.0，然后在Modify Value 欄中，將要賦給變量的值輸入。數字量輸入輸出只有“0”和“1”。

3.使用完畢后根據具體情況進行保存。變量表關閉后，修改的值恢復到修改前。

四、PLC應用中需要注意的問題。

盡管PLC具有可靠性高，抗干擾能力較強等特點。但吊斗鏟生產環境惡劣，電磁干擾特別強烈，再加上如果安裝使用不當，就可能造成程序錯誤或運算錯誤，從而產生誤輸入并引起誤輸出，這將會造成設備的失控和誤動作，從而不能保證PLC的正常運行，要提高PLC控制系統可靠性，就要求我們在使用過程中應注意以下問題：

（一）溫度 ：PLC要求工作溫度在0-55攝氏度，安裝時不能放在發熱量大的元件下面，四周通風散熱的空間應足夠大，PLC設有高/低溫監控傳感器，如果動作系統將無法啟機。因此我們必須作到夏天散熱，冬天保溫。

（二）空氣：避免有腐蝕和易燃的氣體，例如氯化氫、硫化氫等。對于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環境，可將PLC安裝在封閉性較好的控制室或控制柜中，并安裝空氣凈化裝置。吊斗鏟生產環境有很多粉塵，所以PLC控制柜必須有良好的封閉性。

（三）電源：PLC對電源的質量要求非常嚴格，吊斗鏟專門設有一臺帶屏蔽層的隔離恒壓變壓器為PLC提供電源降低電源波動造成的干擾。所以恒壓變是平時檢查的重點。

（四）電磁干擾：現場電磁干擾是PLC控制系統中最常見也是最易影響系統可靠性的因素之一，因此在檢修和使用過程中必須作好接地，屏蔽層絕不能破壞。

（五）PLC模板的更換：當PLC的模板出現問題時必須將故障模板的型號、功能、供電等級了解清楚，換上相同的模板。

（六）PLC的布線：當需要添加設備或線路損壞時，我們布線必須合理。將PLC的IO線和大功率線分開走線，如必須在同一線槽內，分開捆扎交流線、直流線，若條件允許，分槽走線最好，這不僅能使其有盡可能大的空間距離，并能將干擾降到最低限度。PLC的輸入與輸出最好分開走線，開關量與模擬量也要分開敷設。模擬量信號的傳送應采用屏蔽線，屏蔽層應一端或兩端接地，接地電阻應小于屏蔽層電阻的1/10。

參考文獻：

[1]宮淑貞、王冬青，可編程控制器原理及應用，北京：人民郵電出版社，2002

[2]程周，可編程控制器技術與應用，北京：電子工業出版社，2002

[3]周萬珍，高鴻斌，PLC分析與設計應用，北京：電子工業出版社，2004