基于PLC 的圓錐式破碎機(jī)油站控制系統(tǒng)

周開(kāi)平，吳志良

（廣西美斯達(dá)工程機(jī)械設(shè)備有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

圓錐式破碎機(jī)將大礦石破碎出合適尺寸的碎石，廣泛應(yīng)用于建筑、冶煉、鐵路、公路、化工等行業(yè)，為國(guó)家建設(shè)與社會(huì)進(jìn)步、資源有效利用、綠色環(huán)保做出突出貢獻(xiàn)。國(guó)內(nèi)外圓錐式破碎機(jī)發(fā)展迅速，美卓礦機(jī)、山特維克等率先使用PLC 控制圓錐破碎機(jī)油站從而保護(hù)主機(jī)，采用先進(jìn)液壓技術(shù)調(diào)整排料口大小。因受自動(dòng)化發(fā)展水平影響，國(guó)內(nèi)對(duì)破碎機(jī)控制系統(tǒng)的研究較為滯后，也逐漸將PLC 應(yīng)用于圓錐式破碎機(jī)控制系統(tǒng)，如丁佳慧[1]采用S7-300PLC 控制代替了傳統(tǒng)的繼電器控制并增加了上位機(jī)WinCC 提供了方便快捷的界面進(jìn)行控制；楊麗榮等[2]以PLC 為核心控制器觸摸屏為人機(jī)界面接收各個(gè)傳感器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了圓錐破碎機(jī)的自動(dòng)控制改造。傳統(tǒng)的繼電器控制方式會(huì)增加柜體空間，增加線(xiàn)路、增加故障率與檢修率、現(xiàn)場(chǎng)啟停操作不便，不利于快速穩(wěn)定生產(chǎn)。而采用PLC 控制圓錐式破碎機(jī)油站能夠降低主機(jī)故障率與檢修率，保障主機(jī)的潤(rùn)滑降溫、主破電機(jī)的可靠運(yùn)行，準(zhǔn)確破碎出合適大小的石料，滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。對(duì)優(yōu)秀的PLC 控制系統(tǒng)需求日漸增加。為此，設(shè)計(jì)一套采用PLC 與人機(jī)交互界面HMI 控制圓錐式破碎機(jī)油站的系統(tǒng)。

1 油站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

油站控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其由油站控制柜，油站、變頻器控制柜、主破碎電機(jī)、遙控器組成。油站控制系統(tǒng)主要分為潤(rùn)滑系統(tǒng)控制、液壓系統(tǒng)控制兩部分。控制潤(rùn)滑系統(tǒng)潤(rùn)滑主機(jī)，降低主機(jī)內(nèi)部溫度，避免損壞主機(jī)，保證主機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行；控制液壓系統(tǒng)，調(diào)整排料口大小，過(guò)鐵保護(hù)、清倉(cāng)、加壓。控制系統(tǒng)的核心為PLC，PLC 可以接收多個(gè)開(kāi)關(guān)量，模擬量信號(hào)，經(jīng)過(guò)邏輯連鎖判斷輸出，對(duì)比傳統(tǒng)的繼電器控制，可減小柜體體積，接線(xiàn)方便、控制精準(zhǔn)、節(jié)約成本。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 油站控制柜

油站控制柜控制油站各電機(jī)、電磁閥啟停，使得潤(rùn)滑系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)油路循環(huán)達(dá)到控制要求，接收各個(gè)傳感器信號(hào)，反饋至PLC 形成閉環(huán)控制。安裝方式為側(cè)邊安裝并增加減震墊，增加抗震效果。控制柜面板控制方式可分為手動(dòng)盤(pán)手動(dòng)控制，程序手動(dòng)控制、程序自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程遙控控制。前三種方式均可實(shí)現(xiàn)控制潤(rùn)滑系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)，遠(yuǎn)程遙控控制可實(shí)現(xiàn)控制液壓系統(tǒng)。油站控制柜控制面板安裝有，人機(jī)交互界面、電源啟動(dòng)按鈕、急停按鈕，加熱器，冷風(fēng)機(jī)、潤(rùn)滑油泵啟動(dòng)按鈕及運(yùn)行指示，遙控與就地切換開(kāi)關(guān)，報(bào)警指示燈、蜂鳴器、手自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)、增大排料口、減小排料口、加壓、清倉(cāng)等按鈕。柜內(nèi)布局有可編程邏輯控制器PLC、接觸器、熱繼電器、空開(kāi)、隔離模塊、模擬量轉(zhuǎn)換模塊、線(xiàn)纜、中間繼電器、隔離變壓器、端子排、浪涌保護(hù)器等。根據(jù)電氣控制原理圖安裝柜體，柜內(nèi)布線(xiàn)整齊工整，做好標(biāo)記，強(qiáng)電弱電線(xiàn)纜顏色做區(qū)分、接線(xiàn)牢固，并做好接地。

1.2 油站

油站由潤(rùn)滑泵，液壓泵、閥組、冷風(fēng)機(jī)、加熱器、電磁閥、安全閥、傳感器、油箱等組成。油站系統(tǒng)分為兩個(gè)回路，潤(rùn)滑油與液壓油控制回路，油箱用隔板隔開(kāi)分別存儲(chǔ)潤(rùn)滑油、液壓油。油站控制柜控制油站潤(rùn)滑油通過(guò)進(jìn)油管進(jìn)入主機(jī)，再經(jīng)過(guò)回油管流回冷風(fēng)機(jī)冷卻，進(jìn)入潤(rùn)滑油箱。液壓油通過(guò)液壓泵進(jìn)入閥組，控制電磁閥通斷實(shí)現(xiàn)排料口調(diào)節(jié)，加壓、清倉(cāng)功能。

油站各傳感器功能。鎖緊缸壓力、保險(xiǎn)缸壓力傳感器液晶顯示可實(shí)時(shí)讀取壓力值，圓錐破碎機(jī)工作時(shí)需保證壓力達(dá)到一定數(shù)值，拉住調(diào)整環(huán)和定錐以提供破碎力，當(dāng)壓力短暫時(shí)間不足時(shí)經(jīng)PLC 輸出自動(dòng)運(yùn)行液壓泵增加壓力，達(dá)到一定數(shù)值后自動(dòng)停止，程序檢測(cè)10 min 內(nèi)液壓泵啟動(dòng)次數(shù)超過(guò)三次判斷系統(tǒng)故障不保壓，需停機(jī)檢查故障點(diǎn)。當(dāng)潤(rùn)滑過(guò)濾堵塞器、液壓油潤(rùn)滑油液位傳感器、檢測(cè)堵塞、液位低時(shí)PLC 程序輸出指令，HMI 人機(jī)交互界面顯示故障發(fā)出聲光報(bào)警、液壓油與潤(rùn)滑油液位傳感器。進(jìn)油溫度高于45 ℃時(shí)PLC 輸出啟動(dòng)冷風(fēng)機(jī)命令，降低潤(rùn)滑油溫度。加熱器溫度開(kāi)關(guān)檢測(cè)油箱溫度低于20 ℃時(shí)PLC 輸出啟動(dòng)加熱器命令。滿(mǎn)足以下條件時(shí)PLC 輸出命令停止破碎機(jī)保護(hù)主機(jī)：（1）鎖緊缸壓力、保險(xiǎn)缸壓力傳感器壓力瞬間不足。（2）潤(rùn)滑油出油壓力、潤(rùn)滑油進(jìn)油壓力傳感器當(dāng)壓力低于0.1 MPa 或高于1.3 MPa。（3）水平軸壓力開(kāi)關(guān)壓力高于設(shè)定值。（4）油箱溫度、出油溫度、進(jìn)油溫度傳感器檢測(cè)溫度高于60 ℃。

1.3 變頻器控制柜

變頻器控制柜由變頻器，隔離變壓器、中間繼電器、聲光報(bào)警器、互感器、線(xiàn)纜、柜內(nèi)散熱風(fēng)扇等組成。變頻器控制柜裝在設(shè)備上，安裝方式為側(cè)裝并增加減震墊，增加抗震效果，柜內(nèi)元器件安裝牢固，接線(xiàn)牢固。防塵防水達(dá)到戶(hù)外柜IP55 等級(jí)要求。

變頻器控制柜控制主破電機(jī)啟停、調(diào)壓調(diào)頻，正反轉(zhuǎn)等，用于變頻啟動(dòng)，可降低電機(jī)瞬間啟動(dòng)電流，減少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊，充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，減少啟動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生諧波進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，使得主破電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)。

變頻器的選型可根據(jù)控制需求，以及主破電機(jī)功率等條件選型。變頻器功率需等于或大一級(jí)主破電機(jī)功率。

根據(jù)變頻器操作說(shuō)明設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如啟動(dòng)命令為鍵盤(pán)加外控，啟動(dòng)信號(hào)、停止信號(hào)、故障信號(hào)等。操作說(shuō)明可以獲取我們所需要的所有信息包括Modbus通信寄存器地址等，但有些廠家隨機(jī)配置的操作手冊(cè)是精簡(jiǎn)版，可進(jìn)入變頻器廠家獲取完成版的操作說(shuō)明。PLC 讀取變頻器電流模擬量輸出信號(hào)，進(jìn)入PLC隔離模塊，經(jīng)模擬量轉(zhuǎn)換模塊，在HMI 上顯示電流。運(yùn)行信號(hào)輸出至中間繼電器，控制柜內(nèi)散熱風(fēng)扇啟停，將運(yùn)行信號(hào)傳回PLC，故障信號(hào)輸出至中間繼電器，當(dāng)變頻器故障時(shí)，故障信號(hào)傳回PLC 由PLC 輸出命令停止破碎機(jī)，保護(hù)主機(jī)。互感器輸出電流信號(hào)至油站控制柜，在油站控制柜物理電流表上顯示。柜內(nèi)配有10 m 長(zhǎng)接地鍍鋅圓鋼，控制柜工作時(shí)需做好接地防護(hù)。

2 油站控制系統(tǒng)原理

油站控制系統(tǒng)原理圖根據(jù)項(xiàng)目數(shù)據(jù)，控制要求繪制。控制系統(tǒng)原理圖可用CAD、EPLAN 等軟件繪制。

2.1 主回路

如圖2 所示為控制回路主回路電路。主回路由總控開(kāi)，控制回路空開(kāi)、電機(jī)保護(hù)器、接觸器主觸點(diǎn)、電機(jī)等組成，負(fù)責(zé)用電設(shè)備的電源供給，當(dāng)接觸器線(xiàn)圈得電時(shí)接觸器主觸點(diǎn)吸合，回路接通，電機(jī)啟動(dòng)。

圖2 主回路電路

2.2 控制回路

如圖3 所示為控制回路部分回路電路圖。控制回路電源由24 V 供給，由保險(xiǎn)絲、開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)、中間繼電器觸點(diǎn)、接觸器線(xiàn)圈等組成，負(fù)責(zé)控制接觸器線(xiàn)圈。PLC 接收各個(gè)傳感器開(kāi)，開(kāi)關(guān)、接觸器觸點(diǎn)、繼電器觸點(diǎn)等開(kāi)關(guān)量模擬量信號(hào)輸入，經(jīng)過(guò)邏輯判斷輸出信號(hào)使中間繼電器線(xiàn)圈得電從而控制接觸器線(xiàn)圈得電，主回路接通。

圖3 部分控制回路

3 油站控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 油站控制系統(tǒng)PLC 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目需要統(tǒng)計(jì)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)得到統(tǒng)計(jì)I/O 點(diǎn)數(shù)，輸入信號(hào)如開(kāi)關(guān)，旋鈕、接觸器觸點(diǎn)、電流、電壓、壓力、液位、溫度等；輸出信號(hào)如電機(jī)啟動(dòng)，報(bào)警、加壓、清倉(cāng)、排料口增大、排料口減小等。統(tǒng)計(jì)得到油站控制系統(tǒng)I/O 點(diǎn)數(shù)：DI 點(diǎn)數(shù)28，DO 點(diǎn)數(shù)18、AI 點(diǎn)數(shù)6、AO 點(diǎn)數(shù)0，PLC 程序與控制原理圖I/O 點(diǎn)數(shù)一致。根據(jù)I/O 點(diǎn)數(shù)選擇PLC 及擴(kuò)展模塊，本項(xiàng)目無(wú)脈沖，伺服等控制，PLC 選用繼電器輸出，PLC 品牌可根據(jù)實(shí)際情況選用，本次選用西門(mén)子PLCS7-200SMART{2}。PLC 程序控制要求：（1）程序具備一鍵啟動(dòng)功能，在HMI 上按下一鍵啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)運(yùn)行潤(rùn)滑泵，潤(rùn)滑主機(jī)，且各傳感器顯示無(wú)故障，經(jīng)2 min 后自動(dòng)運(yùn)行主機(jī)。（2）程序可以手動(dòng)運(yùn)行與自動(dòng)運(yùn)行，并且可以切換。如加熱器手動(dòng)/自動(dòng)啟動(dòng)、冷風(fēng)機(jī)手動(dòng)/自動(dòng)啟動(dòng)、潤(rùn)滑泵手動(dòng)/自動(dòng)啟動(dòng)、液壓泵手動(dòng)/自動(dòng)啟動(dòng)等。（3）可以在人機(jī)交互界面HMI 修改程序設(shè)定參數(shù)，PLC 參數(shù)變量地址和HMI 關(guān)聯(lián)，如冷風(fēng)機(jī)啟動(dòng)溫度設(shè)定、加熱器啟動(dòng)溫度設(shè)定、排料口大小設(shè)定、自動(dòng)加壓壓力設(shè)定、進(jìn)油出油壓力等。（4）讀取變頻器運(yùn)行信號(hào)，經(jīng)程序計(jì)算信號(hào)在線(xiàn)時(shí)間，在HMI 顯示設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間可判斷使用情況，是否質(zhì)保等。（5）接近開(kāi)關(guān)傳感器裝設(shè)于動(dòng)錐齒輪盤(pán)邊，PLC接收接近開(kāi)關(guān)傳感器信號(hào)利用計(jì)數(shù)器讀取齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)個(gè)數(shù)，根據(jù)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)個(gè)數(shù)算出排料口大小，在HMI 上顯示。（6）壓力、液位、溫度、電壓、電流等信號(hào)進(jìn)入模擬量模塊由程序計(jì)算出對(duì)應(yīng)實(shí)際值在HMI 上顯示。如圖4 所示為讀取電流模擬量信號(hào)。（7）設(shè)備運(yùn)行時(shí)具備液壓自動(dòng)加壓功能給圓錐主機(jī)保險(xiǎn)缸與鎖緊缸加壓。（8）根據(jù)變頻器以及傳感器等信號(hào)的輸入，如主電機(jī)過(guò)載、壓力過(guò)高、溫度過(guò)高、變頻器故障等，由程序判斷，做出停止主機(jī)運(yùn)行的命令，主機(jī)停止時(shí)延遲6Min 關(guān)斷潤(rùn)滑泵，繼續(xù)給主機(jī)潤(rùn)滑。（9）根據(jù)傳感器等信號(hào)，做出報(bào)警輸出，在HMI 上顯示，以及聲光報(bào)警，設(shè)置靜音功能。（10）延遲3 s 接通電磁閥，保護(hù)電磁閥。（11）滿(mǎn)足壓力，溫度、電流等條件才允許給料進(jìn)入圓錐破碎腔。（12）具備聯(lián)鎖保護(hù)。

圖4 PLC 模擬量部分程序

根據(jù)控制要求以及條件，輸入輸出、開(kāi)關(guān)量、模擬量、連鎖保護(hù)等編寫(xiě)程序。讀取主破電機(jī)電流。

3.2 人機(jī)交互界面HMI 設(shè)計(jì)

油站控制柜人機(jī)交互界面HMI 是操控油站控制系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能為顯示、控制系統(tǒng)的運(yùn)行與停止，在HMI 上可操作程序自動(dòng)功能，程序手動(dòng)功能。HMI 畫(huà)面設(shè)計(jì)需整潔，清晰、有條理、層次分明根據(jù)控制系統(tǒng)要求設(shè)置頁(yè)面。HMI 變量地址需保證與程序變量地址一致。人機(jī)交互界面HMI 可根據(jù)實(shí)際情況選用，本次選用昆侖通態(tài)觸摸屏。

人機(jī)交互界面HMI 設(shè)計(jì)5 個(gè)操作頁(yè)面，除首頁(yè)外，每個(gè)界面上方均設(shè)置有報(bào)警滾動(dòng)條，以便實(shí)時(shí)查看故障信息。（1）第1 個(gè)頁(yè)面為首頁(yè)顯示設(shè)備概況，時(shí)間、可操作登陸與退出。界面操作權(quán)限需不同身份人員登陸才能操作設(shè)置參數(shù)、清除報(bào)警記錄等，分為管理人員、調(diào)試人員、工作人員，所需密碼也不同。（2）第2 個(gè)頁(yè)面為生產(chǎn)工藝，顯示排料口大小、油箱溫度、進(jìn)油壓力、出油壓力、鎖緊缸壓力、保險(xiǎn)缸壓力、運(yùn)行電流電壓等。可在該界面切換程序手動(dòng)啟動(dòng)功能與自動(dòng)啟動(dòng)功能如圖5 所示。當(dāng)切換為程序手動(dòng)模式，在界面可操作啟動(dòng)各類(lèi)小電機(jī)如加熱器、潤(rùn)滑泵等；切換為自動(dòng)模式時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)啟動(dòng)潤(rùn)滑泵，自動(dòng)啟動(dòng)液壓泵自動(dòng)加壓，將定錐鎖緊在調(diào)整環(huán)上，避免設(shè)備運(yùn)行定錐轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)傳感器信號(hào)，當(dāng)滿(mǎn)足控制控制條件時(shí)自動(dòng)運(yùn)行破碎機(jī)。（3）第3 個(gè)界面為參數(shù)設(shè)置，設(shè)定控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，如冷風(fēng)機(jī)啟動(dòng)溫度，加熱器啟動(dòng)溫度、主破電機(jī)額定電流、互感器變比、鎖緊缸與保險(xiǎn)缸設(shè)定壓力等。該界面需權(quán)限才可操作。（4）第4 個(gè)界面為設(shè)備啟動(dòng)流程，顯示啟動(dòng)流程中各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行狀態(tài)可顯示為不同顏色，當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)流程中某項(xiàng)條件未滿(mǎn)足時(shí)或故障，顏色顯示為紅色，清晰明了故障點(diǎn)，故障消除后正常顯示為綠色。（5）第5 個(gè)界面為報(bào)警記錄，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，HMI 生成報(bào)警記錄并指示如何檢查故障點(diǎn)，頁(yè)面設(shè)置有報(bào)警清除按鈕，報(bào)警記錄刷新按鈕，頁(yè)面讀取變頻器運(yùn)行信號(hào)，PLC 程序計(jì)算得出設(shè)備工作時(shí)間在該頁(yè)面顯示。

圖5 HMI 生產(chǎn)工藝部分界面

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了如下驗(yàn)證：（1）手自動(dòng)模式潤(rùn)滑泵，液壓泵、冷風(fēng)機(jī)、加熱器是否能夠正常運(yùn)行。（2）是否能夠調(diào)整排料口大小。（3）加壓、清倉(cāng)功能是否正常。（4）主機(jī)運(yùn)行溫度是否正常。（5）各電機(jī)運(yùn)行電流、電壓是否正常。（6）各個(gè)傳感器信號(hào)是否正常，能否自動(dòng)開(kāi)啟風(fēng)冷機(jī)、加熱器。（7）主機(jī)溫度過(guò)高、過(guò)載、電流過(guò)高、壓力不正常等情況是否能夠自動(dòng)停止主機(jī)且潤(rùn)滑泵延遲停止。（8）人機(jī)交互界面是否能正常顯示電壓，電流、溫度、壓力等工藝參數(shù)。（9）是否能夠在人機(jī)交互界面運(yùn)行各個(gè)電機(jī)、調(diào)整排料口等功能。（10）人機(jī)交互界面是否能夠顯示報(bào)警記錄，報(bào)警清除、報(bào)警滾動(dòng)條顯示等功能。

油站控制系統(tǒng)驗(yàn)證方法：（1）檢測(cè)硬件，軟件、控制柜接線(xiàn)、電氣元器件、油箱加注潤(rùn)滑油、液壓油等。（2）將程序下載至PLC 與HMI，檢查輸入輸出點(diǎn)是否與電氣原理圖一致。（3）分別測(cè)試手動(dòng)/自動(dòng)模式，按下油站控制柜，人機(jī)交互界面、遙控器對(duì)應(yīng)按鈕，查看對(duì)應(yīng)功能是否實(shí)現(xiàn)。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，手動(dòng)/自動(dòng)模式下，各個(gè)電機(jī)正常運(yùn)行；聯(lián)鎖功能正常；實(shí)現(xiàn)調(diào)整排料口，加壓、清倉(cāng)等功能；人機(jī)交互界面正常顯示壓力，電流等工藝參數(shù)，正常報(bào)警及顯示報(bào)警記錄。圓錐破碎機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，如圖6 所示。

圖6 驗(yàn)證運(yùn)行

5 結(jié)語(yǔ)

在控制系統(tǒng)PLC 程序編程中，應(yīng)采用簡(jiǎn)單的指令與思路去完成復(fù)雜的控制，只有不能實(shí)現(xiàn)控制功能時(shí)，才使用復(fù)雜的指令，增加程序的可能靠，減少程序漏洞。完成圓錐式破碎機(jī)油站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，應(yīng)關(guān)注設(shè)備工作狀態(tài)，采集電流數(shù)據(jù)、系統(tǒng)故障等，以便優(yōu)化程序，達(dá)到最優(yōu)控制。