基于PLC 的智能送料系統的設計

宋 慧

（臨汾職業技術學院，山西 臨汾 041000）

在煤炭、冶金、電力等行業，對裝料系統的使用比較廣泛。目前，仍主要采用傳統的控制方式來調速[1]。這種比較老舊的控制方式雖然成本相對較低，但是各種問題比較多，最主要的是在我國人口紅利消減的大趨勢下，這種方式有悖于“中國制造2025”的精神，該類型的設備已不能適應現代化工業發展要求。基于此，筆者使用加裝可編程控制器或嵌入式控制器來控制設備的行走單元；在電力拖動系統部分，使用變頻傳動裝置以及矢量控制技術，優化了調速系統性能，并加以編碼器的輔助控制。

1 總體方案

1.1 任務描述

筆者對送料系統進行智能設計，之前裝料車從出發到完成作業，一次裝料時間平均為15 分鐘。通過對裝料車控制系統進行自動化設計，將一次裝料時間控制在12 分鐘以內。

改造重點是裝料車的自動運行控制，需要改造的設備布置圖如圖1 所示。從布置圖可以看出，裝料車開始出發，低速起步、高速行走，快到達一號位置時減速，低速停靠，準確到達位置后停車，裝料成功后低速行走到下一個停車位，以此類推。

圖1 送料系統平面布置示意圖

由于整套的系統要求全自動化運行，因此就需要加裝PLC，用對位置的反饋選擇比較精確的光電編碼器來實現；對于各種必要的位置信息，采用光電接近開關來測量；對于裝料車內物料的檢測，采用兩個機械式物料傳感器來測量，執行機構采用矢量變頻器，裝料車與中控室的通信采用無線傳輸，中控室的上位機控制軟件采用組態王軟件。裝料車可以根據設定好的參數停靠到指定位置，停靠位置準確[2]。

1.2 工藝流程圖

整個裝料車運行控制的流程圖如圖2所示。從流程圖中可以看出從輸入開始到輸出結束裝料車運行的一系列動作，流程圖形象地描述了整個工作過程。

圖2 裝料車運行流程圖

2 硬件選型

2.1 PLC選型

裝料車在改造后的需求：數字輸入量為42 個，備用數字輸入量為6 個，模擬輸入量為6 個，數字輸出量為14 個，備用輸出量為2 個。具體的I/O 地址分配表如表1、表2 所示。

表1 系統I/O 地址輸入分配表

表2 系統I/O 地址輸出分配表

根據需求，對于PLC，筆者選用了西門子公司的s7 系列。就這次改造而言，考慮到后續還有擴展的需求，所以選擇了s7-300，為后續改造提供可擴展空間。

根據CPU 技術參數手冊可知，CPU315 可帶3 個機架32個模塊，開關量I/O為1024/1024點，模擬量I/O為256/256 點，點數滿足系統要求。

核算24 V 電源總電流，CPU 為0.9 A，變送器為1.58 A，模擬量輸出模塊為0.96 A，數字量輸入模為0.09 A，數字量輸入回路為0.336 A，數字量輸出模塊為0.34 A，中間繼電器為1.28 A，合計為5.486 A。在使用時所有回路不可能都滿載，所以乘以滿載系數0.8，得到的電流為4.388 8 A，所以選擇6ES7 307-1EA01-0AA0 電源模塊（5 A）。

所選用的模塊完全能滿足系統要求，在滿足要求的基礎上對所有點數留有10%的備用點數，為日后的設備維修和改造提供便利，為日后的無需人員值守創造硬件條件[3]。

2.2 電動機選型

電動機是本次改造項目中的動力部分，裝料車的運行完全依靠電機帶動，在選擇電機上要求電機功率與實際需要相匹配[4]。

每套電機功率為：

其中，靜阻力系數為：

運行機構靜阻力為：

式中，Gn為額定起重量；Gz為自重量。

根據式（2）、（3）可以得出：

啟動平均加速度為：

式中，K 為考慮旋轉件的慣性阻力。

可以得出：

式中，C 為風力系數；F 為風壓高度系數；A 為迎風面積。

可以得出：

將數值Gn＝23.2 t，Gz＝311.5 t，g＝9.8 m/s2，ω＝0.006 8，ηg＝0.8，Vk＝75 m/min，a＝0.276 m/s2，K＝1.2，C＝1.2，q＝90 N/m2，F＝1，A＝132 m2，Kh＝1，Kt＝1.12，λcp＝3，Z＝4 代入上述公式，可以計算出P1＝21.497 74 kW。

根據計算，對于電動機，選擇Y Z P 2 0 0 L 1-6/22 kW 電磁制動三相異步電動機。該型號電動機技術成熟、運行穩定，符合改造需求。

2.3 減速器選型

在對減速器進行選型時，最主要的就是確定傳動比。本設計選用的電機是YZP200L1-6/22kW 電動機，其額定轉矩為211 N·m，轉速為n＝980 r/min。

裝料車轉速公式為：

式中，D 為車輪踏面直徑，其中Vk＝75 m/min，D＝710 mm，得出n'＝33.641 34 r/min

傳動比為：

根據上述公式可得出傳動比I＝29.130 83。根據減速機使用手冊，選擇傳動比最接近的I1＝31.5，減速機選型為DCY224-31.5-Ι，將I1帶入式（10），得出裝料車實際速度為69.39 m/min，減速器實際輸出扭矩9 135 N·m[5]。

2.4 變頻器選型

變頻器主要是帶動電機運行，在選擇具體型號時要視所帶電動機的具體型號而定[6]。本設計選用額定電壓380 V、額定功率22 kW 的三相異步電動機四臺，根據電機確定了變頻器的型號，型號為CM53XH-B4T110G，該型號輸入電壓為380 V、輸入電流為214 A、輸出電流為210 A、適配電機為110 kW，與本設計所用的電機相匹配。

3 軟件設計

上位機通信。改造過程中，使用無線通信替代原來的有線通信，推薦使用DTD434M，結構如圖3 所示。本設計采用的無線通信模塊是中心頻率為433 MHz 開發的ISM 拼段，內部的無線傳輸系統由全數字RF 通信芯片以及單片機組成，外部接口是采用標準的RS485 總線方式[7]。但是考慮到裝料車運行的環境比較惡劣，進入建筑下方后信號可能會被屏蔽，使通信不暢，而且WIFI 傳輸距離比較近，PLC 和上位機之間傳輸數據量不大，所以采用了串行通信，而取消了WIFI 連接的方案，解決了上位機和PLC 之間的通信問題。

圖3 無線系統通信結構

4 系統方案的實現

4.1 電氣原理圖

變頻器控制端子接線圖如圖4 所示，數字量輸入端子DI1 為正轉運行、DI2 為反向運行、DI3 為停止、DI4 為故障復位。模擬量輸入端子AI1 為電機電流給定。TA、TC 接中間繼電器KA3.1，變頻器運行時，中間繼電器KA3.1 線圈得電，KA3.1 常開觸點閉合，KM3.1 線圈得電，KM3.1 動作，控制柜內的風機啟動。RA、RC 接中間繼電器KA3.2，變頻器故障時，中間繼電器KA3.2 線圈得電，KA3.2 常閉觸點斷開。

圖4 變頻器控制端子接線圖

安全回路接線圖如圖5 所示，裝料車門閉合，門保護行程開關的常開觸點吸合，主回路接觸器KM1常開觸點吸合，當斷軸保護、錯相保護等檢測正常時，軟件安全回路KB09 線圈得電，其常開觸點吸合，則KA11.0 線圈得電，其常開觸點吸合，與主令零位開關形成自鎖。當操作臺急停按鈕SB3.1、正向超限位開關、反向超限位開關、變頻器故障等任一安全回路開關斷開，則KA11.0 線圈失電，安全回路斷開。如果僅是軟件安全回路故障，需啟動回路時，可按下SA11.2，使KA13.1 線圈得電，其常開觸點閉合，跳過軟件安全回路，但此狀態僅限于維修狀態。

圖5 安全回路接線圖

4.2 PLC程序梯形圖

PLC 的機器語言常用梯形圖，梯形圖具有編程簡便、直觀性較強的優點，具有很好的可讀性。下列是裝料車系統的部分PLC 程序梯形圖。電機電壓、電流數據采集梯形圖分別如圖6、圖7 所示。PLC 對電機電壓數據和電流數據進行采集，將采集回來的模擬量信號轉化成數字信號輸出給上位機、觸摸屏。

圖6 電機電壓數據采集梯形圖

圖7 電機電流數據采集梯形圖

軟件安全回路梯形圖如圖8 所示，軟件安全回路主要包括主令零位、重故障、輕故障等，設備啟動前，必須確保主令控制器在零位狀態。軟硬雙保護安全回路梯形圖如圖9 所示，設計雙保護安全回路，進一步確保設備運行的安全性。

圖8 軟件安全回路梯形圖

圖9 軟硬雙保護安全回路梯形圖

5 系統方案調試

5.1 手動部分調試

將控制柜內的所有斷路器打到閉合位置，開始手動試車。將控制方式的轉換開關切換到手動位置，觀察指示燈是否為手動，觀察手動自動控制狀態是否正確。

將PLC 連接到電腦，關閉主回路電源，合上控制電源，模擬觀察控制過程是否正確，各個點的反饋是否正確。

觀察PLC 上的高速計數器是否開始計數，按下裝料車原點按鈕，觀察編碼器是否復位成零，如果不正確，請檢查硬件接線和程序是否正確[8-9]。按下正轉反轉按鈕，觀察所對應的接觸器是否閉合正確。在線監測PLC，測試各個控制按鈕和相對應的接觸器。手動調試后，所有設備能按要求進行動作，各項指示無異常。

5.2 自動部分調試

手動測試成功后開始測試控制系統的自動運行，這里面的難點在于裝料車料餅裝完后的位置記憶，裝料車運行時編碼器的測試數據和實際運行距離的差距。因為裝料車在啟動和制動時可能會出現滑動的情況，所以要求在自動運行時裝料車的運行頻率不斷調整，直到誤差最小為止。

自動調試完成了對編碼器的測試數據與實際運行距離之間的誤差最小化，最大程度地保證裝料車可以精準停車。

5.3 上位機調試

上位機調試主要是保證PLC 和上位機能正常通信。可以先使用MODSCAN 軟件進行測試，測試成功后再連接PLC，這樣可以排除無線和設置的故障。先調試手動操作，看畫面上的操作按鈕和實際的裝料車動作情況是否一致，如果出現偏差，則進行修改。因為就地手動操作已經設置完畢，所以只能更改觸摸屏畫面上的內部變量，修改完成后開始自動調試，確保現場通信暢通，沒有數據丟失問題。

5.4 綜合試車

當各項調試都正常后，就可以進行綜合試車，這需要向甲方客戶申請，等甲方同意后可以進行綜合試車。為了保證綜合試車一次成功，要求電氣人員和機械安裝人員緊密配合，確保機械和電氣部分沒有任何問題后開始綜合試車[10]。

6 結語

1）采用變頻器實現無級調速取代傳統的調速系統，提高了系統的可靠性和安全性，降低了噪聲，不僅改善了操作人員的工作環境，而且使得設備調速平順，設備實現無級調速，設備不會出現機械沖擊的現象；實現了在低頻低壓狀態下的軟啟動及軟停止，啟動及加速過程的沖擊電流變小，可以實現裝料車在重載的情況下從低速平滑地升至所設定的允許的最高速度。

2）裝料車可以實現準確停靠上料位置，避免了原有人工反復停靠的問題，節省人力成本、減輕工人勞動強度、改善工人勞動環境，從成本上節省了資金。

3）使用無線通信設備取代了原有控制電纜線，在維護保養方面降低了設備故障率，減輕了工人勞動強度，并且從成本上節省了大量資金[11]。