圓形堆取料機(jī)角度控制及比例閥優(yōu)化調(diào)節(jié)

楊永恩

（金隅臺(tái)泥（代縣）環(huán)保科技有限公司，山西 忻州 034200）

目前，水泥行業(yè)使用的主要設(shè)備是圓形堆取料機(jī)。圓形堆料機(jī)基本構(gòu)造是中心支柱，可在中心支柱回轉(zhuǎn)的堆料機(jī)和一端繞中心支柱回轉(zhuǎn)，另一端是在圓形軌道上運(yùn)行的橋式刮板取料機(jī)組成的。堆料機(jī)上部設(shè)有回轉(zhuǎn)支撐，其內(nèi)圈與支座固定，支座與來(lái)料棧橋連接，堆料下部也有回轉(zhuǎn)支撐。堆料機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)上設(shè)置的立時(shí)減速機(jī)輸出軸上的小齒輪與回轉(zhuǎn)支撐的外齒圈嚙合，實(shí)現(xiàn)堆料機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，堆料機(jī)懸臂的變幅運(yùn)動(dòng)是由轉(zhuǎn)臺(tái)上設(shè)置的液壓驅(qū)動(dòng)油缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在正常的堆料工藝過(guò)程中，堆料機(jī)的回轉(zhuǎn)和懸臂的變幅是合成運(yùn)動(dòng)，在可編程控制系統(tǒng)的控制下進(jìn)行回轉(zhuǎn)往復(fù)式堆料[2]。

1 研究現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)目標(biāo)

公司的堆取料機(jī)采用的是沈礦集團(tuán)的YG350/80 型堆取料機(jī)，但是此款堆料機(jī)控制系統(tǒng)及其簡(jiǎn)單，只采用了西門子200PLC 進(jìn)行編程，利用EasyBuilder8000 組態(tài)軟件對(duì)MT6000 進(jìn)行編程，進(jìn)行上位機(jī)的控制。但是，從控制模式來(lái)看，廠家編寫(xiě)的程序只實(shí)現(xiàn)了機(jī)上手動(dòng)啟停而已，許多應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的功能都沒(méi)有完成，所以需要完善控制系統(tǒng)。

1）水泥行業(yè)要求圓形堆取料機(jī)應(yīng)達(dá)到以下功能：①能達(dá)到機(jī)上手動(dòng)、自動(dòng)，方便檢修調(diào)試；②能達(dá)到遠(yuǎn)程自動(dòng)啟動(dòng)，方便自動(dòng)化生產(chǎn)；③堆料機(jī)大臂能平穩(wěn)地堆料，減少晃動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)堆料；④堆料機(jī)堆料角度控制在108°，當(dāng)?shù)?08°時(shí)，能準(zhǔn)確停止，并反方向回轉(zhuǎn)；⑤取料機(jī)料耙能平穩(wěn)取料，減弱震動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取料。

而廠家提供的系統(tǒng)，只能實(shí)現(xiàn)第1 條的一部分，完全不能適應(yīng)水泥生產(chǎn)的需要，所以對(duì)堆取料機(jī)改造勢(shì)在必行。

再有，廠家提供的堆料大臂液壓缸和取料料耙液壓缸控制是電磁閥，晃動(dòng)較大，帶動(dòng)整個(gè)堆取料機(jī)晃動(dòng)，成為堆料機(jī)運(yùn)行中最大的設(shè)計(jì)隱患。

2）對(duì)堆料機(jī)目前的控制方式及設(shè)計(jì)缺陷，決定從以下幾個(gè)方面著手改造：

①完善操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)中控遠(yuǎn)動(dòng)，機(jī)上自動(dòng)，機(jī)上手動(dòng)控制，并完善聯(lián)鎖控制；②在回轉(zhuǎn)中心柱上安裝角度編碼器，編寫(xiě)程序讀寫(xiě)編碼器數(shù)值，設(shè)定布料角度[1]；③在堆料臂液壓缸油站及取料機(jī)液壓缸油站上，更換電磁閥改為比例控制閥，使液壓缸能平穩(wěn)伸縮。

2 要解決的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

1）為了完成以上提出的兩個(gè)目標(biāo)需要解決以下幾個(gè)問(wèn)題：①油站上電磁閥更換為比例閥，并且在油路控制上，比例閥需要增加一道泄壓口；②控制系統(tǒng)硬件配置上，需要增加模擬量控制模塊，與比例閥調(diào)節(jié)部分連接，達(dá)到比例閥的輸入輸出控制；③模擬量200PLC 編寫(xiě)程序的語(yǔ)句及數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，需要確定各個(gè)數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換；④編碼器硬件配置及接線，需要搜集相關(guān)資料，查閱西門子高速計(jì)數(shù)器的用法，并編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)預(yù)期任務(wù)。

2）針對(duì)以上幾個(gè)問(wèn)題，從以下幾個(gè)方面著手解決：①編碼器硬件配置，滿足控制要求，可以綜合考慮，編碼器：數(shù)字量輸入2 路（高速計(jì)數(shù)器）；②電磁閥更換比例閥，首先確定電磁閥的型號(hào)及具體參數(shù)來(lái)確定比例閥的型號(hào)，將前期工作準(zhǔn)備妥當(dāng)完善；③將做好的設(shè)計(jì)方案先進(jìn)行試驗(yàn)，確定方案的可靠性。

為了實(shí)現(xiàn)堆料臂的角度控制，在堆料機(jī)中心柱上安裝編碼器。隨編碼器中心軸與堆取料機(jī)中心柱鏈接，編碼器定子與堆取料機(jī)大臂相連，編碼器隨堆料臂一起轉(zhuǎn)動(dòng)。從使用精確度及成本考慮，采用了天晟科技生產(chǎn)的TS40A 型2000 線編碼器，該編碼器使用方便，精度高，無(wú)脈沖丟失現(xiàn)象。

比例閥為市場(chǎng)上通用的德國(guó)費(fèi)斯托EFBG-03-125-C型號(hào)比例閥。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與模型

3.1 建立模型

本系統(tǒng)要完成的兩個(gè)任務(wù)是：旋轉(zhuǎn)角度的控制與比例閥的控制。通過(guò)以上對(duì)該任務(wù)的分析及技術(shù)的采用，將系統(tǒng)建立模型。

1）建立編碼器角度控制模型，如圖1 所示。

圖1 編碼器角度控制模型Fig.1 Encoder angle control model

本模型由PLC 控制布料大臂回轉(zhuǎn)電機(jī)，首先啟動(dòng)時(shí)，已設(shè)定大臂到最高點(diǎn)開(kāi)始布料（保證每次啟動(dòng)堆料機(jī)，大臂先找最高點(diǎn)），到達(dá)最高點(diǎn)后停止，然后向順時(shí)針回轉(zhuǎn)，編碼器開(kāi)始計(jì)數(shù)；當(dāng)計(jì)數(shù)到108°時(shí)（程序已經(jīng)對(duì)數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換），回轉(zhuǎn)電機(jī)順時(shí)針停止，并向逆時(shí)針回轉(zhuǎn)。當(dāng)逆時(shí)針回轉(zhuǎn)到布料大臂安裝的觸料開(kāi)關(guān)碰到料層時(shí)，觸料開(kāi)關(guān)動(dòng)作，逆時(shí)針回轉(zhuǎn)停止，同時(shí)編碼器置位，依次循環(huán)回轉(zhuǎn)（已設(shè)計(jì)大臂回轉(zhuǎn)極限限位）。

編碼器安裝在回轉(zhuǎn)中心柱上，當(dāng)大臂回轉(zhuǎn)時(shí)，編碼器也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)定布料大臂順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)器正向計(jì)數(shù)，布料大臂逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)器反向計(jì)數(shù)。本系統(tǒng)采用HCS0高速技術(shù)器來(lái)累積[3]。

2）建立比例閥控制的模型，如圖2 所示。

圖2 比例閥控制的模型Fig.2 Model of proportional valve control

采用PLC 模擬量輸出（4mA ～20mA）來(lái)控制比例閥，比例閥接收到信號(hào)后，按照給定信號(hào)等比例地打開(kāi)閥芯來(lái)控制油量，進(jìn)而控制液壓缸的伸縮速度，減少大臂和料耙的晃動(dòng)。同時(shí)，為了更好地降低大臂和料耙的晃動(dòng)，在程序編寫(xiě)時(shí)，在特定時(shí)間內(nèi)，比例閥線性的由零到開(kāi)度設(shè)定值，呈現(xiàn)比例閥階梯型的輸出油量，更進(jìn)一步達(dá)到減小設(shè)備的晃動(dòng)問(wèn)題。

3.2 高速計(jì)數(shù)器用法（計(jì)算編碼器數(shù)值）

S7-200 CPU 具有集成的、硬件高速計(jì)數(shù)器。

CPU221 和CPU222 可以使用4 個(gè)30kHz 單相高速計(jì)數(shù)器或2 個(gè)20kHz 的兩相高速計(jì)數(shù)器，而CPU224 和CPU226可以使用6 個(gè)30kHz 單相高速計(jì)數(shù)器或4 個(gè)20kHz 的兩相高速計(jì)數(shù)器。

在本文中，采用的是HSC0 模式，故輸入點(diǎn)接I0.0、I0.1、I0.2。其中，I0.0 接編碼器信號(hào)A，I0.1 接編碼器信號(hào)B，I0.2 接復(fù)位指令（料位開(kāi)關(guān)）。

A 方向?yàn)榫幋a器信號(hào)“+”，B 方向?yàn)榫幋a器信號(hào)“-”，復(fù)位指令接料位計(jì)開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)堆料臂逆時(shí)針回轉(zhuǎn)觸碰到料堆的最高點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)料位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，同時(shí)編碼器技術(shù)復(fù)位。

3.3 西門子200PLC模擬量控制比例閥

1）西門子模擬量模塊選擇，見(jiàn)表1。

表1 模擬量模塊選擇Table 1 Selection of analog quantity module

S7-200 的擴(kuò)展模塊里，分別有2 路、4 路的模擬量輸出模塊EM232。根據(jù)接線方式（M-V 或M-I）選擇輸出信號(hào)類型，電壓：+/-10V DC，電流：0mA ～20mA（4mA ～20mA）。

EM232 模擬量輸入輸出模塊：本文中，選用6ES7 232-0HB22-0XA8 型號(hào)模塊，此模塊可以滿足油站兩組比例閥的控制。

2）模擬量輸入與數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

模擬量信號(hào)在S7-200 CPU 內(nèi)部用0 ～32000 的數(shù)值表示（注：4mA ～20mA 對(duì)應(yīng)6400 ～32000），這兩者之間有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，如圖3 所示。

圖3 模擬量信號(hào)數(shù)學(xué)關(guān)系曲線Fig.3 Mathematical relationship curve of analog signal

3）模擬量輸入的接線方式

4AO EM232 模塊為例，分別介紹電壓、電流型輸入信號(hào)的接線方式，如圖4 所示。

圖4 接線示意圖Fig.4 Wiring diagram

此接線圖是一個(gè)示意圖，表述的是不同的接線方式，并不是指該模塊只有此種用法。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

通過(guò)以上相關(guān)任務(wù)的介紹、使用的技術(shù)及方法實(shí)現(xiàn)，將各功能任務(wù)詳細(xì)列出：

4.1 編碼器部分

1）編碼器安裝

編碼器安裝在堆料機(jī)中心回轉(zhuǎn)支柱上，編碼器旋轉(zhuǎn)軸與堆料機(jī)中心回轉(zhuǎn)支柱采用編碼器軟連接器鏈接，編碼器外殼固定在堆料機(jī)回轉(zhuǎn)大臂上，與大臂同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2）編碼器接線

本系統(tǒng)中采用的編碼器為天晟科技生產(chǎn)的TS40A 型2000 線編碼器，外接線共計(jì)5 根。

電源：褐色接正，藍(lán)色接負(fù)。

信號(hào)：白色信號(hào)為正即A，接PLC 輸入點(diǎn)I0.0。

黑色信號(hào)為負(fù)即B，接PLC 輸入點(diǎn)I0.1。

復(fù)位：橙色為編碼器復(fù)位信號(hào)，在此不用。復(fù)位指令I(lǐng)0.2 接入料位開(kāi)關(guān)信號(hào)。

3）編碼器的程序設(shè)計(jì)

定義高速計(jì)數(shù)器，通過(guò)西門子200PLC 相關(guān)幫助說(shuō)明文件，利用編碼器向?qū)Чδ埽⒕幋a器使用程序。需做幾個(gè)步驟：

① 使用STEP7 編程軟件中的向?qū)Вx擇高速計(jì)數(shù)器使用向?qū)В⒏咚儆?jì)數(shù)器。

② 彈出對(duì)話框后，選擇配置HC0 計(jì)數(shù)器，模式選擇“模式10”。

③ 點(diǎn)擊“下一步”，彈出以下對(duì)話框，做以下設(shè)置（注意：技術(shù)速率選擇4 倍，編碼器為2000 線）。

④ 點(diǎn)擊“下一步”后，選擇“終端模式”，選擇“CV=PV”時(shí)，程序中斷。

⑤ 后面直接選擇“下一步”，可生成高速計(jì)數(shù)器的程序，將程序進(jìn)行編寫(xiě)

4.2 油站比例閥部分

1）比例閥的安裝

比例閥的安裝，因?yàn)樯婕暗接吐返母脑欤袕S家指導(dǎo)改造，用磁力鉆在閥體上增加一個(gè)卸油口，然后將比例閥安裝到位[4]。

2）比例閥程序部分

為了讓大臂更穩(wěn)定，將程序設(shè)計(jì)為：在特定時(shí)間內(nèi)，比例閥線性的由零到開(kāi)度設(shè)定值。將電磁閥控制時(shí)間等分10 份，按十分之一的時(shí)間線性地遞增AQW0 的數(shù)字輸入值，如動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)，使模擬量輸出變?yōu)殡A梯似的線性增長(zhǎng)。為使階梯幅度變小，縮短連續(xù)送數(shù)的時(shí)間間隔，即規(guī)定送數(shù)時(shí)間間隔為4ms。這樣在T 時(shí)間內(nèi)，求出送數(shù)的次數(shù)N：N=T/4，再求出余數(shù)：m = T－4·N，每次送出的數(shù)字增量：△X=32000/N（取整數(shù)）。如m ≠0，在最后m 時(shí)間里送出的數(shù)字量 = 32000－N·△X[5]。

4.3 流程圖（見(jiàn)圖5）

圖5 流程圖Fig.5 Flowchart

5 性能測(cè)試與分析

5.1 測(cè)試實(shí)例的研究與選擇

為了使以上文中提到的方法得以實(shí)現(xiàn)，下面提供編碼器的角度的測(cè)試實(shí)例的方案。

編碼器測(cè)試按照以上方法硬件接好線，程序按照以上編碼器程序編寫(xiě)，編譯下載。將程序下載后，進(jìn)行測(cè)試：

① 編碼器做好零點(diǎn)位置記號(hào)。

② 程序中打開(kāi)監(jiān)控HC0 的狀態(tài)表。

③ 轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器，轉(zhuǎn)過(guò)90°，并監(jiān)控HC0 的計(jì)數(shù)。

④ 發(fā)現(xiàn)當(dāng)計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)過(guò)90°時(shí)，HC0 計(jì)數(shù)為2000。

⑤ 測(cè)試計(jì)數(shù)及角度控制成功。

⑥ 繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)器到108°，HC0 計(jì)數(shù)為2400，并且Q6.0 輸出信號(hào)（可以作為大臂停止信號(hào)）。

⑦ HC0 計(jì)數(shù)為2400 時(shí)，向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)HC0計(jì)數(shù)在減小。

⑧ 當(dāng)HC0 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為100 時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)，用短接線給I0.2 信號(hào)，發(fā)現(xiàn)HC0 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)瞬時(shí)清零，大臂停止。

⑨ 試驗(yàn)結(jié)束。

5.2 比例閥模擬量測(cè)試

比例閥模擬量測(cè)試，不用接比例閥（油站更換比例閥相當(dāng)困難），利用萬(wàn)用表代替比例閥測(cè)試模擬量輸出模塊，用萬(wàn)用表兩個(gè)表筆接模擬量輸出通道的正負(fù)，程序按照以上提供的模擬量控制比例閥的程序來(lái)編寫(xiě)下載，再利用的下載線同樣為6ES7 972-0CB20-0XA0，使用的PLC 型號(hào)為CPU 226CN 216-2BD23-0XB8，擴(kuò)展模塊為6ES7232-0HB22-0XA8。程序下載前，修改震蕩周期時(shí)間4ms 為4s，以便用萬(wàn)用表可以讀取遞增的電流信號(hào)值（萬(wàn)用表要選擇正確的檔位及表筆跳線）。

① 程序下載后，表筆讀數(shù)為4mA。

② 用短接線給I6.1 啟動(dòng)信號(hào)，觀察萬(wàn)用表讀數(shù)。

③ 發(fā)現(xiàn)萬(wàn)用表數(shù)值每隔4s，數(shù)值增加0.8mA。

④ 當(dāng)萬(wàn)用表數(shù)值增加到12mA 時(shí)，數(shù)值不再增加。

⑤ 試驗(yàn)結(jié)束。

5.3 性能分析

1）利用編碼器，按照此文設(shè)計(jì)方案達(dá)到角度控制方法，能準(zhǔn)確定位大料臂的位置，為堆場(chǎng)的均化提供了良好的控制系統(tǒng)，并且增加回轉(zhuǎn)啟停延時(shí)3s，提高了程序的完善性，能減小大臂的晃動(dòng)，保護(hù)設(shè)備。

2）利用比例調(diào)節(jié)閥來(lái)控制液壓缸的動(dòng)作，能最大限度地減小大臂的晃動(dòng)，降低了液壓缸的啟停沖擊，可以保護(hù)油泵，減小油泵的沖擊負(fù)載。

3）此系統(tǒng)改造完全是在原有系統(tǒng)中增加完善，并未增加其他額外的控制，使整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔明了。

4）程序設(shè)計(jì)分為了幾個(gè)小塊，對(duì)以后查閱及修改維護(hù)提供方便，使其他人員也可以很快讀懂程序經(jīng)行維護(hù)系統(tǒng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了水泥行業(yè)石灰石堆場(chǎng)堆取料機(jī)存在的問(wèn)題，對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行研究討論。文中解決了兩個(gè)問(wèn)題：堆取料機(jī)存在沒(méi)有角度控制堆料機(jī)，無(wú)法達(dá)到較好的布料均化效果和堆料臂及取料料耙液壓缸在往返運(yùn)動(dòng)中晃動(dòng)大的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明，為企業(yè)改造提供了技術(shù)支持。