浅谈侧式悬臂堆料机桥式斗轮取料机控制系统的设计

浅谈侧式悬臂堆料机桥式斗轮取料机控制系统的设计
文章介绍了侧式悬臂堆料机桥式斗轮取料机的基本控制理论，以及西门子有源底板、西门子工业以太网、西门子PROFIBUS-DP、光纤通讯等的应用。

标签：控制理论；PLC；工业以太网
1 堆取料机控制系统现状
1.1 堆取料机的特点
侧式悬臂堆料机桥式斗轮取料机具有占地面积小，物料贮量大等优点是现今应用最广泛的均化设备，在港口、码头、大型电厂、水泥厂、矿山都可以见到它的影子。

随着科学技术的不断发展，PLC功能日渐强大，网络通讯功能的应用，使功能控制更加集中，监测能力更加完备，侧式悬臂堆料机和桥式斗轮取料机控制技术也日臻完善。

1.2 堆取料机的工艺流程
侧式悬臂堆料机和桥式斗轮取料机配套使用，侧式悬臂堆料机由堆料臂、配重块、驱动装置、液压系统、主控制室、动力电缆卷盘、控制电缆卷盘和来料小车等部分组成；桥式斗轮取料机由收料皮带、耙车、斗轮、行走小车、动力电缆卷盘及控制电缆卷盘等部分组成。

侧式悬臂堆料机采用往复鳞状堆料的方法，桥式斗轮取料机采用横断面取料方法。

1.3 堆取料机的控制方式
侧式悬臂堆料机和桥式斗轮取料机分三种控制方式，自动方式、手动方式、维修方式，其中自动方式又分为机上自动和中控室自动，中控室自动控制实现了设备的远程遥控操作。

1.4 堆取料机动作联锁流程
侧式悬臂堆料机和桥式斗轮取料机在同一个料场工作，正常工作时它们是相对独立的个体。

侧式悬臂堆料机自动工作时的起机顺序是首先将悬臂降低至下极限，由中控室或机上发出自动工作命令，堆料机发出起机响铃预警15秒，之后皮带启动，5秒后，行走驱动运行并伴有移动警告，堆料机在堆料区域往返行走，卸料皮带机同时卸下物料，堆料机在远离料场中心一侧的停留点是固定的，称为固定点。

在靠近料场中心一侧的停留点是可变的，即每次回缩一段距离，称为可变点。

为保证堆形，堆料机在固定点、可变点的停留时间是可调的。

每次堆料时，堆料机总是向固定点方向行走，在固定点与可变点之间往返行走进行堆料，直到堆料臂上
的料位检测开关触料后液压俯仰系统工作，这时俯仰系统自动上升一段距离，待堆料机达到堆满开关时会向中控室发出堆满停车申请，中控室或机上发出正常停机命令停止堆料皮带和堆料机的运行。

侧式悬臂堆料机会按起动时的相反顺序依次停车。

桥式斗轮取料机自动工作的起机顺序是，启动命令发出响铃15秒，响铃完毕启动输送皮带，5秒后斗轮启动（由于料场位置不同，斗轮旋转的方向不同），7秒后斗轮小车后行（靠近控制室一侧），待物料取完一个横断面，斗轮小车后行碰到后行程，这时斗轮小车停止，取料机大车会向前运行（靠近物料）0.5米，之后斗轮小车前行，待碰到前行程，斗轮又完成一个横断面取料，小车停止，大车向前运行0.5米。

取料机如此反复工作，直到碰到料取完限位。

取料机的停机顺序是起机的逆续，先停大车行走和小车行走，之后是斗轮，最后停输料皮带。

侧式悬臂堆料机和桥式斗轮取料机正常停机后，堆料机大臂抬到上极限，取料机的斗轮开到后行程，以便两台设备交叉换堆。

2 堆取料机设计的原则、硬件及辅助系统设计
2.1 PLC硬件的组态选择
本文介绍的侧式悬臂堆料机和桥式斗轮取料机其控制系统有如下特点：
选用西门子S7 300系列PLC；由ET200和有源底板构成的可热插拔的输入输出模块系统；堆料机、取料机与中控室采用DP通讯，中控室为DP通讯的主站，堆料机和取料机为DP通讯的从站；堆料机与取料机之间的通讯采用工业以太网，堆料机为主站，取料机为从站，两种通讯都通过光纤介质传输，在硬件选型时需要选用将DP信号转变为光纤信号的OLM以及将工业以太网的电信号转换为光信号的光电转换器，并将运行时的数据显示在西门子触摸屏上。

2.2 堆取料机驱动系统的设计
2.2.1 侧式悬臂堆料机主回路
悬臂卸料皮带电机；卸料皮带抱闸；液压变幅电机；堆料行走电机；堆料行走抱闸；
2.2.2 桥式斗轮取料机主回路
皮带电机回路；斗轮电机回路；斗轮小车行走电机；斗轮小车行走抱闸；大车行走电机；大车行走抱闸；
2.2.3 堆取料机主回路的硬件配置
侧式悬臂堆料机行走机构采用西门子440变频器，采用DP通讯的方式控制
电机的起动和停止。

根据桥式斗轮取料机取料的特点，其取料面为三角形而斗轮小车的行走轨迹为直线型，因此为了使出料均匀且提高取料效率，将小车行走轨迹分为3段A、B、C。

在A段与C段行走速度加快，减少取料时间，而B段减慢小车行走速度，增加取料时间。

因此斗轮小车的行走机构也采用西门子440变频进行控制，同时也起到了防止频繁启停电流过高的问题，并使斗轮小车运行更加平稳。

3 侧式悬臂堆料机及桥式斗轮取料机的软件及控制系统开发
3.1 有源底板
西门子300PLC输入输出模块没有带电热插拔的功能，随着技术的不断完善，将有源低板应用到PLC的机架上，用ET200扩展的输入输出模块就可以实现I/O 点的热插拔功能。

将有源底板的GSD文件安装在西门子STEP 7硬件组态上。

ET200采用ET200M系列可以带远程I/O模块的特点，将多个输入模块、输出模块、模拟量和高速模块集成在有源底板上，就可以实现热插拔的功能。

有源底板根据需要选接口有源底板和I/O有源底板，一个接口有源底板安装一块ET200M，它可以扩展80MM的I/O有源底板6块通过硬件的如下设置就可以实现如下功能：
A带电插拔模块时，确保不造成模块的硬件损坏；
B带电插拔模块时，CPU不停机，并产生报警；
C带电插拔模块时，该模块I/O通道的数值保持不变，而其他模块的运行不受影响；D带电插拔模块时，CPU中触发中断组织块或通过DP诊断程序块，得到模块拔出或插入的事件信息，在用户程序或中断组织块OB**中进行相应控制逻辑和I/O通道的处理；
3.2 工业以太网
本项目中工业以太网的应用是为了实现堆料机与取料机之间的信息传递。

工业以太网的特点：
（1）Ethernet是全开放、全数字化的网络，遵照网络协议不同厂商的设备可以很容易实现互联。

（2）以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络。

（3）软硬件成本低廉，由于以太网技术已经非常成熟，支持以太网的软硬件受到厂商的高度重视和广泛支持，有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择。

（4）通信速率高，随着企业信息系统规模的扩大和复杂程度的提高，对信息量的需求也越来越大，有时甚至需要音频、视频数据的传输，目前以太网的通信速率为10M、100M的快速以太网开始广泛应用，千兆以太网技术也逐渐成熟，10G以太网也正在研究，其速率比目前的现场总线快很多。

（5）可持续发展潜力大，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展
3.3 PROFIBUS -DP
PROFIBUS -DP用于现场层的高速数据传送。

主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。

总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。

除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态，诊断和报警处理。

PROFIBUS-DP在本系统中建立两条，在本系统中变频器的起/停，编码器的数据传输采集和扩展的ET200建立在一条DP系统上，为了不影响堆取料机与中控室的数据传输，堆取料机与中控室建立另外的一条DP通讯，这样DP1与DP2互不干扰，数据传输的更精确。

3.4 光纤传输
光纤通信具有频带宽，通信容量大；损耗低，中继距离长；抗电磁干扰等优点。

本台侧式悬臂堆料机、桥式斗轮取料机和中控室的距离都在240米的距离，用光纤作传输介质比其它任何传输介质的损耗都低，而且光纤是绝缘体材料，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受电气化铁路馈电线和高压设备等工业电器的干扰，用它与电力导体复合构成复合光缆，减少了电缆铺设的工时。

采用工业以太网通讯方式，需要用光口交换机将以太网传输的电信号转换为光纤传输的光信号，堆料机、取料机和中控室之间采用PROFIBUS-DP的通讯方式，需要用OLM交换机将DP信号转换为光信号。

4 结束语
侧式悬臂堆料机、桥式斗轮取料机随着科学技术的发展，控制技术日臻完善，提供了更人性化的控制系统，从而有效地提高产品的均化效果，延长了设备的使用寿命，使我们的堆料机控制系统设计达到世界领先水平。

参考文献
[1]冯敏，刘宇.自控产品在堆取料机控制系统上的应用，2006（6）.
[2]李荣芳，范晓涛，等.SIEMENS自控产品在堆取料机控制系统上的应用，
2004（3）.
王凤（1975，2-），辽宁省开原市人，大学本科，高级工程师，研究方向：电气设计。