神華天津港取料機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究?

朱景欣，紀(jì)宏超，喬長(zhǎng)勝，李耀剛

（1.河北聯(lián)合大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.神華天津煤炭碼頭有限責(zé)任公司，天津 300452）

0 引言

神華天津煤炭碼頭有限責(zé)任公司取料機(jī)一直存在中心回轉(zhuǎn)電纜拖鏈結(jié)構(gòu)失效和結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致的6 000 V高壓泄漏問(wèn)題。本文研究回轉(zhuǎn)拖鏈結(jié)構(gòu)失效的有效解決方法，結(jié)合取料機(jī)的工況和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出一種分布式多節(jié)點(diǎn)取料機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，為取料機(jī)及同類(lèi)設(shè)備電纜的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持和依據(jù)；并在分析原控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)出一種新的動(dòng)力系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。

1 取料機(jī)行走控制系統(tǒng)原理

取料機(jī)行走控制系統(tǒng)由上位機(jī)、PLC及其他控制裝置與驅(qū)動(dòng)設(shè)備組成。控制系統(tǒng)將通過(guò)料堆識(shí)別系統(tǒng)采集到的料場(chǎng)料堆實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算和處理存儲(chǔ)在上位機(jī)，當(dāng)中央控制室的操作者給出某斗輪堆取料機(jī)工作指令后，該設(shè)備會(huì)自動(dòng)運(yùn)行到指定的料堆處進(jìn)行取料或堆料作業(yè)，并通過(guò)檢測(cè)裝置自動(dòng)調(diào)整設(shè)備的位置與狀態(tài)。

原取料機(jī)行走系統(tǒng)控制方式如圖1所示，由1＃變頻器驅(qū)動(dòng)取料機(jī)左側(cè)12臺(tái)行走電機(jī)，2＃變頻器驅(qū)動(dòng)取料機(jī)右側(cè)12臺(tái)行走電機(jī)。當(dāng)有一臺(tái)行走變頻器發(fā)生故障時(shí)，整臺(tái)取料機(jī)無(wú)法進(jìn)行行走動(dòng)作，這樣就不能保證取料機(jī)在緊急情況下的行走動(dòng)作，對(duì)于神華系統(tǒng)快節(jié)奏的取裝生產(chǎn)作業(yè)更是一個(gè)重大隱患。為此，改造方案將取料機(jī)的行走控制方式由兩臺(tái)變頻器平行控制改為交叉控制。這樣即使兩臺(tái)行走變頻器中的一臺(tái)發(fā)生故障，也可以保證取料機(jī)在緊急情況下能夠繼續(xù)進(jìn)行取裝生產(chǎn)作業(yè)或撤出作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，這就大大增強(qiáng)了取料機(jī)行走機(jī)構(gòu)的設(shè)備可用性和應(yīng)急作業(yè)能力。

取料機(jī)控制系統(tǒng)采用美國(guó)AB公司Logix5561作為主控單元，通過(guò)ProfiBus－DP總線與兩臺(tái)6SE70變頻器相連接。這兩臺(tái)變頻器分別控制海側(cè)和陸側(cè)的12臺(tái)行走電機(jī)。海側(cè)和陸側(cè)行走電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)海側(cè)和陸側(cè)的行走執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖見(jiàn)圖2。兩臺(tái)變頻器同時(shí)接收PLC處理器發(fā)出的各種控制指令，然后分別驅(qū)動(dòng)海側(cè)和陸側(cè)的行走電機(jī)，實(shí)現(xiàn)整臺(tái)取料機(jī)的行走運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)沒(méi)有采用帶有編碼器的速度反饋系統(tǒng)，屬于開(kāi)環(huán)控制。

圖1 原取料機(jī)行走系統(tǒng)控制原理

2 取料機(jī)行走控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整臺(tái)斗輪機(jī)的控制系統(tǒng)由電氣室、司機(jī)室、司機(jī)室人機(jī)操作界面HMI和電力監(jiān)測(cè)單元等組成。該系統(tǒng)完成整機(jī)數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、控制、輸出等邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)取料機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行控制和連鎖保護(hù)以及與中控室的軟件和電氣連鎖控制。

電氣室PLC主站由17槽機(jī)架、1756－PB75電源、Logix5000處理器、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、Control Net網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、以太網(wǎng)通訊模塊和ProfiBus通訊模塊組成。主站PLC采集行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)的設(shè)備狀態(tài)，經(jīng)過(guò)處理器運(yùn)算后控制取料機(jī)的行走、回轉(zhuǎn)、俯仰等動(dòng)作。

圖2 電機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

司機(jī)室PLC從站由Control Net網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊組成。從站主要是采集司機(jī)室操作臺(tái)各種操作指令、懸臂皮帶機(jī)和斗輪機(jī)構(gòu)的設(shè)備狀態(tài)，然后通過(guò)控制網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到電氣室的PLC主站，經(jīng)過(guò)主站處理器的運(yùn)算處理后，控制取料機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作和相應(yīng)的懸臂皮帶機(jī)和斗輪的運(yùn)行。

司機(jī)室操作員人機(jī)界面HMI為Rocewell公司的2711P系列觸摸屏。該觸摸屏能夠即時(shí)顯示取料機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)的設(shè)備狀態(tài)，當(dāng)整機(jī)發(fā)生故障或報(bào)警時(shí)，主站PLC處理器內(nèi)的報(bào)警信息經(jīng)控制網(wǎng)傳送到觸摸屏，實(shí)現(xiàn)故障信息的報(bào)警和信息提示。

2.2 Profibus通訊系統(tǒng)構(gòu)成

Control Net控制網(wǎng)系統(tǒng)由1個(gè)位于電氣室內(nèi)的Control Net主站和分別位于司機(jī)室、行走臺(tái)車(chē)的Control Net從站、HMI人機(jī)終端和Power Monitor3000測(cè)量從站組成。其中，主站包括17槽機(jī)架、PLC處理器、輸入和輸出模塊、SST－PFB－CLX模塊等；從站均由兩個(gè)7槽機(jī)架和輸入輸出模塊組成。ProfiBus－DP總線系統(tǒng)由PLC主站背板上的SSTPFB－CLX模塊作為ProfiBus－DP總線系統(tǒng)的主站，取料機(jī)的行走變頻器、回轉(zhuǎn)變頻器、行走編碼器、回轉(zhuǎn)編碼器、俯仰編碼器作為設(shè)備從站。SST－PFBCLX主站一方面負(fù)責(zé)讀取各個(gè)變頻器和編碼器的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，然后把這些數(shù)據(jù)通過(guò)PLC背板送入Logix5000處理器進(jìn)行處理和運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器和編碼器的數(shù)據(jù)、位置和狀態(tài)進(jìn)行判斷和運(yùn)算；另一方面，SST－PFB－CLX主站將從PLC處理器獲得的變頻器運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)通過(guò)ProfiBus－DP總線發(fā)送給回轉(zhuǎn)和行走變頻器，從而驅(qū)動(dòng)變頻器運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)控制。兩級(jí)控制系統(tǒng)圖見(jiàn)圖3，組態(tài)及參數(shù)定義界面見(jiàn)圖4。

圖3 兩級(jí)控制系統(tǒng)

本項(xiàng)目采用GSD編程方式，將現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備廠商提供的GSD文件導(dǎo)入后，通過(guò)組態(tài)定義設(shè)備的周期性輸入／輸出的數(shù)據(jù)量和周期性用戶交換數(shù)據(jù)時(shí)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，這樣就可以方便地獲取和修改設(shè)備參數(shù)。因此通過(guò)ProfiBus－DP總線系統(tǒng)除了可以直接控制現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備外，還能夠直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行組態(tài)監(jiān)視。

圖4 組態(tài)及參數(shù)定義界面

PLC組態(tài)主頁(yè)面根據(jù)新的PLC分布重新制作，且點(diǎn)擊每個(gè)I／O模塊都可以查看其中文注釋和通斷狀態(tài)。PLC組態(tài)主界面如圖5所示。

圖5 PLC組態(tài)主界面

通過(guò)改造設(shè)計(jì)后，取料機(jī)電器監(jiān)控系統(tǒng)總體界面見(jiàn)圖6。新的控制系統(tǒng)投入使用后，自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，安全可靠，生產(chǎn)效率可達(dá)80%以上，中心回轉(zhuǎn)電纜拖鏈的結(jié)構(gòu)失效和結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致的6 000V高壓泄漏問(wèn)題得到了有效的控制。

圖6 取料機(jī)電器控制系統(tǒng)總體界面

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)中心回轉(zhuǎn)拖鏈機(jī)構(gòu)和行走臺(tái)車(chē)控制方式的改造，電纜由原來(lái)的203根減少到改造后的35根，數(shù)量減少了82%，拖鏈負(fù)載減少到原負(fù)載的25%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于拖鏈的設(shè)計(jì)負(fù)載。改造后的拖鏈滿足取料機(jī)原有設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)作業(yè)要求，達(dá)到適應(yīng)各個(gè)場(chǎng)次、垛位作業(yè)范圍的要求。取料機(jī)電纜拖鏈機(jī)械結(jié)構(gòu)部分滿足耐磨損、耐腐蝕、耐老化的技術(shù)要求。

［1］ 常春影，李春亭，栗承斌．大型混勻取料機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞與模態(tài)分析［J］．起重運(yùn)輸機(jī)械，2008（11）：50－53．

［2］ 黃遠(yuǎn)居．斗輪取料機(jī)中心落料斗的改進(jìn)［J］．起重運(yùn)輸機(jī)械，2001（4）：28－30．

［3］ 汪大春，張國(guó)旭，李景璽．取料機(jī)中心回轉(zhuǎn)上水機(jī)構(gòu)：中國(guó)，ZL 200620175426．1［P］．2008－1－9．

［4］ 劉黎，闞學(xué)忠．一種散料堆、取料機(jī)的斗輪：中國(guó)，CN 2106816U［P］．1992－06－10．

［5］ 朱世魁，吳亞麗．取料機(jī)軌道運(yùn)轉(zhuǎn)支承限位機(jī)構(gòu)：中國(guó)，CN 2485160［P］．2002－04－10．

［6］ 陳紅輝，程曉鳴．取料機(jī)集中傳動(dòng)式走行裝置運(yùn)行故障及技術(shù)改造［J］．傳動(dòng)技術(shù)，2005（3）：33－39．