機械動力系統(tǒng)實時控制系統(tǒng)

陳崢

（唐山冶金礦山機械廠，河北 唐山 063000）

機械動力系統(tǒng)實時控制系統(tǒng)

Real-time control system for mechanical power system

陳崢

（唐山冶金礦山機械廠，河北 唐山 063000）

冶金機械動力系統(tǒng)的研究受制于其的工況環(huán)境。為了解決這一問題在本文設(shè)計了一套對于生產(chǎn)工況進行監(jiān)控的實時監(jiān)控系統(tǒng)，這一系統(tǒng)基于西門子的S7-300PLC控制系統(tǒng)，最終通過上位機將測得的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示出來，并實現(xiàn)實時監(jiān)控。并通過結(jié)合實際冶金生產(chǎn)中的應(yīng)用，表明這一系統(tǒng)具備可行性，對于冶金機械動力系統(tǒng)實時監(jiān)控具有重要意義。

機械動力系統(tǒng)；S7-300PLC；可行性

任何機械系統(tǒng)，動力部分的好壞都直接影響著整個系統(tǒng)的運行和效率，對于冶金采掘機更是如此。而冶金挖掘機這一機械系統(tǒng)是由破碎機、刮板運輸機以及轉(zhuǎn)載機等重要的部分組成的，所以研究三者的動力系統(tǒng)的運行情況對于研究冶金機械動力系統(tǒng)具有重要的意義［1］。三種機械部分的研究主要是對于工作狀況的研究，表現(xiàn)在以下這些方面：軸承的溫度（包括減速器輸入軸與輸出軸，電動機軸伸端以及非軸伸端），潤滑設(shè)備的工作狀況（溫度、油質(zhì)情況），減速器冷卻系統(tǒng)的的冷卻水量的問題，以及當(dāng)系統(tǒng)運行時的減震以及模態(tài)振動情況等。由于這些量可以直觀的來評價系統(tǒng)的工作狀況，所以一般來說這些量被用來判斷設(shè)備運行部動力狀況。在本文當(dāng)中，設(shè)計了一套對于冶金的機械動力部工況進行監(jiān)控的實時監(jiān)控系統(tǒng)，這一系統(tǒng)基于西門子的S7-300PLC控制系統(tǒng)，最終通過上位機將測得的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示出來［2］。

1 結(jié)構(gòu)原理

在圖1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中可以觀察到，最下層是刮板運輸機、轉(zhuǎn)載機以及破碎機三個冶金采掘機的重要組成部分。三機動力部通過ET200從站，然后通過PROFIBUS總線連接上西門子S7-300PLC控制系統(tǒng)，這樣就可以將采集到的信號傳輸給主系統(tǒng)并接受其控制。西門子S7-300PLC控制系統(tǒng)通過連接上交換機與上位機建立起了關(guān)系并且可以實現(xiàn)遠程控制與檢測，最終通過上位機將測得的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示出來。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

這一控制系統(tǒng)通過上位機或者是西門子S7-300PLC控制系統(tǒng)對軸承的溫度（包括減速器輸入軸與輸出軸，電動機軸伸端以及非軸伸端），潤滑設(shè)備的工作狀況（溫度、油質(zhì)情況），減速器冷卻系統(tǒng)的的冷卻水量的問題，以及當(dāng)系統(tǒng)運行時的減震以及模態(tài)振動情況等進行初始的參數(shù)設(shè)置，比如對這些參數(shù)的極限值的設(shè)置。一旦設(shè)置完成，系統(tǒng)就進入了運行狀態(tài)，系統(tǒng)中的一些傳感器諸如流量、位移振動、散熱量等傳感器對三機動力部的相關(guān)量進行采集，并且將采集到的數(shù)據(jù)實時的向上傳回到西門子S7-300PLC控制系統(tǒng)中。而西門子S7-300PLC控制系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)處理功能，能夠?qū)Σ杉瘉淼臄?shù)據(jù)進行計算分析處理，并且通過相關(guān)語言開發(fā)的操作系統(tǒng)傳給上位機，通過上位機最終顯示出實時采集到的數(shù)據(jù)。之前已經(jīng)在系統(tǒng)中設(shè)置好了極限值和參考值，系統(tǒng)會將采集到的數(shù)據(jù)與這些系統(tǒng)進行對比，然后通過向下傳輸實現(xiàn)對破碎機、刮板運輸機以及轉(zhuǎn)載機遠程控制的目的。

2 硬件選取以及軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件的選取

冶金的特殊環(huán)境使得對于系統(tǒng)的檢測和控制比較困難，所以必須對的使用要求、操作環(huán)境進行一定的評估，然后選擇合適的硬件系統(tǒng)。硬件是軟件的物質(zhì)基礎(chǔ)，為整個系統(tǒng)提供了物理基礎(chǔ)。在綜合了的各種因素后，認(rèn)為文中所設(shè)計的控制系統(tǒng)需要具備下面的硬件設(shè)備。正如圖1中所顯示的那樣，要想最終將結(jié)果顯示出來就要具有上機位，還要有用來進行數(shù)據(jù)交換的交換機，其功能是用來連接上位機與控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的交換，還有也是本系統(tǒng)的核心：西門子S7-300PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)總判斷與控制。另外比如要有對破碎機、轉(zhuǎn)載機、刮板運輸機進行信號的采集與控制的ET200從站，應(yīng)用于采集數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中的一些諸如流量、位移振動、散熱量等傳感器和用來進行通訊的PROFIBUS總線。

S7-300PLC控制系統(tǒng)的選取。由于生產(chǎn)的特殊要求，譬如信號比較多，所以對三機的工況檢測就提出了要求，要求具有實時性，這就要求控制系統(tǒng)要具有更新速度快的特點，綜合以上各種因素考慮，在本文中選用西門子S7-300PLC模塊化的控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具備了監(jiān)測控制系統(tǒng)所需要的對數(shù)據(jù)和過程處理的反應(yīng)快速、實時性強等要求得一款中小型的自動化控制系統(tǒng)［3］。這款控制系統(tǒng)操作起來方便、精巧靈活，尤其是其連接系統(tǒng)很是簡便，以及具有無限的模塊插入組態(tài)，給用戶帶來了很大的方便。人性化的設(shè)計以及交互界面接口服務(wù)大大提高了顯示精度與畫面的質(zhì)量。這一系統(tǒng)自帶有編程軟件，也即STEP7編程軟件。這一款軟件系統(tǒng)能夠方便的對數(shù)據(jù)進行適當(dāng)?shù)男薷模薷闹罂梢院茼樌膶ο到y(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)置，使系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)得到很大程度的優(yōu)化性能參數(shù)設(shè)置，與此同時與上機位建立聯(lián)系，并且借助于上機位對系統(tǒng)的需要模塊進行管理，然后顯示出來。

ET200叢臺的選取。在圖1中，最終是想要對刮板運輸機、轉(zhuǎn)載機以及破碎機三機動力部工況實時的進行監(jiān)測，需要將三者與S7-300PLC控制系統(tǒng)建立關(guān)系?？墒羌偃缰苯訉蓚€部分連接起來會出現(xiàn)由于他們的距離遠直接連接會造成布線相當(dāng)?shù)姆爆崳@樣一來就使得系統(tǒng)看起來不夠簡潔，而且操作起來不夠方便，甚至一旦出現(xiàn)故障給排查故障源都帶來了一定的麻煩，這種狀況實在設(shè)計是不愿看到的。為了解決這種矛盾，可以在兩部分之間加接ET200從站。這種器件是分布式的I/O擴展模塊，可以將由傳感器得到的信號直接傳輸?shù)剿弦患壍目刂葡到y(tǒng)中去，從而解決了上面遇到的問題，使得監(jiān)測與控制得到了簡化大大增加了效率與信號傳遞的有效性。除了這些優(yōu)點以外，ET200從站能夠工作于危險的區(qū)域，比如將其安裝1區(qū)，那么對于最高危險級別的0去的信號可以通過它傳輸出來，為冶金的安全提高做出了貢獻。也為整個系統(tǒng)的連接創(chuàng)造了便利的條件。

傳感器的選擇。系統(tǒng)中的一些諸如流量、位移振動、散熱量等三機動力部的相關(guān)變化量是整個系統(tǒng)運行狀況的直接放映。但是這些參數(shù)的變化并不能直觀的看見，需要將其轉(zhuǎn)化成控制系統(tǒng)可以接受的信號數(shù)據(jù)，這時就需要傳感器這種將變化量轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信號的器件。本文中選用的傳感器為：GW50（A）型溫度傳感器、ZH7362冶金流量傳感器、GPY6型壓力傳感器等［4］。這些傳感器的應(yīng)用對于信號采集的重復(fù)性是一種有效的辦法，在工業(yè)中得到了大量的應(yīng)用。傳感器將采集到的數(shù)據(jù)向上傳輸?shù)紼T200從站中去，然后在經(jīng)從站向上傳輸?shù)娇刂破髦?，最終實現(xiàn)了控制的目的。

通訊設(shè)備的選取。硬件與硬件之間要進行連接，這種連接需要保證在傳輸過程中信號要不失真與泄露，保證信號能夠準(zhǔn)確無誤的傳輸。本文中選取PROFIBUS總線，它是一種現(xiàn)場總線系統(tǒng)，能夠保證信號快速傳送的全集成自動化定制系統(tǒng)。它的應(yīng)用可以實現(xiàn)信號的高速傳送，實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時性的特點并且，其信號傳輸并未超出本質(zhì)安全區(qū)域，所以對于冶金的應(yīng)用來說是能夠滿足的。

2.2 軟件的選取

前面已經(jīng)提到，西門子S7-300PLC控制系統(tǒng)自帶有編程軟件，也即STEP7編程軟件。這款軟件是在基于VB環(huán)境下編寫出來的，它能夠方便地實現(xiàn)對PLC的編程控制。首先控制系統(tǒng)一上來先要進行初始化的設(shè)置，然后進行數(shù)據(jù)的監(jiān)測，例如對三機的工況情況進行監(jiān)測，然后通過編程控制系統(tǒng)。然而這一軟件系統(tǒng)對采集來的數(shù)據(jù)的模擬量不能直接顯示，而是要借助于上位機軟件才能夠顯示出來。

3 實際應(yīng)用

本文中設(shè)計的控制系統(tǒng)進行了實際應(yīng)用。通過將設(shè)計系統(tǒng)安裝于潞安冶金集團司馬煤業(yè)從投產(chǎn)以來，運行狀況良好，生產(chǎn)量達到了170多萬噸。這一系統(tǒng)對于之前冶金三機動力部存在的軸承的溫度（包括減速器輸入軸與輸出軸，電動機軸伸端以及非軸伸端），潤滑設(shè)備的工作狀況（溫度、油質(zhì)情況），減速器冷卻系統(tǒng)的的冷卻水量的問題，以及當(dāng)系統(tǒng)運行時的減震以及模態(tài)振動情況等問題的解決具有明顯的優(yōu)勢，對系統(tǒng)的實時監(jiān)測很穩(wěn)定。實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)例如減速器冷卻水水量過少時，系統(tǒng)會第一時間進行預(yù)報，顯示減速器冷卻水水量出現(xiàn)異常狀況，隨后系統(tǒng)會自動進行調(diào)控水量，防止因為水量過少造成冷卻不及時而對減速器造成破壞。這樣一來，不但節(jié)省了當(dāng)量的人力物力，而且給生產(chǎn)帶了很大的便利與事故的防治監(jiān)測。對于重特大事故的消除起到了重要作用，實現(xiàn)了企業(yè)的有效管理與檢修。

4 結(jié)語

冶金的復(fù)雜環(huán)境造成了對于機械的監(jiān)測不是很方便，鑒于這種狀況本文提出設(shè)計了一套對于冶金的機械動力部工況進行監(jiān)控的實時監(jiān)控系統(tǒng)，這一系統(tǒng)基于西門子的S7-300PLC控制系統(tǒng)，最終通過上位機將測得的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示出來，并且能夠控制整個機械系統(tǒng)。能夠很方便實現(xiàn)遠距離，精確防止干擾的實現(xiàn)機械系統(tǒng)控制。克服了以往的傳統(tǒng)方法和手段的缺點，并通過結(jié)實際在線的應(yīng)用，表明開發(fā)設(shè)計的這一實時控制系統(tǒng)能夠滿足實際生產(chǎn)需要，在線運行狀況良好。不但節(jié)省了大量的人力物力，而且對于冶金機械安全事故的防治具有重要的意義，保證了設(shè)備運行的安全性，實現(xiàn)了企業(yè)的有效管理與檢修。

［1］ 王金華. 中國冶金現(xiàn)代化開采技術(shù)裝備現(xiàn)狀及其展望［J］. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39（001）： 1～5.

［2］ 陳寇忠，雷汝海，胡志強. 基于S7-300PLC 的煤炭裝車自動控制系統(tǒng)［J］. 煤炭技術(shù)，2012，31（005）： 28～30.

［3］ 張宏宇. 冶金綜合機械化采煤工藝研究［J］. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2013 （4）：124～126.

［4］ 劉紅霞，張建鋒. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的冶金瓦斯預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計研究［J］. 煤炭技術(shù)，2010，29（4）： 33～35.

TH113

1009-797X （2015） 18-0106-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.18.041

陳崢（1985-）男，專科學(xué)歷，助理工程師，研究方向為冶金機械類。

2015-08-14