基于PLC技術(shù)的破碎機(jī)自控系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

徐青峰

（西山煤電集團(tuán)公司西銘礦選煤廠，山西太原 030052）

0 引言

在我國(guó)煤礦井下生產(chǎn)中，膠帶輸送機(jī)上運(yùn)輸?shù)奈锪献罱K會(huì)統(tǒng)一卸載到溜煤眼處，然后經(jīng)過(guò)其進(jìn)入到煤倉(cāng)。由于運(yùn)輸?shù)奈锪现信紶柍霈F(xiàn)的體積比較大的煤塊或者是矸石所以溜煤眼堵塞的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。因?yàn)榱锩貉凼敲禾窟M(jìn)入煤倉(cāng)的必經(jīng)之處所以其在礦井生產(chǎn)中的地位是舉足輕重的。國(guó)家也出臺(tái)相關(guān)規(guī)定來(lái)防止此類事件的發(fā)生。為了能夠有效地降低溜煤眼堵塞情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)一套基于PLC的破碎機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過(guò)更加科學(xué)地對(duì)破碎機(jī)進(jìn)行控制，能夠有效減少大塊物料的出現(xiàn)和降低溜煤眼的堵塞現(xiàn)象[1-3]。

1 PLC的結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢(shì)

PLC是將微處理器經(jīng)過(guò)二次開發(fā)編程趨于簡(jiǎn)單穩(wěn)定性有所增強(qiáng)的一種可編程邏輯控制器。PLC主要由幾部分組成：主CPU模塊、電源變換模塊、數(shù)據(jù)輸入輸出模塊以及通訊模塊等。目前煤礦井下使用的控制器中PLC占絕大部分。目前經(jīng)常使用的PLC內(nèi)部集成了兩部分存儲(chǔ)模塊，分別用于存儲(chǔ)控制程序和運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)；其中輸入輸出模塊又分為數(shù)字量和模擬量?jī)煞N。

目前在工業(yè)應(yīng)用中PLC控制器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）程序的編寫和閱讀簡(jiǎn)單化。PLC具有一種獨(dú)有的編程方式就是梯形圖編程。相比于傳統(tǒng)的代碼編程梯形圖在編寫和閱讀方面更具有優(yōu)勢(shì)，尤其是其原理幾乎和繼電器控制原理相同，所以在實(shí)際應(yīng)用中工人上手比較快，學(xué)習(xí)門檻低[4-5]。

（2）選型和使用比較方便。目前生產(chǎn)PLC的廠家比較多，不論是在編程軟件還是在配套技術(shù)支持方面都比較全面，同時(shí)與目前比較流行的各種界面組態(tài)軟件兼容性也比較好，通訊接口也比較豐富。

（3）工業(yè)性應(yīng)用穩(wěn)定性高。PLC經(jīng)過(guò)多年工業(yè)使用基本上驗(yàn)證了其在復(fù)雜環(huán)境下的工作能力，相比于一般的控制器PLC具有更加穩(wěn)定的運(yùn)行特性，能夠很好的適應(yīng)干擾性強(qiáng)的環(huán)境。

2 破碎機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

在設(shè)計(jì)破碎機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)候不光要滿足基本的功能條件，還需要具備實(shí)用性條件，工人在操作時(shí)能夠快速上手，具備一定的自動(dòng)化程度，能夠有效減少操作頻率等。具體功能方面主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：其一是在故障發(fā)生時(shí)具備聲光報(bào)警功能，由于破碎機(jī)的使用頻率比較高，因此故障率也相對(duì)比其他設(shè)備要高，為盡快發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理就要求其控制系統(tǒng)能夠精確的、及時(shí)地對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)并報(bào)警，同時(shí)記錄相關(guān)故障。其二是為了盡量節(jié)約能源，需要對(duì)液壓缸結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度的調(diào)整，使其能量利用率盡可能地高。

3 基于PLC技術(shù)的破碎機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示為破碎機(jī)系統(tǒng)的主要組成部分。由圖中可以看出破碎機(jī)系統(tǒng)主要有4部分組成。其中破碎系統(tǒng)的安裝位置主要是在整個(gè)系統(tǒng)的后部，由液壓缸驅(qū)動(dòng)破碎系統(tǒng)中的錘頭工作。每一個(gè)液壓缸控制一個(gè)錘頭，通過(guò)調(diào)節(jié)液壓缸的動(dòng)作便能夠達(dá)到控制破碎對(duì)象顆粒大小的目的[3]。

圖1 破碎機(jī)結(jié)構(gòu)圖

（1）分析液壓原理

破碎液壓系統(tǒng)破碎煤塊的主要流程如下：液壓缸上升可以帶起2個(gè)重錘，之后快速回落，連續(xù)幾次方可完成煤塊的破碎。破碎煤塊的工作原理是液壓缸上面有2個(gè)錘頭，但是每個(gè)錘頭產(chǎn)生的力量比較分散，從而可以產(chǎn)生比較均勻的沖擊力，達(dá)到破碎的目的。破碎機(jī)液壓系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：油缸、溢流閥、梭閥、二位二通或二位三通的電磁閥等。其中每一組成部分都有各自的功能，比如溢流閥可以保護(hù)液壓回路的配管和相應(yīng)的設(shè)備，梭閥和液壓控制系統(tǒng)的單向閥聯(lián)合起來(lái)可以控制系統(tǒng)回油。失電二位二通電磁閥可以斷開進(jìn)油管路與回油；失電二位三通電磁閥可以關(guān)閉液控單向閥；單向閥受高壓影響開啟，然后液壓缸迅速得到供給的油，最后油缸處于上升的狀態(tài)。油缸下落的狀態(tài)與上升的狀態(tài)截然相反，從而使油缸完全下落[6]。

（2）確定控制方式

目前常用的控制器有以下幾種：以單片機(jī)為主要CPU的控制器、以可編程邏輯控制器為主CPU的控制器以及其他控制器等。由于可編程邏輯控制器在工業(yè)應(yīng)用中的各種優(yōu)點(diǎn)所以該系統(tǒng)選用PLC作為主CPU。外圍配備各種中間繼電器、閥門以及電源和報(bào)警器件等。在被控對(duì)象上還有各種傳感器用于檢測(cè)其工作狀態(tài)。

（3）選擇PLC

在對(duì)主控制器PLC進(jìn)行選型時(shí)需要考慮的因素主要有以下幾項(xiàng)：輸入輸出點(diǎn)數(shù)、價(jià)格、通訊方式、擴(kuò)展方式以及兼容性等方面。在滿足系統(tǒng)控制要求的前提下盡量選擇性價(jià)比比較高的產(chǎn)品是關(guān)鍵的選型標(biāo)準(zhǔn)。在輸入輸出點(diǎn)數(shù)確定時(shí)需要考慮的因素主要由以下幾個(gè)方面：首先在滿足系統(tǒng)需求的前提下結(jié)合成本預(yù)留出一定的余量，方面后期的功能擴(kuò)展一般的余量為15%～20%。其次是在點(diǎn)數(shù)和繼電器或者是外圍配套設(shè)備之間找到平衡點(diǎn)，使總體的成本降到最低?？紤]到傳感器信號(hào)會(huì)有數(shù)字量和開關(guān)量的區(qū)別，所以需要配套一部分模擬量模塊便于數(shù)據(jù)采集和處理。

（4）制定控制方案

考慮到編程熟練度以及整個(gè)系統(tǒng)的兼容性，該系統(tǒng)選用西門子公司最新推出的S7-1200系列PLC。相比于前代的產(chǎn)品，該控制器在小型的運(yùn)行控制方面以及過(guò)程控制系統(tǒng)在高級(jí)功能方面的應(yīng)用進(jìn)行的優(yōu)化和提高。如表1所示為系統(tǒng)的破碎機(jī)通電控制流程[7-8]，用“+”代表接通電源“—“代表斷開電源；DT表示元件代號(hào)。

表1 破碎機(jī)動(dòng)作循環(huán)表

（5）設(shè)計(jì)控制流程

如圖2所示為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的破碎機(jī)液壓控制系統(tǒng)流程圖。從圖中可以看出程序能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)操作，同時(shí)具備參數(shù)調(diào)整功能。

圖2 破碎機(jī)液壓控制系統(tǒng)的流程圖

（6）編輯梯形指令

梯形圖的編輯主要是根據(jù)圖2中的控制流程進(jìn)行的。具體的梯形圖如圖3所示。其中常開觸點(diǎn)M0.0為中間繼電器，DB塊為定時(shí)器，通過(guò)定時(shí)器獲取到定時(shí)時(shí)間然后控制PIW的值能夠達(dá)到控制VD的目的，這時(shí)就能夠?qū)崿F(xiàn)精確的延時(shí)。而延時(shí)時(shí)間主要用來(lái)控制液壓缸下落的時(shí)間。通過(guò)控制中間繼電器能夠使液壓缸開始上升，上升的時(shí)間由PIW控制，當(dāng)上升時(shí)間到達(dá)時(shí)斷開中間繼電器，此時(shí)液壓缸開始下降。通過(guò)預(yù)設(shè)的下降時(shí)間能夠控制整個(gè)液壓缸運(yùn)動(dòng)的頻率，從而實(shí)現(xiàn)控制破碎機(jī)破碎程度的目的。通過(guò)控制人機(jī)界面上的控制按鈕能夠準(zhǔn)確的控制相關(guān)繼電器的通斷，從而實(shí)現(xiàn)液壓缸的重復(fù)運(yùn)動(dòng)。圖3中模塊MOV_W為模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換模塊，SUB_R為減法器。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)PID模塊來(lái)達(dá)到速度控制的自動(dòng)化。

圖3 電磁閥控制梯形圖

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)一套基于PLC的破碎機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)工業(yè)性試驗(yàn)表明其功能實(shí)現(xiàn)完整，穩(wěn)定性高，符合工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)要求。能夠有效降低溜煤眼堵塞的概率，同時(shí)由于該系統(tǒng)具有一定的智能性，有效減少工人的工作強(qiáng)度，為礦井實(shí)現(xiàn)無(wú)人化或者是少人化操作打下基礎(chǔ)。