基于PLC的石灰窯輸灰系統(tǒng)技術(shù)改造

何倩

（常州鐵道高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇常州，213117）

1 技術(shù)改造背景

石灰窯除塵系統(tǒng)在絞龍輸送機(jī)基礎(chǔ)上改造成刮板輸送機(jī)，新加入了4臺星型卸灰閥。主體設(shè)備改造后，仍然延續(xù)之前的手動操作方式。雖然在輸灰方式上做出了改變，降低電機(jī)負(fù)荷，降低了堵料、葉片卡死等情況的發(fā)生概率。但是由于操作方式并沒有改變，仍存在一系列問題。

第一個問題就是操作環(huán)境。除塵車間的粉塵十分密集，即使有3M口罩防護(hù)，人員長時間在車間內(nèi)，就會出現(xiàn)明顯的呼吸道不適感。

第二個問題是操作繁瑣、頻繁。由于設(shè)備只有手動操作，操作順序一步都不能錯、不能亂，一步出錯很有可能使得設(shè)備過多加料而造成堵料，這就要求操作人員對現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行流程十分熟悉，而且每隔一定的時間就要進(jìn)行一次操作，過于頻繁的操作將降低人員的操作意識，易發(fā)生安全隱患。

第三個問題是不適宜現(xiàn)代工業(yè)自動化的生產(chǎn)現(xiàn)狀。雖然，運(yùn)輸機(jī)只是整個除塵系統(tǒng)的一個小環(huán)節(jié)，但是對整個除塵效果也起著關(guān)鍵的作用，使其自動化作業(yè)迫在眉睫。

第四個問題是維修時間問題。PLC自動控制系統(tǒng)一經(jīng)檢視，故障點一目了然，可以大大的縮短維修時間的情況。手動操作過于低端，操作箱內(nèi)線路盤根錯節(jié)，不利于維修。往往一個小問題都要半小時到一小時的維修時間。

所以，在刮板運(yùn)輸機(jī)剛剛改造完成，新的改造計劃就開始了—對刮板輸灰機(jī)及星型卸灰閥進(jìn)行基于PLC的技術(shù)改造。

2 技術(shù)改造方案

■2.1 技術(shù)改造主要思路

本次技術(shù)改造是針對刮板運(yùn)輸機(jī)機(jī)及新加的4臺星型卸灰閥設(shè)備加入西門子PLC，進(jìn)行自動化控制。其控制原理分為手動與自動2個部分。在手動情況下，通過現(xiàn)場操作箱進(jìn)行操作或通過新建的WinCC畫面進(jìn)行操作。在自動情況下，則是通過西門子PLC 的編譯程序順序，進(jìn)行自動運(yùn)行。

■2.2 技術(shù)改造方案難點及解決方案

本次技術(shù)改造在計劃方案時，就遇到了諸多問題，下面就對本次技術(shù)改造的難點及解決方案做簡要的說明：

第一、本次刮板運(yùn)輸機(jī)自動化技術(shù)改造項目，任務(wù)是針對設(shè)備進(jìn)行自動化設(shè)計，所以新設(shè)備的自動化運(yùn)行程序編譯、WinCC畫面制作及現(xiàn)場圖紙設(shè)計就是面臨的首要問題。

針對這一問題，查閱刮板運(yùn)輸機(jī)的工作流程，通過運(yùn)行步驟結(jié)合現(xiàn)場實際情況，自主編譯了刮板運(yùn)輸機(jī)及卸灰閥程序，并設(shè)計WinCC畫面及現(xiàn)場電氣圖紙，順利解決這一難題。

第二、以前的運(yùn)輸機(jī)電纜可適用于刮板運(yùn)輸機(jī)的使用，但新加的4臺卸灰閥需要重新鋪設(shè)，既經(jīng)濟(jì)又適用的電纜選型和電纜能否順利鋪設(shè)，鋪設(shè)路線是否合理是面臨的第二問題。

針對這一問題，通過資料查閱，詳細(xì)了解電機(jī)電纜選型，并針對設(shè)備具體型號進(jìn)行比對。再進(jìn)行現(xiàn)場勘查，熟悉現(xiàn)場電纜橋架走向，做好記錄工作，可順利解決。技術(shù)改造時間有限，必須力爭在開工之前就做好完備的理論基礎(chǔ)及計劃方案功課，并提前上報需使用的電纜數(shù)量，爭取為技術(shù)改造節(jié)省時間，盡快使設(shè)備投入使用。

第三、以前運(yùn)輸機(jī)的操作箱可適用于刮板運(yùn)輸機(jī)的使用。四臺卸灰閥的操作箱則需要重新設(shè)計，發(fā)外制作一方面涉及成本，另一方面，不利于設(shè)備維護(hù)人員的檢修及提高。而自主設(shè)計制作，則略顯信心不足，這是面臨的第三問題。

針對這一問題，經(jīng)過慎重思考決定還是自主設(shè)計并制作卸灰閥操作箱。一方面節(jié)約技術(shù)改造成本，另一方面，在設(shè)計、制作過程中通過再學(xué)習(xí)，再實踐，可提高自身專業(yè)技術(shù)水平。最關(guān)鍵的是，自主制作操作箱對檢修和維護(hù)百利而無一害。

第四、除塵系統(tǒng)的PLC的I/O點位不夠，經(jīng)慎重決定，可以通過擴(kuò)展現(xiàn)場PLC的I/O模塊，使用現(xiàn)有的一切備件資源，解決這一問題。

當(dāng)然，在技術(shù)改造過程中遇到的困難遠(yuǎn)不止這些，但在群策群力之下，都一一克服了。

3 技術(shù)改造的具體實施

■3.1 鋪設(shè)電纜

刮板運(yùn)輸機(jī)的電源線和控制電纜線用原先的代替，四臺星型卸灰閥的電機(jī)線和控制電纜要重新鋪設(shè)。卸灰閥的電機(jī)功率為2.2KW,根據(jù)電機(jī)電纜選型口訣可知3×2.5+1×1mm2的橡膠電纜滿足要求，控制電纜是到現(xiàn)場操作箱的，選擇14×1.5mm2帶屏蔽的信號線。放線很方便基本上走的都是現(xiàn)有的電纜橋架，沒有橋架的部分地方穿管鋪設(shè)。由于前期計劃周密，鋪設(shè)電纜方面沒有遇到任何的障礙，順利完成。

■3.2 硬件設(shè)計

3.2.1 電路電氣圖紙的設(shè)計

刮板運(yùn)輸機(jī)的操作箱圖紙由自主設(shè)計完成，大致的工作原理如下：

（1）現(xiàn)場轉(zhuǎn)換開關(guān)打在機(jī)旁檔位，現(xiàn)場可以控制任意一臺刮板電機(jī)和卸灰電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，其電氣原理圖就是電機(jī)啟停電路；現(xiàn)場轉(zhuǎn)換開關(guān)打在遠(yuǎn)程檔位時，此時現(xiàn)場操作箱失效，無法控制刮板機(jī)和卸灰電機(jī)。

（2）工控機(jī)WINCC畫面又分兩種工作方式，手動和自動，當(dāng)任意一臺刮板機(jī)或者卸灰電機(jī)選擇手動控制方式時，可以點擊畫面上的啟、停按鈕來控制他們，當(dāng)選擇自動控制方式時，此時刮板機(jī)和卸灰閥是靠程序自動運(yùn)行的，里面有許多聯(lián)鎖，當(dāng)任意一條刮板機(jī)停止運(yùn)行時，與其相關(guān)的卸灰電機(jī)就會停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2.2 操作箱設(shè)計

新增卸灰閥操作箱有兩種工作制：機(jī)旁和遠(yuǎn)程，操作箱上的轉(zhuǎn)換開關(guān)打在“機(jī)旁”檔位，就可以在現(xiàn)場操作箱上通過“開”和“?！钡陌粹o手動控制卸灰閥；轉(zhuǎn)換開關(guān)打在“遠(yuǎn)程”檔位，就可以通過WinCC畫面和程序控制卸灰閥動作。因此每臺卸灰閥都有一個“機(jī)旁”和“遠(yuǎn)程”的轉(zhuǎn)換開關(guān)，“開”和“停”兩個按鈕，所以操作箱上有4個轉(zhuǎn)換開關(guān)和8個按鈕。

設(shè)計遵循防雨、防灰的原則,操作箱需安裝在合適的位置上。

3.2.3 軟件設(shè)計

（1） 擴(kuò)展I/O模塊的安裝

因為原來的除塵系統(tǒng)的I/O點用完了，必須擴(kuò)展I/O模塊。需準(zhǔn)備的東西有：兩個SM信號模塊、一個IM接口模塊、PROFIBUS總線及DP接頭、導(dǎo)軌等。首先先將所有的模塊按順序固定在導(dǎo)軌上，從左到右依次為：IM、DI、DO，然后再通過PROFIBUS總線建立與CPU的通訊連接，如果有多個分站用PROFIBUS連接的話，必須保證只有最后一個分站的DP頭上的開關(guān)打在“ON”的狀態(tài)上，前面所有的DP頭上的開關(guān)打在“OFF”的狀態(tài)上，否則CPU會報“BF”總線故障。然后，對其進(jìn)行組態(tài)，使其有效的與原PLC鏈接在一起。

（2）WinCC人機(jī)界面設(shè)計

①在原有石灰窯成品除塵系統(tǒng)畫面中加入刮板機(jī)圖形。工作狀態(tài)為綠色，停止?fàn)顟B(tài)為灰色。

②加入3-6#星型卸灰閥圖形。工作狀態(tài)為綠色，停止?fàn)顟B(tài)為灰色。

③并加入對應(yīng)狀態(tài)“PLC”“自動”“故障”。PLC與自動狀態(tài)一經(jīng)選擇，對應(yīng)“PLC”“自動”顯示為綠色，否則為灰色。一旦處于故障狀態(tài)，對應(yīng)“故障”顯示為紅色，非故障則為灰色。

④如果在WinCC畫面上選擇手動工作模式，可以隨時通過鼠標(biāo)點擊WinCC畫面上的對應(yīng)畫面來啟動和停止刮板機(jī)或卸灰閥。

（3）程序編譯

確定刮板輸送機(jī)與卸灰閥的各個操作運(yùn)行點位。其中部分點位來自除塵系統(tǒng)的主體程序，也是設(shè)備工作自動運(yùn)行的前置條件，新加入的點位主要為畫面的操作點位與現(xiàn)場的輸入點位和PLC的輸出點位。

由于1#刮板運(yùn)輸機(jī)與2#刮板運(yùn)輸程序編譯原理相同，3#—6#星型卸灰閥程序編譯原理相同。所以，在此以1#刮板運(yùn)輸機(jī)與3#星型卸灰閥為例簡述程序工作原理：

①刮板運(yùn)輸機(jī)：1#刮板機(jī)由I2.6這個點位分為遠(yuǎn)程及本地操作2種方式，當(dāng)現(xiàn)場操作箱打至“本地”操作由現(xiàn)場操作箱控制。當(dāng)打至“遠(yuǎn)程”則由M21.0這個點位分為WinCC畫面手動與自動操作2種方式。自動狀態(tài)下，滿足前工序運(yùn)行條件M15.0、M15.1、M15.2、及除塵主程序條件M2.7，刮板機(jī)自動運(yùn)行。手動狀態(tài)下，則通過畫面M21.6、M21.7點位進(jìn)行手動操作，如圖1所示。

圖1 1#、2#刮板運(yùn)輸機(jī)程序

②卸灰閥：3#卸灰閥由I20.0這個點位分為遠(yuǎn)程及本地操作2種方式，當(dāng)現(xiàn)場操作箱打至“本地”操作由現(xiàn)場操作箱控制。當(dāng)打至“遠(yuǎn)程”則由M21.4這個點位分為WinCC畫面手動與自動操作2種方式。自動狀態(tài)下，由之前除塵程序的自動條件M15.1來觸發(fā)3#卸灰閥的自動運(yùn)行，而且與2#刮板機(jī)運(yùn)行有聯(lián)鎖保護(hù)，如果2#刮板機(jī)因故停止運(yùn)行，3#卸灰閥也同時停止運(yùn)行，避免因刮板機(jī)停止運(yùn)行，卸灰閥還在工作而導(dǎo)致的刮板機(jī)堵死現(xiàn)象。如圖2所示。

圖2 3#—6#卸灰閥程序

4 熱調(diào)試及效果分析

■4.1 熱調(diào)試結(jié)果

本次技術(shù)改造完成后，對刮板運(yùn)輸機(jī)及星型卸灰閥進(jìn)行了熱調(diào)試，在模擬生產(chǎn)中投用設(shè)備，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，動作流程順暢。運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會出現(xiàn)一些小故障，在程序及電路上進(jìn)行了一些必要的調(diào)整與優(yōu)化。

■4.2 三個月效果分析

實際生產(chǎn)投用后三個月，對刮板運(yùn)輸機(jī)及星型卸灰閥從多個方面進(jìn)行效果分析得出結(jié)果：

（1）在人力資源方面：對比改造前，操作工勞動時間從每天8小時降至2小時，其主要工作為清理余灰，基本不需要進(jìn)行手動卸灰操作。在投用一個月后，操作崗位人員從5人降至2人，預(yù)計人力資源成本節(jié)約12萬/年。

（2）除塵效果方面：技術(shù)改造后石灰窯現(xiàn)在每天的輸灰量達(dá)到了之前的3-4倍，輸灰量的提高使得整個除塵效果顯著提升，大大改善了周邊環(huán)境。

（3）生產(chǎn)產(chǎn)能方面：技術(shù)改造前石灰窯月產(chǎn)能2000噸，技術(shù)改造后首月試運(yùn)行超產(chǎn)500噸，后續(xù)2個月持續(xù)超產(chǎn)，第三個月產(chǎn)量達(dá)到3000噸。為單位帶來了近一半的經(jīng)濟(jì)效益。

（4）設(shè)備運(yùn)行方面：三個月的持續(xù)生產(chǎn)中，據(jù)維修三班故障臺賬統(tǒng)計，刮板運(yùn)輸機(jī)及卸灰閥未發(fā)生任何電氣故障，也未曾發(fā)生閥體堵塞的情況。節(jié)約了設(shè)備的維修成本。