PLC在混捏機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

西門子S7系列PLC以其可靠性高、軟件功能豐富、編程簡(jiǎn)便，尤其是其組網(wǎng)能力強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)而越來越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，從S7-200、S7-300至S7-400，西門子PLC提供了PPI、MPI、Profibus、Industrial Ethernet及AS-i等系列網(wǎng)絡(luò)解決方案，從而滿足了管理層、客戶層、現(xiàn)場(chǎng)層到傳感器/執(zhí)行器等各種層面的通訊需求。本文以我廠炭素成型連續(xù)混捏機(jī)改造為例，闡述了PLC如何實(shí)現(xiàn)混捏機(jī)調(diào)速控制、混捏過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、顯示、操作等功能。保障了生產(chǎn)過程的連續(xù)性，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了勞動(dòng)條件，實(shí)現(xiàn)少人或無人巡視的目標(biāo)，達(dá)到了對(duì)大型、關(guān)鍵設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行的目的。

2、被控對(duì)象

中鋁青海分公司炭素連續(xù)混捏機(jī)是八十年代中期從德國(guó)BUSS公司引進(jìn)的鋁電解預(yù)焙陽極專用大型設(shè)備。其混捏方式采用動(dòng)、靜攪刀相對(duì)運(yùn)動(dòng)和攪拌軸前后移動(dòng)實(shí)現(xiàn)糊料混捏目的。其混捏機(jī)總控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 混捏機(jī)控制及輔助裝置的系統(tǒng)控制圖

3、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一個(gè)設(shè)計(jì)良好、性能優(yōu)越的控制系統(tǒng)，必須有高質(zhì)量、高性能的硬件配置才能保障最佳控制目的實(shí)現(xiàn)。由于混捏機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際控制量較少，采集的參數(shù)種類較多的特點(diǎn)，采用S7-200 PLC能完全滿足其控制要求。另外S7-200 PLC是以Profibus-DP為通訊模式，其高速（數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)12Mbps）且優(yōu)化的通訊方式，適合現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制系統(tǒng)與分布式I/O及其它設(shè)備之間的主從通信。其PLC的主要配置分別為：處理器選用CPU315-2DP；數(shù)字輸入模塊6ES7 321-1FH00-0AA0 6塊；模擬輸入模塊6ES7 331-7NF00-0AB0 2塊；數(shù)字輸出模塊6ES7 322-1FH00-0AA0 4塊；模擬輸出模塊6ES7 332-5HD01-0AB0 1塊；模塊前連接器6ES7 392-1BJ00-0AA0 13塊；IM365本地?cái)U(kuò)展模塊（6ES7 365-0BJ01-0AA0）1塊；電源模塊PS307 5 1塊；DP總線連接器（6ES7 972-0BB50-0XA0）2塊；監(jiān)控裝置為觸摸屏TP270（10寸帶Profibus接口）。其原理如圖2所示。

圖2 PLC控制混捏機(jī)及其輔助系統(tǒng)原理圖

由于數(shù)字輸入模塊具有各組之間、組與數(shù)據(jù)總線間均設(shè)為相互隔離，其輸入信號(hào)可直接接至模塊上，也可用繼電器隔離后接入模塊，其輸入模塊內(nèi)部原理如圖3所示。

圖3 PLC數(shù)字信號(hào)輸入模板接線圖

另外，由于模擬輸入模塊各通道之間、通道與數(shù)據(jù)總線間隨具有隔離功能，但因混捏機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)以及現(xiàn)場(chǎng)各信號(hào)采樣傳感器電源回路、電壓高低不同，為使PLC系統(tǒng)工作安全、可靠，一般要求其各輸入信號(hào)必須隔離。此外對(duì)于遠(yuǎn)程采樣信號(hào)，為提高測(cè)量準(zhǔn)確性，其輸入信號(hào)均采用電流信號(hào)輸送。對(duì)于無源輸入信號(hào)，而且傳輸距離短的傳感器信號(hào)，可直接輸入。其模擬輸入模塊的內(nèi)部原理如圖4所示。

圖4 PLC模擬量輸入模板接線圖

在模擬模塊輸入接線中，要考慮實(shí)際采用的傳感器的引線根數(shù)，對(duì)于多數(shù)4芯傳感器接線，則采用圖5接線方式；對(duì)于2芯傳感器接線，則采用圖6接線方式。

圖5 熱敏電阻與模擬輸入模塊的四線連接

圖6 熱敏電阻與模擬輸入模塊的兩線連接

3.1 混捏機(jī)控制及保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在混捏機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中，除調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)有過壓、過流、限速、短路、可控硅擊穿等保護(hù)措施外，還設(shè)置了多個(gè)PLC軟件保護(hù)功能。如速度給定最大速率限制（設(shè)置以5r/s變化；防止升、降速過快問題），最高、最低速度限制設(shè)置，緊急停車機(jī)及失誤操作等其它不正常操作。通過嚴(yán)密的邏輯關(guān)系和軟件監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了混捏機(jī)操作互鎖、運(yùn)行監(jiān)控及故障報(bào)警功能；特別是對(duì)混捏機(jī)瞬間過電流的監(jiān)控，解決了混捏料中因金屬硬質(zhì)物混入導(dǎo)致的攪刀被打斷的問題，避免了混捏機(jī)的重大故障的發(fā)生或故障擴(kuò)大的問題。

保護(hù)系統(tǒng)是設(shè)備應(yīng)具備的基本功能，尤其是重大關(guān)鍵設(shè)備，其這方面的要求更加重要。在實(shí)際中，根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行安全的要求、現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜性以及對(duì)操作人員產(chǎn)生的可能傷害等要求，采取可靠的保護(hù)措施和防止手段，是設(shè)備控制必須的性能。為此，在混捏機(jī)電控系統(tǒng)中，應(yīng)用PLC實(shí)現(xiàn)如下保護(hù)措施，完全滿足了混捏機(jī)實(shí)際運(yùn)行要求。

（1）電樞電流的上限設(shè)置。根據(jù)混捏機(jī)的實(shí)際工作要求，對(duì)其電機(jī)電樞電流的上限設(shè)置為兩種保護(hù)功能：對(duì)于較小范圍的過流（如負(fù)載擾動(dòng)引起的過流），設(shè)置電樞電流達(dá)到設(shè)定的電流值360A（相對(duì)于混捏量為16T/h而言。由于混捏料量多少不同，其電機(jī)電樞電流相應(yīng)的也不等，應(yīng)根據(jù)實(shí)際混捏料量確定；如混捏量為17.2T/h，其工作電流上限設(shè)為380A較為適合），允許過流時(shí)間設(shè)定為45秒（可在10～300秒內(nèi)選擇），超過設(shè)定時(shí)間，電樞電流仍然處于過載范圍，則PLC給混捏機(jī)調(diào)速裝置發(fā)出故障信號(hào)，系統(tǒng)立即封鎖主整流可控硅觸發(fā)脈沖，使電樞主電路輸出中斷，并啟動(dòng)報(bào)警器工作；第二種保護(hù)設(shè)置是防止混捏機(jī)突發(fā)故障，引起主電機(jī)電樞電流超過一定值（如410A對(duì)應(yīng)的混捏量為16T/h；若混捏量為17.2T/h，則動(dòng)作電流值設(shè)為435A才能滿足實(shí)際要求）的特殊情況，則設(shè)置立即啟動(dòng)保護(hù)功能（由于PLC掃描周期為100ms，故系統(tǒng)實(shí)際會(huì)延時(shí)100ms后才動(dòng)作）。在實(shí)際中，導(dǎo)致這種大電流出現(xiàn)的原因一般有以下幾種情況；如電機(jī)電樞繞組絕緣損壞、可控硅擊穿、閉環(huán)控制系統(tǒng)出現(xiàn)大的振蕩、電機(jī)集電器或炭刷等處短路、混捏機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作異常、混捏筒體內(nèi)有螺栓或金屬硬質(zhì)物混入等異常故障，引起混捏機(jī)瞬間大電流出現(xiàn)。由于這類突發(fā)故障會(huì)造成混捏機(jī)整體機(jī)構(gòu)嚴(yán)重的破壞和損害，故其控制系統(tǒng)要有靈敏的、高可靠的保護(hù)措施。例如2005年6月1#混捏機(jī)發(fā)生的11付動(dòng)、靜攪刀被混入混捏料中的螺栓打斷的故障，造成數(shù)百萬元的經(jīng)濟(jì)損失。另外又必須避開混捏機(jī)正常實(shí)際生產(chǎn)中小負(fù)載波動(dòng)的情況。

（2）自動(dòng)爬行速度和最高速度的設(shè)置。混捏機(jī)屬重負(fù)載設(shè)備，其啟動(dòng)后必須設(shè)置自動(dòng)爬行速度功能。即混捏機(jī)啟動(dòng)后，其調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入速度從零加速到一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)。另外對(duì)于減速操作，換設(shè)置了當(dāng)進(jìn)行減速操作時(shí)，電機(jī)速度下降到爬行速度時(shí)，會(huì)自動(dòng)停止速度遞減，保持最低速度運(yùn)行，直到停止按鈕按下后系統(tǒng)才會(huì)停車，這種設(shè)置是為了防止混捏機(jī)工作在堵轉(zhuǎn)大電流異常狀態(tài)。

最高轉(zhuǎn)速限制。混捏機(jī)在進(jìn)行升速操作過程中，有時(shí)因操作失誤、或其它原因，會(huì)使調(diào)速系統(tǒng)給定無限增大，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速超過電機(jī)的額定值。為防止這種異常情況發(fā)生而設(shè)置的一種控制功能，當(dāng)升速操作使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值98%時(shí)，升速操作則失效。

（3）超速保護(hù)。混捏機(jī)拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。而直流電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，由于各種原因（如負(fù)載突然降低、弱勵(lì)磁、失磁等異常）其轉(zhuǎn)速有時(shí)會(huì)超過額定轉(zhuǎn)速，在設(shè)備安全要求下，必須采取一定的措施。為此混捏機(jī)主電機(jī)設(shè)置有超速保護(hù)功能，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過額定值的105%時(shí)，PLC采樣到的實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)與設(shè)定值比較，監(jiān)測(cè)超速后立即向調(diào)速裝置發(fā)出超速保護(hù)信號(hào)，系統(tǒng)立即封鎖可控硅觸發(fā)脈沖，使其輸出（輸出電壓和電流）降為零，PLC同時(shí)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)工作。另外，混捏機(jī)還設(shè)置了第二級(jí)機(jī)械式超速保護(hù)措施，其轉(zhuǎn)速離心保護(hù)器與主電機(jī)轉(zhuǎn)子軸相連，當(dāng)其轉(zhuǎn)速達(dá)到1500r/min時(shí)，離心開關(guān)動(dòng)作，斷開系統(tǒng)主電源，實(shí)現(xiàn)超速保護(hù)功能。

（4）勵(lì)磁欠磁保護(hù)。直流電機(jī)勵(lì)磁工作電流一般不允許低于規(guī)定的值。較低和波動(dòng)較大的勵(lì)磁電流會(huì)引起電機(jī)失速，甚至飛車現(xiàn)象，故須采取可靠的欠磁保護(hù)裝置。混捏機(jī)直流主電機(jī)勵(lì)磁額定電流為7.8A，低于5.6A屬弱磁(欠磁)運(yùn)行狀態(tài)。雖然主調(diào)速系統(tǒng)采用了欠磁繼電器（其釋放電流在40%—90%范圍內(nèi)可調(diào)）保護(hù)。當(dāng)勵(lì)磁電流低于設(shè)定值時(shí)，其欠磁繼電器會(huì)釋放，斷開系統(tǒng)控制電源，達(dá)到欠磁保護(hù)目的。但欠磁繼電器靈敏度低，誤差大。為此在PLC控制設(shè)計(jì)中，應(yīng)用可編程控制器的軟件程序，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流的檢測(cè)、比較、異常報(bào)警等監(jiān)控功能，提高了欠磁保護(hù)的準(zhǔn)確性和靈敏度。

（5）熱交換器控制及保護(hù)設(shè)置。中、大容量直流電動(dòng)機(jī)均設(shè)有獨(dú)立的自冷卻系統(tǒng)，是一種封閉的、自循環(huán)冷卻裝置，采用PLC實(shí)現(xiàn)啟、停及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，使冷卻裝置工作更加安全、可靠。當(dāng)PLC檢測(cè)到機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)異常（如冷卻水?dāng)嗔鳌⑦^濾網(wǎng)堵塞或循環(huán)風(fēng)機(jī)停機(jī)等異常）時(shí)，立即向操作室工作人員發(fā)出聲光報(bào)警，工作人員可及時(shí)采取必要的處理措施，報(bào)警狀態(tài)持續(xù)180秒后（故障還未排除），則PLC自動(dòng)使混捏機(jī)降速至停機(jī)。

3.2 輔助設(shè)備的控制設(shè)計(jì)

連續(xù)混捏機(jī)的輔助設(shè)備減速機(jī)冷卻油給定、各潤(rùn)滑點(diǎn)的周期性噴油以及液壓系統(tǒng)等控制均采用PLC控制和實(shí)現(xiàn)，解決了原系統(tǒng)因采用時(shí)間繼電器、延時(shí)器等控制器實(shí)現(xiàn)的控制中存在的多故障、保護(hù)不完善，潤(rùn)滑不到位、工作不穩(wěn)定的問題，增加了潤(rùn)滑系統(tǒng)工作的可靠性和保護(hù)系統(tǒng)的安全性，也是其電路簡(jiǎn)單，便于參數(shù)調(diào)整和維修。

（1）潤(rùn)滑裝置的監(jiān)控設(shè)置。混捏機(jī)潤(rùn)滑裝置、減速機(jī)冷卻機(jī)構(gòu)的可靠工作，對(duì)于混捏機(jī)正常運(yùn)行至關(guān)重要，每一處的潤(rùn)滑異常都會(huì)引起混捏機(jī)的機(jī)械裝置重大損壞，甚至導(dǎo)致重大事故發(fā)生。因此其各個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)的噴油時(shí)間、間歇時(shí)間設(shè)定適當(dāng)，工作可靠、穩(wěn)定。由于潤(rùn)滑參數(shù)的設(shè)置與工作環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行狀況等有關(guān)，環(huán)境溫度越高、粉塵濃度越高等環(huán)境越惡劣，機(jī)械磨損程度越嚴(yán)重，則其潤(rùn)滑周期應(yīng)越短，噴油量要多些（但過多又會(huì)出現(xiàn)設(shè)備漏油和潤(rùn)滑油浪費(fèi)問題）。其潤(rùn)滑時(shí)序如圖7所示。

圖7 混捏機(jī)各潤(rùn)滑點(diǎn)噴油時(shí)序圖
注：1.tn-1為噴油時(shí)間tn-2為間歇時(shí)間；

由于潤(rùn)滑裝置的給油量一定，同時(shí)只允許最多兩個(gè)噴油嘴供油。

混捏機(jī)主軸上設(shè)有5個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)，其采用間歇、周期性、自動(dòng)噴油方式潤(rùn)滑。在混捏機(jī)運(yùn)行中，潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)工作異常（如每一噴油量不足，或間隔時(shí)間設(shè)定不合理），會(huì)使?jié)櫥c(diǎn)潤(rùn)滑不良，引起局部過熱現(xiàn)象，PLC檢測(cè)到該處溫度超過設(shè)定值時(shí)（一般設(shè)定為55℃），則發(fā)出故障報(bào)警，故障持續(xù)6分鐘后，PLC會(huì)自動(dòng)降速并停機(jī)。

（2）冷卻裝置的監(jiān)控設(shè)置。混捏機(jī)減速機(jī)冷卻裝置也是重點(diǎn)監(jiān)控的重點(diǎn)之一，由于混捏機(jī)的工作制是連續(xù)長(zhǎng)期運(yùn)行方式（每個(gè)生產(chǎn)周期均達(dá)到50多天），其減速機(jī)承擔(dān)著兩種運(yùn)行方式（大軸自轉(zhuǎn)和前后移動(dòng)）的減速和轉(zhuǎn)換工作，且負(fù)載非常重，其發(fā)熱量十分大，故要求冷卻裝置的工作必須可靠、運(yùn)行良好，監(jiān)控及時(shí)、準(zhǔn)確。為此在應(yīng)用PLC實(shí)現(xiàn)其控制中，對(duì)6個(gè)冷卻點(diǎn)的油路流量、壓力進(jìn)行測(cè)量，監(jiān)測(cè)有斷流（斷流時(shí)間不允許超過180秒）、或供油不足，則發(fā)出報(bào)警。由于冷卻系統(tǒng)工作不正常會(huì)引起機(jī)械部件局部高溫，導(dǎo)致齒輪、軸承等部件退火，加速機(jī)械磨損等現(xiàn)象。故其供油裝置的油泵運(yùn)行、各管路內(nèi)油流量、減速機(jī)溫度（6處）均要求設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)。

4、結(jié)束語

根據(jù)三個(gè)生產(chǎn)周期的（6個(gè)月）運(yùn)行，并對(duì)混捏效果、電機(jī)參數(shù)、工藝條件等指標(biāo)長(zhǎng)期測(cè)量和監(jiān)控，以及對(duì)陽極混捏料質(zhì)量測(cè)定、比較，其結(jié)果證明改造效果良好。每個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)混捏機(jī)的電控系統(tǒng)故障平均降到1.2%（改造前每個(gè)生產(chǎn)周期平均為11.6～19.2%）；其次，應(yīng)用PLC實(shí)現(xiàn)了混捏機(jī)可靠調(diào)速操作和的多級(jí)保護(hù)功能，電機(jī)主電流兩級(jí)保護(hù)的設(shè)置，解決了混捏料中因混入的金屬物，而使多組攪刀被打斷的重大設(shè)備事故的發(fā)生；此外，PLC的應(yīng)用，提高了潤(rùn)滑、冷卻等輔助裝置的工作可靠性，改進(jìn)了原控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)和多故障問題。該廠連續(xù)混捏機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用PLC完成改造后，取得了顯著的效益。達(dá)到了高質(zhì)量、低成本、穩(wěn)定可靠的設(shè)備運(yùn)行目的