摘 要：鏈斗式裝船機是一種新型的散糧裝船機械，具有占地空間小、作業(yè)效率高的特點。本文根據(jù)鏈斗式裝船機的結(jié)構(gòu)特點與組成，提出整機的電氣自動化控制系統(tǒng)設(shè)計方案。結(jié)合鏈斗式裝船機的特點，對電氣自動化控制系統(tǒng)的組成與核心控制邏輯進行分析與論述。

　　關(guān)鍵詞：鏈斗式裝船機;電氣自動化;控制系統(tǒng)設(shè)計

　　目前，國內(nèi)港口的散糧裝船作業(yè)主要使用連續(xù)式裝船機，生產(chǎn)作業(yè)中往往與帶式輸送機進行駁接，將物料輸送上船。傳統(tǒng)的連續(xù)式裝船機一般由門架、臂架、溜管等結(jié)構(gòu)組成，并配有相應(yīng)的行走、伸縮、俯仰機構(gòu)。傳統(tǒng)的連續(xù)式裝船機通常裝配有成套的電氣自動化控制系統(tǒng)，該套系統(tǒng)主要使用一些目前在國內(nèi)港機上廣泛應(yīng)用的主流品牌，具有成熟度高、保密性強等特點。

　　2018年，廣州某散糧港口設(shè)計制造了一種新型的鏈斗式裝船機(結(jié)構(gòu)如圖1所示)，該類裝船機顛覆了傳統(tǒng)的連續(xù)式裝船機的結(jié)構(gòu)形式，將設(shè)備運行行程向垂直向上的方向延伸，最大限度地減少了水平占地空間，提高了空間利用率[1]。該鏈斗式裝船機為該港口與武漢某設(shè)備制造公司聯(lián)合研究開發(fā)的創(chuàng)新項目，由于該裝船機在結(jié)構(gòu)與運作上都具有獨特性和唯一性，與傳統(tǒng)裝船機有較大區(qū)別，開發(fā)設(shè)計一套符合其實際應(yīng)用需求的電氣自動化控制系統(tǒng)顯得尤為重要。一套先進實用的控制系統(tǒng)是鏈斗式裝船機高效運作與安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)與保證。

　　1 電氣控制要求

　　鏈斗式裝船機固定安裝于泊位沿岸，主要用于將貨車運來的物料輸送至停靠在岸邊的船倉內(nèi)，實現(xiàn)“車裝船”的生產(chǎn)工藝。鏈斗式裝船機由溜筒裝船機、鏈斗提升機、帶式輸送機與除塵系統(tǒng)4部分組成，其中溜筒裝船機可細分為回轉(zhuǎn)機構(gòu)、伸縮機構(gòu)、俯仰機構(gòu)3部分。根據(jù)鏈斗式裝船機的工作工況，結(jié)合港機的現(xiàn)場操作經(jīng)驗與該港口的生產(chǎn)情況，對該機械的電氣自動化控制系統(tǒng)提出了以下具體要求：①實現(xiàn)“車裝船”生產(chǎn)工藝的自動化，減少人為參與環(huán)節(jié)，降低人為失誤的發(fā)生概率。②設(shè)備的各機構(gòu)間實現(xiàn)智能連鎖功能，避免物料堵塞、爆料等生產(chǎn)意外的發(fā)生。③要求系統(tǒng)能與中控的電氣自動化控制系統(tǒng)兼容，預(yù)留通訊接口，滿足未來與中控系統(tǒng)對接的需求。

　　2 電氣自動化控制系統(tǒng)概述

　　鏈斗式裝船機的電氣自動化控制系統(tǒng)主要由驅(qū)動系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)3部分組成。設(shè)計配置4個MCC柜與一個PLC控制柜，在MCC設(shè)備與PLC之間設(shè)置中間繼電器。根據(jù)實際需要在合理位置配置各類接近開關(guān)或傳感器22個，作為保護信號輸入源。整套控制系統(tǒng)可分為聯(lián)控、單控與就地3種控制模式。

　　2.1 驅(qū)動系統(tǒng)

　　驅(qū)動系統(tǒng)包括了鏈斗式提升機驅(qū)動、帶式輸送機驅(qū)動、除塵器驅(qū)動與溜筒裝船機的回轉(zhuǎn)、伸縮、俯仰等合計12臺驅(qū)動電機。鏈斗式提升機功率較高，設(shè)計使用變頻器驅(qū)動;考慮到各個機構(gòu)對調(diào)速的需求，對回轉(zhuǎn)、伸縮這兩個對調(diào)速要求高的機構(gòu)采用變頻驅(qū)動的方式，其他的對調(diào)速要求不高的機構(gòu)采用軟啟驅(qū)動的方式，降低啟動容量，減輕其在啟動階段對電網(wǎng)的沖擊效應(yīng)。驅(qū)動系統(tǒng)的具體選型如表1所示。

　　2.2 通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式具有通訊速率高、兼容性好、實用性強的特點，適用于工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。設(shè)置工業(yè)交換機，主、從站的PLC控制器與上位機均接入該交換機，既可實現(xiàn)相互之間數(shù)據(jù)的實時傳輸，又可預(yù)留以太網(wǎng)通訊端口為未來接入中控系統(tǒng)或功能擴展做準備[2]。該系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2.3 PLC控制系統(tǒng)

　　采用主、從站的PLC網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，分別設(shè)置主站、從站PLC的IP地址，利用工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)遠程通訊。主站設(shè)置在司機室內(nèi)，主要用于接收操作信號的輸入與溜筒裝船機各機構(gòu)的信號輸入，并輸出溜筒裝船機的控制信號。從站設(shè)置在地面電房內(nèi)，主要用于接收鏈斗式提升機、皮帶機、除塵器的輸入，并輸出相應(yīng)的控制信號。整套系統(tǒng)包含了126個I點與52個O點，其中主站包含了86個I點與37個O點，從站包含了40個I點與15個O點?？紤]到系統(tǒng)的可擴展性，增加20%的備用IO點作為預(yù)留。因此，主站要求配置至少104個I點與44個O點，從站要求配置至少48個I點與18個O點?？傮w來說，該套控制系統(tǒng)的IO點數(shù)量較少，另一方面考慮到該港口現(xiàn)有中控采用的是AB品牌的大型PLC，為了降低后期兼容的難度，本套系統(tǒng)選擇AB品牌的小型PLC作為邏輯控制器，具體型號為Micrologix1400系列的1766-L32BWA(CPU模塊，20輸入/12輸出)，擴展模塊選擇1762-IQ32T(輸入模塊，32輸入)、1762-OB32T(輸出模塊，32輸出)，觸摸屏上位機選擇Panelview 800 Terminal系列的2711R-T10T[3]。

　　3 核心PLC程序設(shè)計

　　針對PLC的型號，選擇Logix500 v8.1編程軟件進行編程組態(tài)。

　　3.1 主、從站通訊程序

　　利用編程軟件的控制器目錄下的通道組態(tài)功能，在通道1的選項卡下分別配置主站、從站的IP地址。設(shè)置主站的IP地址為192.168.0.1，如圖3所示。從站的IP地址設(shè)置為192.168.0.2，具體操作同理。

　　分別設(shè)置好主站、從站的IP地址后，建立主站、從站之間的通訊組態(tài)。在主站程序的數(shù)據(jù)文檔下建立MG10標簽，用于MSG指令的文檔命名。利用兩個MSG指令，分別用于主站向從站進行讀、寫操作，兩個指令分別命名為MG10：1與MG10：2，如圖4所示。

　　在主站程序的數(shù)據(jù)文檔下建立RI11標簽，用于存儲通訊過程的狀態(tài)與過程參數(shù)。從第一個MSG指令進入Setup Screen菜單，在通訊需求里選擇500CPU Write，將主站地址為N9：0的16位數(shù)據(jù)寫入從站地址為N9：0的16位數(shù)據(jù)點，通訊過程的狀態(tài)與過程參數(shù)存儲在標簽RI11：0內(nèi)，具體設(shè)置如圖5所示。在第二個MSG指令里，選擇500CPU Read，設(shè)置主站地址為N12：0的16位數(shù)據(jù)點讀取并存儲從站地址為N12：0的16位數(shù)據(jù)，通訊過程的狀態(tài)與過程參數(shù)存儲在標簽RI11：1內(nèi)，具體操作同理。

　　3.2 聯(lián)動控制與連鎖程序

　　將溜筒裝船機、鏈斗式提升機、皮帶輸送機、除塵器設(shè)置為連鎖動作。結(jié)合生產(chǎn)需求，在裝船作業(yè)過程中有必要根據(jù)實際情況調(diào)整溜筒位置。因此，溜筒裝船機的回轉(zhuǎn)、伸縮、俯仰機構(gòu)設(shè)置為司機單控調(diào)節(jié)，無需聯(lián)控調(diào)整。聯(lián)控啟動的過程為：系統(tǒng)確認溜筒裝船機各個信號正常;以關(guān)風(fēng)器、灰刮板、離心風(fēng)機的順序依次啟動1、2號除塵器;除塵器正常啟動后，通過延時指令TON延遲1 s后，依次啟動皮帶機風(fēng)機、皮帶輸送機、鏈斗式提升機，每臺設(shè)備啟動時間間隔10 s。

　　以圖6為例，闡述鏈斗式提升機在聯(lián)控模式下的啟動控制程序：①在聯(lián)控啟動模式下B3：0.7閉合。

　?、谄C、鏈斗式提升機自檢確認，B3：6.5、B3：6.6閉合。③此時，皮帶機已通過聯(lián)動啟動模式正常啟動運行，B3：6.4、I0.4閉合。④鏈斗式提升機輔機在正常情況不運行，O2.3保持閉合。⑤利用TON延時指令(此處已省略)，延時10 s后，B3：4.0閉合，控制O2.2閉合，鏈斗式提升機啟動。

　　皮帶機自檢常開觸點B3：6.5受皮帶輸送機堵料、拉繩與通訊故障等故障信號觸發(fā)，與皮帶輸送機的運行信號I0.4一同串聯(lián)在控制回路內(nèi)，與鏈斗式提升機的控制信號進行連鎖。在運行過程中，①當皮帶輸送機發(fā)生故障或者停止運行時，鏈斗式提升機的控制信號瞬間切斷，鏈斗式提升機也將停止運行。②除塵器與輸送機構(gòu)并無連鎖關(guān)系，除塵器發(fā)生故障將不影響輸送機構(gòu)的正常運行。這種程序連鎖的設(shè)計確保了生產(chǎn)過程的相對安全，降低了生產(chǎn)事故的發(fā)生概率。

　　聯(lián)控停止過程的控制順序與聯(lián)控啟動過程正好相反：優(yōu)先停止鏈斗式提升機，其次停止皮帶輸送機，然后停止皮帶機風(fēng)機，每臺設(shè)備停止時間間隔為10 s;在皮帶機風(fēng)機停止后，間隔10 min，再同時停止1、2號除塵器，除塵器的停止順序依次為離心風(fēng)機、灰刮板、關(guān)風(fēng)器。

　　以圖7為例，闡述皮帶輸送機在聯(lián)控模式下的停止控制程序：①在聯(lián)動停止模式下B3：5.3閉合。②此時，鏈斗式提升機已停止，鏈斗式提升機的啟動信號O2.2與運行信號I0.10已置0。③利用TON指令T4：15延時10 s后控制皮帶輸送機停止的常閉觸點B3：5.5斷開，將皮帶輸送機開機信號O2.0置0，皮帶輸送機開始停止。

　　3.3 故障判斷程序

　　該控制系統(tǒng)需要合理檢測兩大類故障：主站、從站之間的通訊故障與設(shè)備故障。主站、從站之間的通訊正常，決定了整套控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。有必要實時檢測主站、從站之間的通訊狀態(tài)，在發(fā)生故障時第一時間進行保護動作。具體檢測思路為：通過主站、從站之間不間斷地相互發(fā)送脈沖信號，接收站檢測脈沖信號的完整性，來達到實時監(jiān)測通訊狀態(tài)的目的。具體實例如圖8所示。

　　主站PLC通過兩個延時1 s的TON指令互鎖，形成周期為2 s的脈沖信號N9：0.0，N9：0.0通過MSG指令寫入從站PLC的N9：0.0。在通訊正常情況下，從站接收到的也是周期為2 s的脈沖信號。具體程序如圖8所示。

　　在從站PLC里，N9：0.0以一對常開、閉觸點存在。當主站PLC的通訊狀態(tài)發(fā)生異常時，N9：0.0將以不規(guī)則的脈沖信號傳輸至從站PLC，如果從站接收到的脈沖信號的高電平或低電平持續(xù)時間超過2 s，則B3：11.5或B3：11.6閉合，輸出主站通訊故障信號。通訊故障檢測程序如圖9所示。在主站里判斷從站通訊故障的程序在原理上是一致的。

　　檢測設(shè)備故障在本質(zhì)上是指實時檢測各個信號的狀態(tài)，在信號異常時第一時間發(fā)出報警。利用長度為16位的數(shù)組記錄所有信號的狀態(tài)，定義信號正常的狀態(tài)為0，定義信號異常的狀態(tài)為1。所有信號的狀態(tài)可由數(shù)串16位的二進制數(shù)表示。當信號異常時，該信號對應(yīng)的二進制位由0變1，必將使包含該位的那串16位二進制數(shù)在數(shù)值上是增大的。因此，只要將該數(shù)組的前后狀態(tài)進行大小比較，即可判斷設(shè)備是否發(fā)生了故障。

　　以圖10為例對設(shè)備故障檢測程序進行闡述：利用MOV指令將字標簽B3：30賦值至B3：35，然后利用B3：30的第5位B3：30.4讀取伸縮變頻器故障的IO點狀態(tài)，最后將B3：30與 B3：35進行比較。當伸縮變頻器發(fā)生故障時，I0.5閉合，B3：30.4由0轉(zhuǎn)為1，使字標簽B3：30增大，利用GRT指令判斷B3：30大于 B3：35時，輸出故障報警信號。相反，如果沒有設(shè)備故障發(fā)生，B3：30將小于或等于B3：35，不滿足GRT指令的觸發(fā)條件，不輸出故障報警信號。

　　3.4 上位機組態(tài)

　　針對Panelview 800 Terminal系列的觸摸屏上位機，利用Connected Components Workbench軟件進行組態(tài)。上位機主要包括了聯(lián)動操作、單動操作、皮帶狀態(tài)、歷史故障等8個子畫面，涵蓋了模式切換、操作、監(jiān)控、查詢等主要使用功能。利用該上位機，可實現(xiàn)信號的可視化與操作的便捷化，具有較高的實用性。

　　4 結(jié)語

　　鏈斗式裝船機作為一種新型裝船機，具有占地空間小、作業(yè)效率高的特點。針對鏈斗式裝船機的工作特性，結(jié)合實際需求，提出整機的電氣自動化控制系統(tǒng)設(shè)計方案。對整套控制系統(tǒng)的設(shè)計思路進行公開，具有較強的可操作性與可移植性。通過實踐證明，該電氣自動化控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、實用性強，滿足了鏈斗式裝船機的實際作業(yè)需求，同時取得了良好的經(jīng)濟效益與社會效益。

　　參考文獻：

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