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

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

　　目前，國(guó)內(nèi)港口的散糧裝船作業(yè)主要使用連續(xù)式裝船機(jī)，生產(chǎn)作業(yè)中往往與帶式輸送機(jī)進(jìn)行駁接，將物料輸送上船。傳統(tǒng)的連續(xù)式裝船機(jī)一般由門(mén)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(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)的連續(xù)式裝船機(jī)通常裝配有成套的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)，該套系統(tǒng)主要使用一些目前在國(guó)內(nèi)港機(jī)上廣泛應(yīng)用的主流品牌，具有成熟度高、保密性強(qiáng)等特點(diǎn)。

　　2018年，廣州某散糧港口設(shè)計(jì)制造了一種新型的鏈斗式裝船機(jī)(結(jié)構(gòu)如圖1所示)，該類(lèi)裝船機(jī)顛覆了傳統(tǒng)的連續(xù)式裝船機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，將設(shè)備運(yùn)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(jī)為該港口與武漢某設(shè)備制造公司聯(lián)合研究開(kāi)發(fā)的創(chuàng)新項(xiàng)目，由于該裝船機(jī)在結(jié)構(gòu)與運(yùn)作上都具有獨(dú)特性和唯一性，與傳統(tǒng)裝船機(jī)有較大區(qū)別，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一套符合其實(shí)際應(yīng)用需求的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)顯得尤為重要。一套先進(jìn)實(shí)用的控制系統(tǒng)是鏈斗式裝船機(jī)高效運(yùn)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(jī)固定安裝于泊位沿岸，主要用于將貨車(chē)運(yùn)來(lái)的物料輸送至停靠在岸邊的船倉(cāng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)“車(chē)裝船”的生產(chǎn)工藝。鏈斗式裝船機(jī)由溜筒裝船機(jī)、鏈斗提升機(jī)、帶式輸送機(jī)與除塵系統(tǒng)4部分組成，其中溜筒裝船機(jī)可細(xì)分為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)3部分。根據(jù)鏈斗式裝船機(jī)的工作工況，結(jié)合港機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)與該港口的生產(chǎn)情況，對(duì)該機(jī)械的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)提出了以下具體要求：①實(shí)現(xiàn)“車(chē)裝船”生產(chǎn)工藝的自動(dòng)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(jī)構(gòu)間實(shí)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(dòng)化控制系統(tǒng)兼容，預(yù)留通訊接口，滿(mǎn)足未來(lái)與中控系統(tǒng)對(duì)接的需求。

　　2 電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)概述

　　鏈斗式裝船機(jī)的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)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(jì)配置4個(gè)MCC柜與一個(gè)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(shí)際需要在合理位置配置各類(lèi)接近開(kāi)關(guān)或傳感器22個(gè)，作為保護(hù)信號(hào)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(dòng)系統(tǒng)

　　驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括了鏈斗式提升機(jī)驅(qū)動(dòng)、帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)、除塵器驅(qū)動(dòng)與溜筒裝船機(jī)的回轉(zhuǎn)、伸縮、俯仰等合計(jì)12臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。鏈斗式提升機(jī)功率較高，設(shè)計(jì)使用變頻器驅(qū)動(dòng);考慮到各個(gè)機(jī)構(gòu)對(duì)調(diào)速的需求，對(duì)回轉(zhuǎn)、伸縮這兩個(gè)對(duì)調(diào)速要求高的機(jī)構(gòu)采用變頻驅(qū)動(dòng)的方式，其他的對(duì)調(diào)速要求不高的機(jī)構(gòu)采用軟啟驅(qū)動(dòng)的方式，降低啟動(dòng)容量，減輕其在啟動(dòng)階段對(duì)電網(wǎng)的沖擊效應(yīng)。驅(qū)動(dòng)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(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，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(jī)，主、從站的PLC控制器與上位機(jī)均接入該交換機(jī)，既可實(shí)現(xiàn)相互之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，又可預(yù)留以太網(wǎng)通訊端口為未來(lái)接入中控系統(tǒng)或功能擴(kuò)展做準(zhǔn)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?fù)浣Y(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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊。主站設(shè)置在司機(jī)室內(nèi)，主要用于接收操作信號(hào)的輸入與溜筒裝船機(jī)各機(jī)構(gòu)的信號(hào)輸入，并輸出溜筒裝船機(jī)的控制信號(hào)。從站設(shè)置在地面電房?jī)?nèi)，主要用于接收鏈斗式提升機(jī)、皮帶機(jī)、除塵器的輸入，并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。整套系統(tǒng)包含了126個(gè)I點(diǎn)與52個(gè)O點(diǎn)，其中主站包含了86個(gè)I點(diǎn)與37個(gè)O點(diǎn)，從站包含了40個(gè)I點(diǎn)與15個(gè)O點(diǎn)。考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，增加20%的備用IO點(diǎn)作為預(yù)留。因此，主站要求配置至少104個(gè)I點(diǎn)與44個(gè)O點(diǎn)，從站要求配置至少48個(gè)I點(diǎn)與18個(gè)O點(diǎn)。總體來(lái)說(shuō)，該套控制系統(tǒng)的IO點(diǎn)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(hào)為Micrologix1400系列的1766-L32BWA(CPU模塊，20輸入/12輸出)，擴(kuò)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(jī)選擇Panelview 800 Terminal系列的2711R-T10T[3]。

　　3 核心PLC程序設(shè)計(jì)

　　針對(duì)PLC的型號(hào)，選擇Logix500 v8.1編程軟件進(jìn)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(xiàng)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(biāo)簽，用于MSG指令的文檔命名。利用兩個(gè)MSG指令，分別用于主站向從站進(jìn)行讀、寫(xiě)操作，兩個(gè)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(biāo)簽，用于存儲(chǔ)通訊過(guò)程的狀態(tài)與過(guò)程參數(shù)。從第一個(gè)MSG指令進(jìn)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(xiě)入從站地址為N9：0的16位數(shù)據(jù)點(diǎn)，通訊過(guò)程的狀態(tài)與過(guò)程參數(shù)存儲(chǔ)在標(biāo)簽RI11：0內(nèi)，具體設(shè)置如圖5所示。在第二個(gè)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(diǎn)讀取并存儲(chǔ)從站地址為N12：0的16位數(shù)據(jù)，通訊過(guò)程的狀態(tài)與過(guò)程參數(shù)存儲(chǔ)在標(biāo)簽RI11：1內(nèi)，具體操作同理。

　　3.2 聯(lián)動(dòng)控制與連鎖程序

　　將溜筒裝船機(jī)、鏈斗式提升機(jī)、皮帶輸送機(jī)、除塵器設(shè)置為連鎖動(dòng)作。結(jié)合生產(chǎn)需求，在裝船作業(yè)過(guò)程中有必要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整溜筒位置。因此，溜筒裝船機(jī)的回轉(zhuǎn)、伸縮、俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)置為司機(jī)單控調(diào)節(jié)，無(wú)需聯(lián)控調(diào)整。聯(lián)控啟動(dòng)的過(guò)程為：系統(tǒng)確認(rèn)溜筒裝船機(jī)各個(gè)信號(hào)正常;以關(guān)風(fēng)器、灰刮板、離心風(fēng)機(jī)的順序依次啟動(dòng)1、2號(hào)除塵器;除塵器正常啟動(dòng)后，通過(guò)延時(shí)指令TON延遲1 s后，依次啟動(dòng)皮帶機(jī)風(fēng)機(jī)、皮帶輸送機(jī)、鏈斗式提升機(jī)，每臺(tái)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)間間隔10 s。

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

　　②皮帶機(jī)、鏈斗式提升機(jī)自檢確認(rèn)，B3：6.5、B3：6.6閉合。③此時(shí)，皮帶機(jī)已通過(guò)聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)模式正常啟動(dòng)運(yùn)行，B3：6.4、I0.4閉合。④鏈斗式提升機(jī)輔機(jī)在正常情況不運(yùn)行，O2.3保持閉合。⑤利用TON延時(shí)指令(此處已省略)，延時(shí)10 s后，B3：4.0閉合，控制O2.2閉合，鏈斗式提升機(jī)啟動(dòng)。

　　皮帶機(jī)自檢常開(kāi)觸點(diǎn)B3：6.5受皮帶輸送機(jī)堵料、拉繩與通訊故障等故障信號(hào)觸發(fā)，與皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行信號(hào)I0.4一同串聯(lián)在控制回路內(nèi)，與鏈斗式提升機(jī)的控制信號(hào)進(jìn)行連鎖。在運(yùn)行過(guò)程中，①當(dāng)皮帶輸送機(jī)發(fā)生故障或者停止運(yùn)行時(shí)，鏈斗式提升機(jī)的控制信號(hào)瞬間切斷，鏈斗式提升機(jī)也將停止運(yùn)行。②除塵器與輸送機(jī)構(gòu)并無(wú)連鎖關(guān)系，除塵器發(fā)生故障將不影響輸送機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行。這種程序連鎖的設(shè)計(jì)確保了生產(chǎn)過(guò)程的相對(duì)安全，降低了生產(chǎn)事故的發(fā)生概率。

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

　　以圖7為例，闡述皮帶輸送機(jī)在聯(lián)控模式下的停止控制程序：①在聯(lián)動(dòng)停止模式下B3：5.3閉合。②此時(shí)，鏈斗式提升機(jī)已停止，鏈斗式提升機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)O2.2與運(yùn)行信號(hào)I0.10已置0。③利用TON指令T4：15延時(shí)10 s后控制皮帶輸送機(jī)停止的常閉觸點(diǎn)B3：5.5斷開(kāi)，將皮帶輸送機(jī)開(kāi)機(jī)信號(hào)O2.0置0，皮帶輸送機(jī)開(kāi)始停止。

　　3.3 故障判斷程序

　　該控制系統(tǒng)需要合理檢測(cè)兩大類(lèi)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(shí)時(shí)檢測(cè)主站、從站之間的通訊狀態(tài)，在發(fā)生故障時(shí)第一時(shí)間進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作。具體檢測(cè)思路為：通過(guò)主站、從站之間不間斷地相互發(fā)送脈沖信號(hào)，接收站檢測(cè)脈沖信號(hào)的完整性，來(lái)達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通訊狀態(tài)的目的。具體實(shí)例如圖8所示。

　　主站PLC通過(guò)兩個(gè)延時(shí)1 s的TON指令互鎖，形成周期為2 s的脈沖信號(hào)N9：0.0，N9：0.0通過(guò)MSG指令寫(xiě)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(hào)。具體程序如圖8所示。

　　在從站PLC里，N9：0.0以一對(duì)常開(kāi)、閉觸點(diǎn)存在。當(dāng)主站PLC的通訊狀態(tài)發(fā)生異常時(shí)，N9：0.0將以不規(guī)則的脈沖信號(hào)傳輸至從站PLC，如果從站接收到的脈沖信號(hào)的高電平或低電平持續(xù)時(shí)間超過(guò)2 s，則B3：11.5或B3：11.6閉合，輸出主站通訊故障信號(hào)。通訊故障檢測(cè)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(cè)設(shè)備故障在本質(zhì)上是指實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)信號(hào)的狀態(tài)，在信號(hào)異常時(shí)第一時(shí)間發(fā)出報(bào)警。利用長(zhǎng)度為16位的數(shù)組記錄所有信號(hào)的狀態(tài)，定義信號(hào)正常的狀態(tài)為0，定義信號(hào)異常的狀態(tài)為1。所有信號(hào)的狀態(tài)可由數(shù)串16位的二進(jìn)制數(shù)表示。當(dāng)信號(hào)異常時(shí)，該信號(hào)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制位由0變1，必將使包含該位的那串16位二進(jìn)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(jìn)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(duì)設(shè)備故障檢測(cè)程序進(jìn)行闡述：利用MOV指令將字標(biāo)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(diǎn)狀態(tài)，最后將B3：30與 B3：35進(jìn)行比較。當(dāng)伸縮變頻器發(fā)生故障時(shí)，I0.5閉合，B3：30.4由0轉(zhuǎn)為1，使字標(biāo)簽B3：30增大，利用GRT指令判斷B3：30大于 B3：35時(shí)，輸出故障報(bào)警信號(hào)。相反，如果沒(méi)有設(shè)備故障發(fā)生，B3：30將小于或等于B3：35，不滿(mǎn)足GRT指令的觸發(fā)條件，不輸出故障報(bào)警信號(hào)。

　　3.4 上位機(jī)組態(tài)

　　針對(duì)Panelview 800 Terminal系列的觸摸屏上位機(jī)，利用Connected Components Workbench軟件進(jìn)行組態(tài)。上位機(jī)主要包括了聯(lián)動(dòng)操作、單動(dòng)操作、皮帶狀態(tài)、歷史故障等8個(gè)子畫(huà)面，涵蓋了模式切換、操作、監(jiān)控、查詢(xún)等主要使用功能。利用該上位機(jī)，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可視化與操作的便捷化，具有較高的實(shí)用性。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　鏈斗式裝船機(jī)作為一種新型裝船機(jī)，具有占地空間小、作業(yè)效率高的特點(diǎn)。針對(duì)鏈斗式裝船機(jī)的工作特性，結(jié)合實(shí)際需求，提出整機(jī)的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。對(duì)整套控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行公開(kāi)，具有較強(qiáng)的可操作性與可移植性。通過(guò)實(shí)踐證明，該電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)用性強(qiáng)，滿(mǎn)足了鏈斗式裝船機(jī)的實(shí)際作業(yè)需求，同時(shí)取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

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