基于PROFIBUS-DP的PLC控制系統(tǒng)在斗輪堆取料機(jī)中的應(yīng)用

1. 前言

　　斗輪堆取料機(jī)，是大型散裝物料裝卸機(jī)械，廣泛用于港口、礦山、鋼廠、電廠等大宗散料如礦石、煤、砂石等在存儲(chǔ)料場的堆放、提取作業(yè)，其工作連續(xù)性強(qiáng)，操作頻繁。斗輪堆取料機(jī)傳統(tǒng)的開關(guān)量順序控制， 是采用繼電器和接觸器構(gòu)成的邏輯控制裝置， 這種傳統(tǒng)的控制裝置能在一定的范圍內(nèi)滿足自動(dòng)控制的需要，但因需要大量的觸點(diǎn)裝置和電纜使其控制線路過于繁復(fù)、可靠性差和維修難度大。PLC 以其穩(wěn)定的性能、低廉的成本、強(qiáng)大的功能及方便的編程等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

　　本文采用西門子觸摸屏TP270 ，西門子 S7-300 可編程控制器， Profibus-DP （ 分布式I/O） 控制機(jī)上的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。控制網(wǎng)絡(luò)簡單， 系統(tǒng)優(yōu)化， 完全滿足機(jī)上的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制要求。

2. TP270觸摸屏組態(tài)

　　Simatic TP270具有價(jià)格低廉、堅(jiān)固耐用、結(jié)構(gòu)緊湊、顯示清晰、組態(tài)簡單高效等優(yōu)點(diǎn)，TP270的引入能夠大大減少司機(jī)室內(nèi)的儀表盤、指示燈、數(shù)碼管等從而減少設(shè)備間的布線，使運(yùn)行更加可靠，同時(shí)使設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)實(shí)際情況靈活改變顯示內(nèi)容與方式，大大提高了整機(jī)的控制性能和水平。

　　本文采用Protool V6.0進(jìn)行觸摸屏畫面組態(tài)，根據(jù)斗輪機(jī)設(shè)備需要及特性，畫面設(shè)計(jì)總體分為一個(gè)主畫面、六個(gè)子畫面，其邏輯關(guān)系如圖1所示：

　　子畫面共分為四大類：一是畫面操作部分（在觸摸屏上操作設(shè)備的運(yùn)行、停止、堆料、取料等）;二是各設(shè)備狀態(tài)顯示（顯示各設(shè)備到位位置及運(yùn)行狀態(tài)）及數(shù)據(jù)顯示部分（顯示機(jī)上各電機(jī)運(yùn)行電流、行車、回轉(zhuǎn)、變幅位置數(shù)值）;三是故障顯示及故障報(bào)警列表、歷史報(bào)警列表（顯示各設(shè)備故障指示及故障查詢）等；四是系統(tǒng)設(shè)定，在不退出程序的提提下，以方便對觸摸屏本身各參數(shù)的設(shè)置。

　　部分PT畫面如圖2、圖3所示：

　　組態(tài)程序編寫完畢，用編程器為TP270下載程序時(shí)，要注意設(shè)定TP270的傳送通道及傳送波特率，考慮到下載速度，本例中波特率設(shè)置為115200。

3. 系統(tǒng)組成及通訊

　　3.1 系統(tǒng)硬件配置

　　根據(jù)斗輪堆取料機(jī)的控制要求，結(jié)合目前運(yùn)用成熟的總線技術(shù)，系統(tǒng)采用Profibus總線技術(shù)。系統(tǒng)由Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)和MPI網(wǎng)絡(luò)共同組成。 Prof ibus是一種開放式異步通信標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)化設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，由3個(gè)兼容部分組成，即Prof ibus-DP、Prof ibus-PA和Prof ibus-FMS。Prof ibus-DP是一種開放式現(xiàn)場總線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和高速數(shù)據(jù)通信，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。Profibus-DP主站周期性地讀取從站的輸入信息并周期性地向從站發(fā)送輸出信息，除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，提供職能化設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。采用RS485 傳輸技術(shù)，物理傳輸介質(zhì)為雙絞線、雙線電纜或光纜，波特率從9.6k～12Mbit/s。主戰(zhàn)間為令牌方式傳送，主戰(zhàn)與從站為主－從傳送，支持單主或多主系統(tǒng)。

　　MPI是一個(gè)多點(diǎn)接口通訊網(wǎng)絡(luò)，最多可連接125個(gè)MPI節(jié)點(diǎn)，通訊速率為187.5kbit /s?？梢栽诓煌目刂破髦g傳輸數(shù)據(jù)，還可以作為一個(gè)Prof ibus-DP接口使用，操作員控制和監(jiān)視設(shè)備HMI及編程設(shè)備PG可通過兩種接口（MPI、Profibus-DP）連接。

根據(jù)斗輪堆取料機(jī)電氣控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，分別在上部電氣室和下部電氣室配備Profibus-DP主站和從站，觸摸屏設(shè)置在司機(jī)室，以方便司機(jī)操作及故障查詢。 上部電氣室選用西門子S7-300 CPU315-2DP可編程控制器作為主站，CPU315-2DP本機(jī)具有1個(gè)MPI接口和1個(gè)DP接口，從站設(shè)在下部電氣室，從站I/O 模塊選用ET200M，選用IM153-1 通訊接口模塊。大車行走、懸臂變幅及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過變頻器來控制，變頻器作為從站通過CBP2通訊板（Profibus通訊模塊）連接在系統(tǒng)總線上。系統(tǒng)硬件配置如圖4所示：

　　3.2 系統(tǒng)硬件組態(tài)

　　PLC編程軟件采用西門子SIMATIC STEP7 V5.4。啟動(dòng)軟件后，進(jìn)行硬件組態(tài)，選中SIMATIC300（1），雙擊右邊窗口中的“硬件”圖標(biāo)，組態(tài)其硬件。將所選CPU和各輸入、輸出模塊插入 SIMATIC S7網(wǎng)絡(luò)，并定義各模塊I/O地址。依次將IM153-1、變頻器掛到Profibus網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置PLC 為主站其地址為（ 2） ， ET200M為從站，其地址設(shè)置為（ 3） （注意設(shè)定地址須和ET200M硬件上撥碼數(shù)字相同） ， 行走變頻器， 回轉(zhuǎn)變頻器， 變幅變頻器地址分別設(shè)置為（ 4） （ 5） （ 6） 。變頻器的從站地址必須與PROFIBUS 主站上配置的地址相一致， 且總線上每個(gè)單元的地址必須是唯一的PLC 主站中的用戶程序存取， 經(jīng)過總線系統(tǒng)的通訊是完全由PLC 主站中的主接口和IM153-1接口進(jìn)行處理。PLC 主站將數(shù)字量信號(hào)通過PROFIBUS-DP 總線經(jīng)PROFIBUS 模塊傳送至變頻器， PROFIBUS 模塊安裝在變頻器的正面，通過RS485 串行接口與變頻器通訊。其配置圖如圖5所示：

4．斗輪堆取料機(jī)的PLC 控制

　　4. 1　堆料程序控制

　　在堆料PLC 半自動(dòng)控制程序中， 首先將大車預(yù)制在預(yù)定堆煤位置， 通過可編程終端畫面上的堆料控制參數(shù)設(shè)定， 設(shè)定堆料時(shí)懸臂架的變幅次數(shù)M1次和懸臂架回轉(zhuǎn)次數(shù)M2次。啟動(dòng)堆料程序， 則懸臂膠帶、尾車膠帶在程序的控制下順序邏輯啟動(dòng)， 給系統(tǒng)發(fā)出斗輪堆料作業(yè)信號(hào)并實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)膠帶按堆料工況聯(lián)鎖。堆料機(jī)在堆料位自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)堆料，隨著物料的堆積，料堆逐漸升高，當(dāng)物料碰到斗輪機(jī)上的物料開關(guān)時(shí)，懸臂上升一個(gè)高度，如此為上升設(shè)定的M1 次。懸臂左回轉(zhuǎn)一個(gè)角度， 重復(fù)以前堆料，直至回轉(zhuǎn)設(shè)定M2次。大車后退一段距離， 懸臂向右回轉(zhuǎn)M2 倍角度，堆料M1次、回轉(zhuǎn)M2 次。大車再后退， 重復(fù)工作，實(shí)現(xiàn)斗輪堆取料機(jī)的堆料PLC控制作業(yè)。其控制流程圖如圖6所示：

4. 2　取料程序控制

　　在取料PLC控制程序中， 首先將大車開至預(yù)定取料位置。當(dāng)接到系統(tǒng)取料指令和系統(tǒng)膠帶取料運(yùn)行后， 啟動(dòng)取料程序， 則懸臂膠帶、斗輪在程序控制下順序邏輯啟動(dòng)， 通過回轉(zhuǎn)角度絕對式光電編碼器分別進(jìn)行取料初始角和取料終止角的角度采樣， 傳送和存貯， 確定懸臂回轉(zhuǎn)的取料范圍。則懸臂回轉(zhuǎn)取料左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)時(shí)， 分別與取料初始角和取料終止角進(jìn)行比較， 每相等1 次， 大車?yán)^續(xù)前進(jìn)一段距離， 懸臂再左右回轉(zhuǎn)取料， 直至N1 次。然后，大車后退N1 倍距離到初始位置， 懸臂下降一段距離，開始第二層取料， 工藝與第一層同理; ⋯⋯直至取完N2 層。N1 的設(shè)置應(yīng)為奇數(shù)才能實(shí)現(xiàn)全料層循環(huán)。其控制流程圖如圖7所示：

　　4. 3　信號(hào)、儀表指示監(jiān)控

　　信號(hào)、儀表指示監(jiān)控是靠PLC 與電壓互感器可編程終端之間的通訊實(shí)現(xiàn)的， 并組成可編程序終端輔助監(jiān)控的斗輪堆取料機(jī)操作系統(tǒng)。采用可編程終端， 斗輪堆取料機(jī)的狀態(tài)信號(hào)， 報(bào)警信號(hào)和儀表指示信號(hào)進(jìn)入電壓互感器可編程終端系統(tǒng)， 可對斗輪堆取料機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控， 方便、準(zhǔn)確、快捷， 免去了盤式指示燈、儀表配線的繁瑣， 同時(shí)豐富了顯示功能。

5 結(jié)束語

　　斗輪堆取料機(jī)采用PLC 控制具有故障率低、抗干擾性好、可靠性高、 運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，而PROFIBUS- DP 總線的引入，能夠節(jié)省大量的控制電纜及安裝費(fèi)用， 安裝簡單，維護(hù)方便。PLC在工作期間，現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)故障，能快速通過觸摸屏查找并顯示故障，方便維護(hù)人員檢修設(shè)備，縮短了故障處理時(shí)間，同時(shí)由于控制電纜用量的減少，有效地降低了由控制電纜引發(fā)的各類故障，大大提高了斗輪堆取料機(jī)運(yùn)行可靠性，取得了良好的運(yùn)行效果，能夠給企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。