基于PROFIBUS-DP的PLC控制系統在斗輪堆取料機中的應用

1. 前言

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

　　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） 控制機上的各執行機構。控制網絡簡單， 系統優化， 完全滿足機上的各執行機構的控制要求。

2. TP270觸摸屏組態

　　Simatic TP270具有價格低廉、堅固耐用、結構緊湊、顯示清晰、組態簡單高效等優點，TP270的引入能夠大大減少司機室內的儀表盤、指示燈、數碼管等從而減少設備間的布線，使運行更加可靠，同時使設計人員能夠根據實際情況靈活改變顯示內容與方式，大大提高了整機的控制性能和水平。

　　本文采用Protool V6.0進行觸摸屏畫面組態，根據斗輪機設備需要及特性，畫面設計總體分為一個主畫面、六個子畫面，其邏輯關系如圖1所示：

　　子畫面共分為四大類：一是畫面操作部分（在觸摸屏上操作設備的運行、停止、堆料、取料等）;二是各設備狀態顯示（顯示各設備到位位置及運行狀態）及數據顯示部分（顯示機上各電機運行電流、行車、回轉、變幅位置數值）;三是故障顯示及故障報警列表、歷史報警列表（顯示各設備故障指示及故障查詢）等；四是系統設定，在不退出程序的提提下，以方便對觸摸屏本身各參數的設置。

　　部分PT畫面如圖2、圖3所示：

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

3. 系統組成及通訊

　　3.1 系統硬件配置

　　根據斗輪堆取料機的控制要求，結合目前運用成熟的總線技術，系統采用Profibus總線技術。系統由Profibus-DP網絡和MPI網絡共同組成。 Prof ibus是一種開放式異步通信標準，可以實現各種自動化設備之間的數據交換，由3個兼容部分組成，即Prof ibus-DP、Prof ibus-PA和Prof ibus-FMS。Prof ibus-DP是一種開放式現場總線系統，實現快速響應和高速數據通信，用于設備級控制系統與分散式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送輸出信息，除周期性用戶數據傳輸外，提供職能化設備所需的非周期性通信以進行組態、診斷和報警處理。采用RS485 傳輸技術，物理傳輸介質為雙絞線、雙線電纜或光纜，波特率從9.6k～12Mbit/s。主戰間為令牌方式傳送，主戰與從站為主－從傳送，支持單主或多主系統。

　　MPI是一個多點接口通訊網絡，最多可連接125個MPI節點，通訊速率為187.5kbit /s。可以在不同的控制器之間傳輸數據，還可以作為一個Prof ibus-DP接口使用，操作員控制和監視設備HMI及編程設備PG可通過兩種接口（MPI、Profibus-DP）連接。

根據斗輪堆取料機電氣控制系統的特點，分別在上部電氣室和下部電氣室配備Profibus-DP主站和從站，觸摸屏設置在司機室，以方便司機操作及故障查詢。 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本機具有1個MPI接口和1個DP接口，從站設在下部電氣室，從站I/O 模塊選用ET200M，選用IM153-1 通訊接口模塊。大車行走、懸臂變幅及回轉機構通過變頻器來控制，變頻器作為從站通過CBP2通訊板（Profibus通訊模塊）連接在系統總線上。系統硬件配置如圖4所示：

　　3.2 系統硬件組態

　　PLC編程軟件采用西門子SIMATIC STEP7 V5.4。啟動軟件后，進行硬件組態，選中SIMATIC300（1），雙擊右邊窗口中的“硬件”圖標，組態其硬件。將所選CPU和各輸入、輸出模塊插入 SIMATIC S7網絡，并定義各模塊I/O地址。依次將IM153-1、變頻器掛到Profibus網絡，設置PLC 為主站其地址為（ 2） ， ET200M為從站，其地址設置為（ 3） （注意設定地址須和ET200M硬件上撥碼數字相同） ， 行走變頻器， 回轉變頻器， 變幅變頻器地址分別設置為（ 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， 且總線上每個單元的地址必須是唯一的PLC 主站中的用戶程序存取， 經過總線系統的通訊是完全由PLC 主站中的主接口和IM153-1接口進行處理。PLC 主站將數字量信號通過PROFIBUS-DP 總線經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．斗輪堆取料機的PLC 控制

　　4. 1　堆料程序控制

　　在堆料PLC 半自動控制程序中， 首先將大車預制在預定堆煤位置， 通過可編程終端畫面上的堆料控制參數設定， 設定堆料時懸臂架的變幅次數M1次和懸臂架回轉次數M2次。啟動堆料程序， 則懸臂膠帶、尾車膠帶在程序的控制下順序邏輯啟動， 給系統發出斗輪堆料作業信號并實現與系統膠帶按堆料工況聯鎖。堆料機在堆料位自動運行狀態堆料，隨著物料的堆積，料堆逐漸升高，當物料碰到斗輪機上的物料開關時，懸臂上升一個高度，如此為上升設定的M1 次。懸臂左回轉一個角度， 重復以前堆料，直至回轉設定M2次。大車后退一段距離， 懸臂向右回轉M2 倍角度，堆料M1次、回轉M2 次。大車再后退， 重復工作，實現斗輪堆取料機的堆料PLC控制作業。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， 首先將大車開至預定取料位置。當接到系統取料指令和系統膠帶取料運行后， 啟動取料程序， 則懸臂膠帶、斗輪在程序控制下順序邏輯啟動， 通過回轉角度絕對式光電編碼器分別進行取料初始角和取料終止角的角度采樣， 傳送和存貯， 確定懸臂回轉的取料范圍。則懸臂回轉取料左轉、右轉時， 分別與取料初始角和取料終止角進行比較， 每相等1 次， 大車繼續前進一段距離， 懸臂再左右回轉取料， 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 的設置應為奇數才能實現全料層循環。其控制流程圖如圖7所示：

　　4. 3　信號、儀表指示監控

　　信號、儀表指示監控是靠PLC 與電壓互感器可編程終端之間的通訊實現的， 并組成可編程序終端輔助監控的斗輪堆取料機操作系統。采用可編程終端， 斗輪堆取料機的狀態信號， 報警信號和儀表指示信號進入電壓互感器可編程終端系統， 可對斗輪堆取料機進行實時監控， 方便、準確、快捷， 免去了盤式指示燈、儀表配線的繁瑣， 同時豐富了顯示功能。

5 結束語

　　斗輪堆取料機采用PLC 控制具有故障率低、抗干擾性好、可靠性高、 運行穩定等優點，而PROFIBUS- DP 總線的引入，能夠節省大量的控制電纜及安裝費用， 安裝簡單，維護方便。PLC在工作期間，現場設備出現故障，能快速通過觸摸屏查找并顯示故障，方便維護人員檢修設備，縮短了故障處理時間，同時由于控制電纜用量的減少，有效地降低了由控制電纜引發的各類故障，大大提高了斗輪堆取料機運行可靠性，取得了良好的運行效果，能夠給企業帶來良好的經濟效益。