PLC在混捏機控制系統(tǒng)中的應用設計

西門子S7系列PLC以其可靠性高、軟件功能豐富、編程簡便，尤其是其組網(wǎng)能力強大等優(yōu)點而越來越廣泛地應用于工業(yè)自動化控制系統(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)絡解決方案，從而滿足了管理層、客戶層、現(xiàn)場層到傳感器/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)混捏機改造為例，闡述了PLC如何實現(xiàn)混捏機調(diào)速控制、混捏過程的實時監(jiān)控、顯示、操作等功能。保障了生產(chǎn)過程的連續(xù)性，降低了勞動強度，改善了勞動條件，實現(xiàn)少人或無人巡視的目標，達到了對大型、關鍵設備的安全、可靠運行的目的。

2、被控對象

中鋁青海分公司炭素連續(xù)混捏機是八十年代中期從德國BUSS公司引進的鋁電解預焙陽極專用大型設備。其混捏方式采用動、靜攪刀相對運動和攪拌軸前后移動實現(xiàn)糊料混捏目的。其混捏機總控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 混捏機控制及輔助裝置的系統(tǒng)控制圖

3、PLC控制系統(tǒng)設計

一個設計良好、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現(xiàn)。由于混捏機控制系統(tǒng)的實際控制量較少，采集的參數(shù)種類較多的特點，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12Mbps）且優(yōu)化的通訊方式，適合現(xiàn)場級控制系統(tǒng)與分布式I/O及其它設備之間的主從通信。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本地擴展模塊（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)總線間均設為相互隔離，其輸入信號可直接接至模塊上，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，但因混捏機調(diào)速系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)以及現(xiàn)場各信號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必須隔離。此外對于遠程采樣信號，為提高測量準確性，其輸入信號均采用電流信號輸送。對于無源輸入信號，而且傳輸距離短的傳感器信號，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，要考慮實際采用的傳感器的引線根數(shù)，對于多數(shù)4芯傳感器接線，則采用圖5接線方式；對于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 混捏機控制及保護系統(tǒng)的設計

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

保護系統(tǒng)是設備應具備的基本功能，尤其是重大關鍵設備，其這方面的要求更加重要。在實際中，根據(jù)設備的運行安全的要求、現(xiàn)場復雜性以及對操作人員產(chǎn)生的可能傷害等要求，采取可靠的保護措施和防止手段，是設備控制必須的性能。為此，在混捏機電控系統(tǒng)中，應用PLC實現(xiàn)如下保護措施，完全滿足了混捏機實際運行要求。

（1）電樞電流的上限設置。根據(jù)混捏機的實際工作要求，對其電機電樞電流的上限設置為兩種保護功能：對于較小范圍的過流（如負載擾動引起的過流），設置電樞電流達到設定的電流值360A（相對于混捏量為16T/h而言。由于混捏料量多少不同，其電機電樞電流相應的也不等，應根據(jù)實際混捏料量確定；如混捏量為17.2T/h，其工作電流上限設為380A較為適合），允許過流時間設定為45秒（可在10～300秒內(nèi)選擇），超過設定時間，電樞電流仍然處于過載范圍，則PLC給混捏機調(diào)速裝置發(fā)出故障信號，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，并啟動報警器工作；第二種保護設置是防止混捏機突發(fā)故障，引起主電機電樞電流超過一定值（如410A對應的混捏量為16T/h；若混捏量為17.2T/h，則動作電流值設為435A才能滿足實際要求）的特殊情況，則設置立即啟動保護功能（由于PLC掃描周期為100ms，故系統(tǒng)實際會延時100ms后才動作）。在實際中，導致這種大電流出現(xiàn)的原因一般有以下幾種情況；如電機電樞繞組絕緣損壞、可控硅擊穿、閉環(huán)控制系統(tǒng)出現(xiàn)大的振蕩、電機集電器或炭刷等處短路、混捏機傳動機構工作異常、混捏筒體內(nèi)有螺栓或金屬硬質(zhì)物混入等異常故障，引起混捏機瞬間大電流出現(xiàn)。由于這類突發(fā)故障會造成混捏機整體機構嚴重的破壞和損害，故其控制系統(tǒng)要有靈敏的、高可靠的保護措施。例如2005年6月1#混捏機發(fā)生的11付動、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)濟損失。另外又必須避開混捏機正常實際生產(chǎn)中小負載波動的情況。

（2）自動爬行速度和最高速度的設置?；炷髾C屬重負載設備，其啟動后必須設置自動爬行速度功能。即混捏機啟動后，其調(diào)速系統(tǒng)自動進入速度從零加速到一定的轉(zhuǎn)速運行狀態(tài)。另外對于減速操作，換設置了當進行減速操作時，電機速度下降到爬行速度時，會自動停止速度遞減，保持最低速度運行，直到停止按鈕按下后系統(tǒng)才會停車，這種設置是為了防止混捏機工作在堵轉(zhuǎn)大電流異常狀態(tài)。

最高轉(zhuǎn)速限制?；炷髾C在進行升速操作過程中，有時因操作失誤、或其它原因，會使調(diào)速系統(tǒng)給定無限增大，導致電機轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速超過電機的額定值。為防止這種異常情況發(fā)生而設置的一種控制功能，當升速操作使電機轉(zhuǎn)速達到額定值98%時，升速操作則失效。

（3）超速保護?；炷髾C拖動電機轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。而直流電機實際運行中，由于各種原因（如負載突然降低、弱勵磁、失磁等異常）其轉(zhuǎn)速有時會超過額定轉(zhuǎn)速，在設備安全要求下，必須采取一定的措施。為此混捏機主電機設置有超速保護功能，當實際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過額定值的105%時，PLC采樣到的實際轉(zhuǎn)速信號與設定值比較，監(jiān)測超速后立即向調(diào)速裝置發(fā)出超速保護信號，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同時啟動報警系統(tǒng)工作。另外，混捏機還設置了第二級機械式超速保護措施，其轉(zhuǎn)速離心保護器與主電機轉(zhuǎn)子軸相連，當其轉(zhuǎn)速達到1500r/min時，離心開關動作，斷開系統(tǒng)主電源，實現(xiàn)超速保護功能。

（4）勵磁欠磁保護。直流電機勵磁工作電流一般不允許低于規(guī)定的值。較低和波動較大的勵磁電流會引起電機失速，甚至飛車現(xiàn)象，故須采取可靠的欠磁保護裝置。混捏機直流主電機勵磁額定電流為7.8A，低于5.6A屬弱磁(欠磁)運行狀態(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。當勵磁電流低于設定值時，其欠磁繼電器會釋放，斷開系統(tǒng)控制電源，達到欠磁保護目的。但欠磁繼電器靈敏度低，誤差大。為此在PLC控制設計中，應用可編程控制器的軟件程序，實現(xiàn)勵磁電流的檢測、比較、異常報警等監(jiān)控功能，提高了欠磁保護的準確性和靈敏度。

（5）熱交換器控制及保護設置。中、大容量直流電動機均設有獨立的自冷卻系統(tǒng)，是一種封閉的、自循環(huán)冷卻裝置，采用PLC實現(xiàn)啟、停及運行狀態(tài)監(jiān)控，使冷卻裝置工作更加安全、可靠。當PLC檢測到機構工作狀態(tài)異常（如冷卻水斷流、過濾網(wǎng)堵塞或循環(huán)風機停機等異常）時，立即向操作室工作人員發(fā)出聲光報警，工作人員可及時采取必要的處理措施，報警狀態(tài)持續(xù)180秒后（故障還未排除），則PLC自動使混捏機降速至停機。

3.2 輔助設備的控制設計

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

（1）潤滑裝置的監(jiān)控設置?；炷髾C潤滑裝置、減速機冷卻機構的可靠工作，對于混捏機正常運行至關重要，每一處的潤滑異常都會引起混捏機的機械裝置重大損壞，甚至導致重大事故發(fā)生。因此其各個潤滑點的噴油時間、間歇時間設定適當，工作可靠、穩(wěn)定。由于潤滑參數(shù)的設置與工作環(huán)境、設備運行狀況等有關，環(huán)境溫度越高、粉塵濃度越高等環(huán)境越惡劣，機械磨損程度越嚴重，則其潤滑周期應越短，噴油量要多些（但過多又會出現(xiàn)設備漏油和潤滑油浪費問題）。其潤滑時序如圖7所示。

圖7 混捏機各潤滑點噴油時序圖
注：1.tn-1為噴油時間tn-2為間歇時間；

由于潤滑裝置的給油量一定，同時只允許最多兩個噴油嘴供油。

混捏機主軸上設有5個潤滑點，其采用間歇、周期性、自動噴油方式潤滑。在混捏機運行中，潤滑機構工作異常（如每一噴油量不足，或間隔時間設定不合理），會使?jié)櫥c潤滑不良，引起局部過熱現(xiàn)象，PLC檢測到該處溫度超過設定值時（一般設定為55℃），則發(fā)出故障報警，故障持續(xù)6分鐘后，PLC會自動降速并停機。

（2）冷卻裝置的監(jiān)控設置?；炷髾C減速機冷卻裝置也是重點監(jiān)控的重點之一，由于混捏機的工作制是連續(xù)長期運行方式（每個生產(chǎn)周期均達到50多天），其減速機承擔著兩種運行方式（大軸自轉(zhuǎn)和前后移動）的減速和轉(zhuǎn)換工作，且負載非常重，其發(fā)熱量十分大，故要求冷卻裝置的工作必須可靠、運行良好，監(jiān)控及時、準確。為此在應用PLC實現(xiàn)其控制中，對6個冷卻點的油路流量、壓力進行測量，監(jiān)測有斷流（斷流時間不允許超過180秒）、或供油不足，則發(fā)出報警。由于冷卻系統(tǒng)工作不正常會引起機械部件局部高溫，導致齒輪、軸承等部件退火，加速機械磨損等現(xiàn)象。故其供油裝置的油泵運行、各管路內(nèi)油流量、減速機溫度（6處）均要求設置監(jiān)控點。

4、結束語

根據(jù)三個生產(chǎn)周期的（6個月）運行，并對混捏效果、電機參數(shù)、工藝條件等指標長期測量和監(jiān)控，以及對陽極混捏料質(zhì)量測定、比較，其結果證明改造效果良好。每個生產(chǎn)周期內(nèi)混捏機的電控系統(tǒng)故障平均降到1.2%（改造前每個生產(chǎn)周期平均為11.6～19.2%）；其次，應用PLC實現(xiàn)了混捏機可靠調(diào)速操作和的多級保護功能，電機主電流兩級保護的設置，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備事故的發(fā)生；此外，PLC的應用，提高了潤滑、冷卻等輔助裝置的工作可靠性，改進了原控制系統(tǒng)的缺點和多故障問題。該廠連續(xù)混捏機控制系統(tǒng)應用PLC完成改造后，取得了顯著的效益。達到了高質(zhì)量、低成本、穩(wěn)定可靠的設備運行目的