基于PLC的耙料机自动控制系统

引言

    耙料机是化肥生产包装的重要设备，是大型化肥厂最大的移动设备。一般大型化肥厂都设有一座大型化肥散装库，在无包装条件时由胶带输送机将化肥均匀撒入散装库中，当需要包装时再由耙料机将化肥耙到胶带输送机上。中国石化股份公司安庆分公司化肥厂上世纪70年代从法国引进一套耙料机设备，长期处于恶劣的环境中经过几十年的运行，各电器元件老化严重，已进入故障高发期。由于早期的继电器控制系统线路结构复杂，若发生故障，故障原因难以查找，特别是一些进口元件早已停产，备件来源无法保证，一旦损坏有胀库的危险。为保证设备的长期安全运行，提高维修保养效率，降低一线工人劳动强度，提高工厂自动化水平，实现管理网络化，控制无人化。设计一种基于可编程控制器(PLC)自动控制系统，改造原先的继电器控制系统，是耙料机技术改造的可行方案。下面以中国石化股份公司安庆分公司化肥厂耙料机升级改造项目为例介绍一种以西门子S7-300PLC为基础的控制系统升级方案。

1 系统的结构及功能

    改造后的耙料机自动监控系统由控制主站和控制从站组成，主从站之间采用无线通讯与PROFIBUS-DP通讯两种通讯方式，互为热备。控制主站设在散装库监控室内有两台工控机一用一备，控制从站设在耙料机上的行车内。主站和从站均为可编程控制器。从站直接控制现场电气设备的启停、运行，并接受现场设备信号，进行简单的信号处理，再将信号传递给主站；主站接收从站信息，将有关参数分析保存并显示故障报警。系统可在远程和本地两种工作状态下控制耙料机。监控系统的结构如图1所示。

图1 监控系统的结构

系统包括以下功能：

1)故障监测保护：耙料机跑偏，电机综合保护器信号，耙臂运行到极限位置，堵料，拉线开关松弛。

2)设备启动预警，耙料机启动与要料信号互锁。

3)通过主站可修改耙料机耙料与胶带输送机下料之间的延时参数。

4)主站组态界面动态显示耙料机运行情况及故障发生点。

5)主站可选择远程或本地控方式。系统运行时不可更换。

2 系统硬件的结构

本系统由西门子S7-300系列PLC，工控机，电机综合保护器，语音系统，视频监控系统，各类传感器的组成。采用PROFIBUS DP网络将各部分与监控系统连接起来。

2.1 PLC的选择

PLC中央单元处理器选择CPU 315-2DP它集成有一个MPI口(多点通信接口)和一个DP(PROFIBUS-DP)接口。它具有大容量程序存储器，用于分布式和集中式I/O控制中。由于耙料机必须在车间内来回移动，主站与从站间信号传输距离较长，采用DP通讯时必须在主从站之间使用信号中继器增加传输距离。主站与工控机通过CP343-1工业以太网模块连接。为了给日后升级留出可用的空间，一般在设计时按实际需要输入、输出点数的120％确定输入、输出点数。因此主站选择8点数字量输入模块与16点数字量输入模块。从站4个机架共选用14块8点数字量输入模块，5块8点数字量输出模块，一个12通道模拟量输入模块。

2.2 电机综合保护系统

电机综合保护系统为行走电机，旋转电机等装置提供电源，并对其进行控制和保护。它可进行过载，接地漏电，短路，缺相和欠压等保护。并可将故障信号输入从站PLC输入模块中，PLC控制器运算后发出指令控制电机，并将故障信号输出给主站PLC。

3 系统软件的设计

软件设计由两部分组成，PLC程序设计与上位机组态界面设计。

3.1 PLC程序

监控系统有两种工作方式，远程控制方式与本地控制方式。远程控制方式又可分为自动控制与手动控制。在远程自动控制方式下耙料机根据事先存储在PLC内的程序自动控制启停，各种保护均投入；远程手动控制方式下，监控室内的操作员从上位机发出启停指令，各种保护均投入。在本地控制方式下，操作员在耙料机行车操作台上手动按下启停和动作按钮，仅通过从站PLC控制耙料机。此时监控室上位机仅显示工作状况。

PLC程序设计主要包括主站程序和从站程序两部分，主站程序仅负责与从站的通讯调用从站程序。子站程序包括各种工作方式下的启停控制程序，模拟量采集程序，数字开关量的采集、处理程序。故障诊断处理程序，与上位机通讯程序。

从站PLC自动控制程序流程图如图2所示。

图2 从站PLC自动控制流程图

3.2 上位机组态

上位机监控系统用于对耙料机的运行状况进行集中监控，工业控制计算机通过工业以太网与主站PLC相连。上位机操作系统选用Windows XP，上位机监控软件选用WinCC 6.1组态软件。上位机的主要功能是对耙料机的控制参数进行设置，监控耙料机的运行，绘制并保存重要参数变化曲线。上位机组态的使用大大方便了现场操作人员对设备的操作，由于化肥散装库必须全封闭，夏天的高温和刺激性气味使生产环境异常恶劣，系统改造后操作人员不必在现场行车内操作，只需在监控室内工控机上即可完成所有操作。同时维护人员的工作量也大大简化，以前耙料机的维护主要依靠维护人员经验，改造后通过组态实现故障的诊断可视化，所有重要数据曲线保存。上位机组态界面图如图3所示。

图3 上位机组态界面图

4 结束语

本文采用PLC对耙料原有的继电器控制系统进行升级改造，延长了耙料机的使用寿命，提高控制系统的可靠性，降低现场操作工人的劳动强度，方便故障诊断维修，实现了生产管理的可视化、网络化。经过调试和运行，本控制系统达到预期的控制要求，具有较高的可靠性，为企业节省了大量的人力物力，降低了生产成本。