链斗式装船机的电气自动化控制系统设计

　　摘 要：链斗式装船机是一种新型的散粮装船机械，具有占地空间小、作业效率高的特点。本文根据链斗式装船机的结构特点与组成，提出整机的电气自动化控制系统设计方案。结合链斗式装船机的特点，对电气自动化控制系统的组成与核心控制逻辑进行分析与论述。

　　关键词：链斗式装船机;电气自动化;控制系统设计

　　目前，国内港口的散粮装船作业主要使用连续式装船机，生产作业中往往与带式输送机进行驳接，将物料输送上船。传统的连续式装船机一般由门架、臂架、溜管等结构组成，并配有相应的行走、伸缩、俯仰机构。传统的连续式装船机通常装配有成套的电气自动化控制系统，该套系统主要使用一些目前在国内港机上广泛应用的主流品牌，具有成熟度高、保密性强等特点。

　　2018年，广州某散粮港口设计制造了一种新型的链斗式装船机(结构如图1所示)，该类装船机颠覆了传统的连续式装船机的结构形式，将设备运行行程向垂直向上的方向延伸，最大限度地减少了水平占地空间，提高了空间利用率[1]。该链斗式装船机为该港口与武汉某设备制造公司联合研究开发的创新项目，由于该装船机在结构与运作上都具有独特性和唯一性，与传统装船机有较大区别，开发设计一套符合其实际应用需求的电气自动化控制系统显得尤为重要。一套先进实用的控制系统是链斗式装船机高效运作与安全生产的基础与保证。

　　1 电气控制要求

　　链斗式装船机固定安装于泊位沿岸，主要用于将货车运来的物料输送至停靠在岸边的船仓内，实现“车装船”的生产工艺。链斗式装船機由溜筒装船机、链斗提升机、带式输送机与除尘系统4部分组成，其中溜筒装船机可细分为回转机构、伸缩机构、俯仰机构3部分。根据链斗式装船机的工作工况，结合港机的现场操作经验与该港口的生产情况，对该机械的电气自动化控制系统提出了以下具体要求：①实现“车装船”生产工艺的自动化，减少人为参与环节，降低人为失误的发生概率。②设备的各机构间实现智能连锁功能，避免物料堵塞、爆料等生产意外的发生。③要求系统能与中控的电气自动化控制系统兼容，预留通讯接口，满足未来与中控系统对接的需求。

　　2 电气自动化控制系统概述

　　链斗式装船机的电气自动化控制系统主要由驱动系统、通讯网络系统与PLC控制系统3部分组成。设计配置4个MCC柜与一个PLC控制柜，在MCC设备与PLC之间设置中间继电器。根据实际需要在合理位置配置各类接近开关或传感器22个，作为保护信号输入源。整套控制系统可分为联控、单控与就地3种控制模式。

　　2.1 驱动系统

　　驱动系统包括了链斗式提升机驱动、带式输送机驱动、除尘器驱动与溜筒装船机的回转、伸缩、俯仰等合计12台驱动电机。链斗式提升机功率较高，设计使用变频器驱动;考虑到各个机构对调速的需求，对回转、伸缩这两个对调速要求高的机构采用变频驱动的方式，其他的对调速要求不高的机构采用软启驱动的方式，降低启动容量，减轻其在启动阶段对电网的冲击效应。驱动系统的具体选型如表1所示。

　　2.2 通讯网络结构

　　工业以太网通讯方式具有通讯速率高、兼容性好、实用性强的特点，适用于工业通讯网络的构建。设置工业交换机，主、从站的PLC控制器与上位机均接入该交换机，既可实现相互之间数据的实时传输，又可预留以太网通讯端口为未来接入中控系统或功能扩展做准备[2]。该系统的通讯网络结构如图2所示。

　　2.3 PLC控制系统

　　采用主、从站的PLC网络拓扑结构，分别设置主站、从站PLC的IP地址，利用工业以太网实现远程通讯。主站设置在司机室内，主要用于接收操作信号的输入与溜筒装船机各机构的信号输入，并输出溜筒装船机的控制信号。从站设置在地面电房内，主要用于接收链斗式提升机、皮带机、除尘器的输入，并输出相应的控制信号。整套系统包含了126个I点与52个O点，其中主站包含了86个I点与37个O点，从站包含了40个I点与15个O点。考虑到系统的可扩展性，增加20%的备用IO点作为预留。因此，主站要求配置至少104个I点与44个O点，从站要求配置至少48个I点与18个O点。总体来说，该套控制系统的IO点数量较少，另一方面考虑到该港口现有中控采用的是AB品牌的大型PLC，为了降低后期兼容的难度，本套系统选择AB品牌的小型PLC作为逻辑控制器，具体型号为Micrologix1400系列的1766-L32BWA(CPU模块，20输入/12输出)，扩展模块选择1762-IQ32T(输入模块，32输入)、1762-OB32T(输出模块，32输出)，触摸屏上位机选择Panelview 800 Terminal系列的2711R-T10T[3]。

　　3 核心PLC程序设计

　　针对PLC的型号，选择Logix500 v8.1编程软件进行编程组态。

　　3.1 主、从站通讯程序

　　利用编程软件的控制器目录下的通道组态功能，在通道1的选项卡下分别配置主站、从站的IP地址。设置主站的IP地址为192.168.0.1，如圖3所示。从站的IP地址设置为192.168.0.2，具体操作同理。

　　分别设置好主站、从站的IP地址后，建立主站、从站之间的通讯组态。在主站程序的数据文档下建立MG10标签，用于MSG指令的文档命名。利用两个MSG指令，分别用于主站向从站进行读、写操作，两个指令分别命名为MG10：1与MG10：2，如图4所示。

　　在主站程序的数据文档下建立RI11标签，用于存储通讯过程的状态与过程参数。从第一个MSG指令进入Setup Screen菜单，在通讯需求里选择500CPU Write，将主站地址为N9：0的16位数据写入从站地址为N9：0的16位数据点，通讯过程的状态与过程参数存储在标签RI11：0内，具体设置如图5所示。在第二个MSG指令里，选择500CPU Read，设置主站地址为N12：0的16位数据点读取并存储从站地址为N12：0的16位数据，通讯过程的状态与过程参数存储在标签RI11：1内，具体操作同理。

　　3.2 联动控制与连锁程序

　　将溜筒装船机、链斗式提升机、皮带输送机、除尘器设置为连锁动作。结合生产需求，在装船作业过程中有必要根据实际情况调整溜筒位置。因此，溜筒装船机的回转、伸缩、俯仰机构设置为司机单控调节，无需联控调整。联控启动的过程为：系统确认溜筒装船机各个信号正常;以关风器、灰刮板、离心风机的顺序依次启动1、2号除尘器;除尘器正常启动后，通过延时指令TON延迟1 s后，依次启动皮带机风机、皮带输送机、链斗式提升机，每台设备启动时间间隔10 s。

　　以图6为例，阐述链斗式提升机在联控模式下的启动控制程序：①在联控启动模式下B3：0.7闭合。

　　②皮带机、链斗式提升机自检确认，B3：6.5、B3：6.6闭合。③此时，皮带机已通过联动启动模式正常启动运行，B3：6.4、I0.4闭合。④链斗式提升机辅机在正常情况不运行，O2.3保持闭合。⑤利用TON延时指令(此处已省略)，延时10 s后，B3：4.0闭合，控制O2.2闭合，链斗式提升机启动。

　　皮带机自检常开触点B3：6.5受皮带输送机堵料、拉绳与通讯故障等故障信号触发，与皮带输送机的运行信号I0.4一同串联在控制回路内，与链斗式提升机的控制信号进行连锁。在运行过程中，①当皮带输送机发生故障或者停止运行时，链斗式提升机的控制信号瞬间切断，链斗式提升机也将停止运行。②除尘器与输送机构并无连锁关系，除尘器发生故障将不影响输送机构的正常运行。这种程序连锁的设计确保了生产过程的相对安全，降低了生产事故的发生概率。

　　联控停止过程的控制顺序与联控启动过程正好相反：优先停止链斗式提升机，其次停止皮带输送机，然后停止皮带机风机，每台设备停止时间间隔为10 s;在皮带机风机停止后，间隔10 min，再同时停止1、2号除尘器，除尘器的停止顺序依次为离心风机、灰刮板、关风器。

　　以图7为例，阐述皮带输送机在联控模式下的停止控制程序：①在联动停止模式下B3：5.3闭合。②此时，链斗式提升机已停止，链斗式提升机的启动信号O2.2与运行信号I0.10已置0。③利用TON指令T4：15延时10 s后控制皮带输送机停止的常闭触点B3：5.5断开，将皮带输送机开机信号O2.0置0，皮带输送机开始停止。

　　3.3 故障判断程序

　　该控制系统需要合理检测两大类故障：主站、从站之间的通讯故障与设备故障。主站、从站之间的通讯正常，决定了整套控制系统的稳定性。有必要实时检测主站、从站之间的通讯状态，在发生故障时第一时间进行保护动作。具体检测思路为：通过主站、从站之间不间断地相互发送脉冲信号，接收站检测脉冲信号的完整性，来达到实时监测通讯状态的目的。具体实例如图8所示。

　　主站PLC通过两个延时1 s的TON指令互锁，形成周期为2 s的脉冲信号N9：0.0，N9：0.0通过MSG指令写入从站PLC的N9：0.0。在通讯正常情况下，从站接收到的也是周期为2 s的脉冲信号。具体程序如图8所示。

　　在从站PLC里，N9：0.0以一对常开、闭触点存在。当主站PLC的通讯状态发生异常时，N9：0.0将以不规则的脉冲信号传输至从站PLC，如果从站接收到的脉冲信号的高电平或低电平持续时间超过2 s，则B3：11.5或B3：11.6闭合，输出主站通讯故障信号。通讯故障检测程序如图9所示。在主站里判断从站通讯故障的程序在原理上是一致的。

　　检测设备故障在本质上是指实时检测各个信号的状态，在信号异常时第一时间发出报警。利用长度为16位的数组记录所有信号的状态，定义信号正常的状态为0，定义信号异常的状态为1。所有信号的状态可由数串16位的二进制数表示。当信号异常时，该信号对应的二进制位由0变1，必将使包含该位的那串16位二进制数在数值上是增大的。因此，只要将该数组的前后状态进行大小比较，即可判断设备是否发生了故障。

　　以图10为例对设备故障检测程序进行阐述：利用MOV指令将字标签B3：30赋值至B3：35，然后利用B3：30的第5位B3：30.4读取伸缩变频器故障的IO点状态，最后将B3：30与 B3：35进行比较。当伸缩变频器发生故障时，I0.5闭合，B3：30.4由0转为1，使字标签B3：30增大，利用GRT指令判断B3：30大于 B3：35时，输出故障报警信号。相反，如果没有设备故障发生，B3：30将小于或等于B3：35，不满足GRT指令的触发条件，不输出故障报警信号。

　　3.4 上位机组态

　　针对Panelview 800 Terminal系列的触摸屏上位机，利用Connected Components Workbench软件进行组态。上位机主要包括了联动操作、单动操作、皮带状态、历史故障等8个子画面，涵盖了模式切换、操作、监控、查询等主要使用功能。利用该上位机，可实现信号的可视化与操作的便捷化，具有较高的实用性。

　　4 结语

　　链斗式装船机作为一种新型装船机，具有占地空间小、作业效率高的特点。针对链斗式装船机的工作特性，结合实际需求，提出整机的电气自动化控制系统设计方案。对整套控制系统的设计思路进行公开，具有较强的可操作性与可移植性。通过实践证明，该电气自动化控制系统运行稳定、实用性强，满足了链斗式装船机的实际作业需求，同时取得了良好的经济效益与社会效益。

　　参考文献：

　　[1]何晓涛，李 意.用于散装粮食装船的新型链斗式装船机[J].港口装卸，2019(3)：1-3.

　　[2]钱晓龙，赵 舵.MicroLogix核心控制系统[M].北京：机械工业出版社，2010.

　　[3]王华忠.工业控制系统及应用——PLC与组态软件[M].北京：机械工业出版社，2016.

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文章名称： 链斗式装船机的电气自动化控制系统设计

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