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1、1.摘要可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。关键词 斗轮机 可编程控制器PLC 可编程终端PT 矩阵控制器 编码器2.绪论21课题背景：斗轮机作为重要的输煤设备现已
2、广泛用于电厂的燃料储运煤场。我国是从六十年代中期开始设计制造斗轮堆取料机的，主要用在大型散货港口，火力发电厂的储煤场、大型钢铁公司的矿石煤炭原料场、大型水泥厂等大型企业。斗轮机总体结构分为：斗轮机构、 悬臂胶带机、 仰俯机构、 回转驱动机构、 行走机构等设备如图一所示22设备现状参数：类别数值电源三相四线（交流 380V ）供电方式拖链装置（易格斯）型号：4040CR.20.350.0行走机构电机型号：JZ2-51-16/4功率：4/16 KW;电流：23/32A俯仰电机型号：YZ180L-8功率: 11KW 电流：25A回转泵电机型号：Y180L-6功率15KW 电流：31.4A斗臂皮带电机
3、型号：Y250M-4功率 55KW 电流：102.5A斗轮泵电机（2台）型号：Y250M-6-B功率 37KW 电流：72A23本文所作工作：我厂输煤燃料四期系统目前共有二台斗轮机，于1996年投入，由于整机电气控制越来越不能适合现代生产功能，再加上目前电气产品发展迅速，一些备品备件将无法购置。2004年我厂基于今后发电发展需要，对这二台斗轮机进行整机电气部分重新设计改造,并由我厂设备部全权负责整机电气控制设计工作；因斗轮机整机机构及各设备工作原理较为熟悉，我厂设备部历时半年，完成了对这二台斗轮机电气整机改造工作，目前已投入正常运行。4斗轮机控制系统设计4.1整机电气设计简述整机供电电源为三相
4、四线，电压为380V，供电频率50Hz，供电方式为拖链（即电源从地面通过拖链引机）。整机电气设计共分三大块：外围传感器电气部分、PLC组态及程序编程部分、工业电视监视部分。根据整机结构及设备布置情况，将机上共设二个电气房及一个司机操作室，电气房分为上部、下部二个位置，下部电气房主要为行走及整机电源部分，上部电气房为回转、俯仰、皮带及PLC系统。在司机室操作台旁增加一只可编程终端（简称PT，型号为OMRON NT631C ），用来显示整机设备位置信号、控制操作各设备启、停命令和故障报警、历史报警查询等。为确保斗轮机设备运行安全性、可靠性，考虑到我厂输煤设备电气选型质量情况，将所有外围电气传感器为
5、OMRON系列产品，操作按钮、指示灯及转换开关、各极限保护开关为施耐德产品，所有电气控制元件为西门子产品。具体一次接线图如附录一所示。42可编程控制器组态设计 ：421系统配置原则：a) 完整性：PLC系统必须完整，该配的都得配齐。如果丢项，在安装或使用时再增加，不仅将带来诸多麻烦，还将可能延误工期。b) 可靠性：PLC系统必须可靠，可从四个方面考虑：一是PLC自身产品质量；二是供货方的技术服务；三是重要或特殊场合下的工作要求能否达到；四是要否冗余配置。c) 发展性：PLC的工作寿命较长，但技术寿命并不长。PLC往往不是使用坏了，而是还示用坏，由于落后了，不得不淘汰。为此，PLC系统配置应坚持
6、发展性原则。有两个要点：设计系统配置时要留有发展的余地；对PLC选型时应尽可能用新型号。d) 继承性：系统配置还要考虑到曾经使用过PLC的历史情况。如果新配置的系统与原有的有继承关系，编程器及一此编程软件还可再用；所积累的宝贵经验也可派上用场；甚至有的程序模块还可移植，这对缩短编程时间，正确地使用PLC都大有好处。e) 经济性：经济上是否合算，也应作为是否采用PLC，要用什么样PLC的重要评价标准。显然，进行系统配置，最后还应由效益作评价。422系统配置步骤系统配置过程也是从粗到细一步步推进，要分步骤进行。一个配置完成后，又可能再返回来，再逐步完美，直到从多个方案中挑选一个最为满意的方案为止。
7、系统配置步骤用类比法大致确定可选用的厂家产品及机型；确定时要遵循发展性及继承性原则。a) 用估算法 估算I/O点数及模拟量路数，并确定要选用的机型。b) 用计算法 依完整性原则计算所需的模块数，这里可能有多个方案，那就应计算出各个方案的结果。c) 可靠性的考虑 依可靠性原则考虑必要的冷备份、热备份或冗余配置；若为一般系统，这个步骤可省略。d) 经济对比 计算各个方案的投入费用，并依经济性原则选其中最优者。e) 最后修正 必要时再进一步作性能计算或进行实物测试。再根据计算或测试结果，对原有的配置作修正。43 PLC选型：我厂早在90年就接触过PLC，从使用情况及可靠性性能分析，斗轮机PLC选用O
8、MRON产品还是比较理想。 原因一；早期接触OMRON产品28点固体式（CPU、电源、I/O点合在一起），质量好，可靠性稳定，缺点扩充性能差。 原因二；对OMRON产品PLC软件及硬件较熟悉，尤其随着PLC不断改进、升级，与其配套编程软件也越来越直观化，并且很适合工厂企业需用，例软件中文化，同时也可在编程图程序中加注中文注释等功能，使得程序较直观，维修更方便、明了化。最终我厂选用OMRON系列C200HG的PLC，根据设计思路，在设备中增加PT后，一些设备操作控制按钮可设计在PT中，则大大减少了I/O 输入点数。根据实际现场设备需要统计PLC点数：开关量输入点为70点，开关量输出为40点，模拟
9、量输入为5路（作为电机电流信号），因行走、回转及变幅部分装设旋转编码器后，则增加二块特殊输入模块作为与之相配套。431开关量输入模块选型：根据OMRON安装手册查之，C200H-IA222模块较适合现场，其接线如图，选择理由：a) 输入工作电压为200V264VAC，这样现场开关量接点直接进输入模块，不要加装外围继电器，节省成本，提高可靠性，同时也使得在控制二次回路设计中简单明了,减轻今后设备维护工作量。b) 该模块输入点数较多（16点），减少模块数量，节约成本。4.3.2开关量输出模块选型：根据OMRON安装手册查之，C200H-OC225模块较适合现场，其接线如图，选择理由：a) 模块最大
10、通断能力 2A 250V的继电器型，输出不易损坏且一旦损坏后可自已更换内部继电器就可修复。b) 输出点数较多（16点），减少模块数量，节约成本。433模拟量模块选择：模拟量输入模块是采集420mA电流量，且整机需5路，根据硬件手册且配置原则（冗余）后选用AD003。旋转编码器外形434特殊模块选择：由于采用旋转编码器（外型如图如示），根据编码器说明要求，选用高速计数模块CT001（选用模块CT001，其接线方式如下图，主要用于回转、及行走旋转编码器，旋转编码器即为各设备位置数值显示，它直接进入PLC，然后通过编程软件计算得出实际数值并相应在可编程终端PT中显示出来）。根据现场设备工况，回转、行
11、走旋转等部位装设光电编码器（型号为E6C2-CWZ26C），俯仰为绝对值编码器（型号为E6F-AB3C），绝对值编码器输出的是格雷码，与它相配套模块为ID501。 434 CPU、底板选择：根据PLC组态配置原则及以上所选模块、实际统计点数，最终确定CPU为C200HG-CPU43，其主要参数：用户程序存储器为15.2K，数据存储器为6K，指令处理时间为0.15us，受支持的I/O最大实用点数880点。底板所用C200HW-BC101（10槽）及扩充底板C200HW-BC051（5槽）。整机系统组态见附录二： 针对斗轮机设备运行特性，整机配置了一套工业电视监视系统，工业电视监视器放置在司机室操
12、作台上方，以便方便司机了解现场设备图像画面，同时将工业电视矩阵切换器（飞利浦LTC5108）中的报警口与PLC输出模块通讯联络来实现监视画面图像跟踪切换功能(跟踪切换就是当某个设备运行后,PLC输出一路至矩阵切换器报警口并相应画面图像自动切换之该设备镜头中)。5.程序设计部分在程序设计之前首先确定被控设备系统做什么、按什么顺序且何时动作。把输入输出设备分配给单元上的I/O点，确定如何分配及特殊I/O单元或链接系统，最后绘制一张整机I/O表及各被控设备之间逻辑关系网络图，根据I/O表中点号及逻辑网络图方可着手编制程序。OMRON产品PLC编程软件采用CX-Programmer中文版，整机编程共分
13、为三大块：数据采集换算程序、整机电气操作系统程序、机上辅机设备控制部分（包括机上设备故障报警、水喷雾装置及工业电视跟踪等）。5.1数据采集换算：数据采集又为过程控制，主要是对一系列摸拟量实施控制。模拟量是连续量，一个完整的模拟量PLC控制，一般讲其过程是：用传感器采集信息，并把它变换成标准电信号，送给模拟量输入单元；模拟量输入单元把标准电信号转换成CPU可处理的数字信；其控制过程如图：信息采集信息变换信息处理信息反变换控制输出过程控制流程本程序中主要用在机上电动机电流数据采集换算，将电机模拟量电流信号（由CT 电流变送器-模拟量输入模块）420mA送入PLC模拟量模块，并通过程序计算出实际值送
14、至触摸屏画面显示，同时将数值在程序中与实际额定电流值比较输出控制外围继电器起到电动机过流保护作用具体见如图三图三 程序分析：上图中将CH144通道（即外围电流输入模拟量模块通道号）保存在DM0140中，再将DM0140通道中十进制数值转换成BCD码至DM0141中，根据电流输入CT变比换算成实际值而保存在DM0800中并在触摸屏PT画面显示出来。DM400及DM401指通过计算后的实际电机电流值与DM1700(设定数值)比较，若DM400(或DM401)大于DM1700值时，则TIM016延时常开点（延时主要避开起动瞬间电流值）动作输出模块3005点驱动继电器输出起到过电流保护作用。其次它还用
15、于旋转编码器数据采集换算及触摸屏数据显示（俯仰、回转角度及斗轮机整机位置数值等）等。5.2整机电气操作编程操作编程是工程设计法编程，就是运用自动控制理论与方法，分析与设计逻辑量输入与输出间的顺序控制关系。其目的是弄清所控制的对象，是怎样按要求的顺序工作的。它主要有三大类型：a) 分散控制 其控制命令是由分散的动作完成法反馈信号提供。b) 集中控制 其控制命令是由集中控制器提供。集中控制没有反馈信号，控制是开环的，它的次一个命令的了发出与前一个命令执行与否无关。前一个命令不被执行，后的命令仍照发不误。用这一原则进行控制，其程序容易设计，效率高。缺点是它没有反馈，如果协调不好或采取的措施不当，系统
16、易出现问题。c) 混合控制 它的控制命令由集中控制器发出，而什么时候命令，则是由分散的反馈信号控制。取决于反馈的条件满足与否。起动条件动作1动作2动作3自动工作停止是否起动分散控制原始状态集中控制器自动工作停止动作1动作2动作X是否集中控制起动条件集中控制器自动工作停止否动作1动作2动作X混合控制是本机操作编程主要用在设备手动操作及联锁操作方式，使其在这二种操作方式下启动、停止机上各设备。手动操作作为设备调试，单独启动、停止设备，联锁操作作为设备在正常运行操作方式，各设备相互联系的联锁关系，如图五所示。图五程序分析：斗轮泵运行它分为手动操作和联动操作，手动操作即在PT画面操作，上图中35.05
17、、36.03点为PT上控制操作斗轮泵启动、停止（作为设备调试用），0.14、0.02、2.11、2.05、11.08为输入模块外围点号，30.05点为程序中间变量即上面所述过流保护。当手动操作时（0.14点接通），操作PT画面启动斗轮泵运行（35.05点接通，该点为即时通点），11.08接通输出，斗轮泵电机启动，同时由35.05并联11.08自保。当联动操作时，即31.04点接通，当与斗轮泵联锁关系设备取料皮带运行后（即2.01点接通），时间继电器TIM012计时，计时30秒后，常开点TIM012接通，斗轮泵运行。5.3机上辅机设备控制辅机设备控制编程也是工程设计法编程，它在程序中主要用于机上
18、水喷雾系统、工业电视跟踪系统及与地面皮带设备联锁部分等）如图六。图六说明：上图为工业电视切换跟踪程序，它分为手动切换画面及自动切换画面，手动切换就是在PT操作切换画面，自动切换就是自动跟踪设备运行（或设备故障）后画面自动切换。图中37.00、37.05、37.02为PT画面点，它作为手动切换画面。与PT画面点并联的点为某设备运行后输入点。6触摸屏画面设计部分母画面主操作菜单控制画面1数值显示2报警指示3报警列表4电流趋势5执行返回OMRON可编程终端产品主要型号为NT631C，它具有：体积小（薄形，屏厚50mm,通信电缆连接器装在单元内部使它们不突出于单元）；画面数据自动检查功能（不用连接到支
19、持工具）；用一个内存单元即可快速修改画面数据（修改画面可在计算机制作后存放到内存单元，并在现场将内存单元传送至PT即可）。PT是一个功能强大的显示单元和自动显示信息，同时还具有可操作控制功能。根据斗轮机设备需要及特性，画面设计总体分为一个母画面、五个子画面,其逻辑关系如图：子画面共分三大类：一是画面操作部分（在触摸屏上操作各设备启动、停止）;二是各设备状态显示部分（显示设备到位位置及电源开关合、跳的状态）及数据显示部分（显示机上各电机运行电流、俯仰、回转、行走位置数值）;三是故障显示及故障报警列表、历史报警列表（显示各设备故障指示及故障查询）等。操作画面设计思路：PT画面操作PLC程序执行PL
20、C输出模块输出继电器驱动设备执行PT画面：运行指示灯操作按钮子母画面切换按钮设备状态显示设计思路：外围状态信号PLC输入模块PT画面显示PT画面：说明：报警指示画面指当设备在运行发生故障时，该画面自动切至，同时操作台旁蜂鸣器响起提醒操作人员。报警列表画面作用为设备发生故障后记录、查询。电流趋势画面设计思路：外围信号模拟量模块PLC程序计算PT显示电流值PT画面：7.整机调试方案及要求为确保整机调试安全，针对机上设备特性，制定以下调试方案，具体见表二、三所示：表二 斗轮机分步试运转方案顺序设备部位设备调试步骤技术标准1总电源、控制电源系统调试斗轮机整机电源送电至机上电源柜。合上机上总电源闸刀,及
21、合上相关控制操作空气开关。将工作电源断路器开关推至合闸位置。操作工作电源开关（分别在司机室、电源柜、PC柜操作工作电源开关）。合上PC柜各电源空气开关。验电三相进线电源正常。工作电源开关设定电流正确（三相长延时电流设定Ir为0.7，tr为0.5，短延时瞬时脱扣为Isd1.5）。操作工作电源开关合分正常及相关各指示灯应正常。PLC各指示灯正常。2行走系统调试合上行走主电源、控制电源及防爬器、抱闸空气开关（重点检查并确认拖链上方无杂物东西）。手动操作防爬器及行走前进及后退。防爬器、锚钉动作正常且各指示正确。行走四台电机旋转方向应一致及各热偶数据设定准确（电流为25A）。行走电机指示正常（包括电流）
22、，行走行走警铃及限位正常。3回转、俯仰系统调试合上回转电源及控制电源开关。启动回转泵电机。操作回转左转及右转。合上俯仰电源及控制电源开关。操作俯仰上升、下降。设定回转泵热偶数据（设定为30A），电机方向正确。左转及右转动作正常，左右极限位动作正确。中间落煤筒处及各电缆槽盒通道合适无踫撞现象。俯仰电机方向正确，各运行指示正常。热偶设定数据正确（设定为30A）俯仰上极限、下极限动作正确。4斗轮及斗臂皮带系统调试合上斗轮泵电机、斗臂皮带主电源及控制电源空气开关。手动操作启动斗轮泵、及斗臂皮带。斗轮泵二台电机方向一致且各运行指示正常。斗轮泵热偶设定数据正确（设定为70A）。确定斗臂皮带电机方向正确且煤
23、控运行指示应与现场一致。斗臂皮带热偶设定数据正确（设定为100A）。斗臂皮带外围保护（拉绳、跑偏开关）动作正常。5导煤槽及挡扳系统调试合上导煤槽、尾车挡扳主电源及控制电源空气开关。手动操作导煤槽、挡扳。手动操作导煤槽、挡扳动作及各限位动作正常。电机转向正确，且各运行指示正常（煤控上位机指示与实际一致）。导煤槽、挡扳热偶数据设定准确（设定为3A）6整机工业电视系统调试合上工业电视电源开关(包括司机室监视器电源)。手动操作切换各摄像头画面各摄像头位置应合适且固定稳定。各摄像头图像应清淅无抖动。起动相关设备后图像应自动跟踪切换。7电气房、司机室及整机照明目视电气房、司机室合上各照明电源开关(包括照明
24、控制电源)操作整机照明控制按钮电气房、司机室顶部无渗水裂，室内装饰板平整、无脱落。灯具固定牢固，布置合理。能满足工作现场所需照明亮度的要求。司机室操作台及楼梯照明控制按钮能实现整机照明集中控制功能。表三 斗轮机整机试运转要求顺序内 容 要 求1合上机上所有电源开关，具备整机运行条件2俯仰极限调试操作把扳至上升，俯仰上升并一直到上极限位后俯仰自动停止。相反操作下降同上。注：在俯仰动作时密切注意电缆槽盒是否与栏杆有踫撞现象。3回转极限调试启动回转泵电机。操作把扳至左转后，回转动作，并一直到左转极限到位后停止。相反操作右转同上。注：在回转动作时密切注意中间及相关电缆槽盒是否有踫撞现象。4行走系统调试
25、行走固定措施解除。操作行走前进（或后退），检查各组电机转向是否一致、检查防爬器是否全部提起。检查各组制动器是否全部打开。行走前进（或后退），行走前进（或后退）到位后自动停止。注：在行走前一定要检查拖链有无杂物等东西。5自动堆料系统调试操作台“联动”选择开关扳至联动控制位置。操作台“堆取料”选择开关扳至堆料控制位置。导煤槽、挡扳自动到位（堆煤位置）后斗臂皮带响铃30秒启动皮带。煤控上位机得知斗轮机运行后启动地面皮带，斗轮机整机堆料工作开始。将操作台堆取料选择开关扳至零位则斗臂皮带自动停止及#25B皮带紧跟停止，自动堆料调试结束6自动取料系统调试操作台“联动”选择开关扳至联动控制位置，系统“联锁”
26、开关扳至联锁位置。操作台“堆取料”选择开关扳至取料控制位置。导煤槽、挡扳自动到位（取煤位置）。煤控启动地面皮带后，机上斗臂皮带响铃30秒后启动，再过5秒后斗轮泵启动取煤开始工作。停止地面皮带后紧跟着斗臂皮带、斗轮泵电机停止，自动取料调试结束。8结束语PLC技术已广泛应用于各控制领域，尤其是在工业生产过程控制中，它具有其它控制器无可比拟的优点，可靠性高，抗干扰能力强，在恶劣的生产环境里，仍然可以十分正常地工作，本文介绍了一种基于PLC、PT（可编程终端）及工业电视监控寓于一体，在设备布置上合理化、人性化，在程序编程及PT（可编程终端）画面上比较精简、细致化，改造后目前我厂二台斗轮机将与国内同类设备相比控制较为先进，价格较为低廉，功能较为实用，同时大大提高我厂的输煤斗轮机设备安全性、可靠性，也为我厂发电机组稳定奠定了坚实地基础。参考文献1 OMRON C200HX/C200HG/C200HE可编程控制器编程、安装手册2 OMRON NT631/NT631C可编程终端 操作手册3 电工技师手册编辑委员会 编 电工技师手册4宋伯生 陈东旭 编 PLC应用及实验教程5设备部编 燃煤系统检修规程附录2 整机系统配置图