PLC在混捏機控制系統中的應用設計

西門子S7系列PLC以其可靠性高、軟件功能豐富、編程簡便，尤其是其組網能力強大等優點而越來越廣泛地應用于工業自動化控制系統中，從S7-200、S7-300至S7-400，西門子PLC提供了PPI、MPI、Profibus、Industrial Ethernet及AS-i等系列網絡解決方案，從而滿足了管理層、客戶層、現場層到傳感器/執行器等各種層面的通訊需求。本文以我廠炭素成型連續混捏機改造為例，闡述了PLC如何實現混捏機調速控制、混捏過程的實時監控、顯示、操作等功能。保障了生產過程的連續性，降低了勞動強度，改善了勞動條件，實現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糊料混捏目的。其混捏機總控制系統如圖1所示。

圖1 混捏機控制及輔助裝置的系統控制圖

3、PLC控制系統設計

一個設計良好、性能優越的控制系統，必須有高質量、高性能的硬件配置才能保障最佳控制目的實現。由于混捏機控制系統的實際控制量較少，采集的參數種類較多的特點，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（數據傳輸率高達12Mbps）且優化的通訊方式，適合現場級控制系統與分布式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；數字輸入模塊6ES7 321-1FH00-0AA0 6塊；模擬輸入模塊6ES7 331-7NF00-0AB0 2塊；數字輸出模塊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原理圖

由于數字輸入模塊具有各組之間、組與數據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，其輸入模塊內部原理如圖3所示。

圖3 PLC數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、通道與數據總線間隨具有隔離功能，但因混捏機調速系統、輔助控制系統以及現場各信號采樣傳感器電源回路、電壓高低不同，為使PLC系統工作安全、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，對于多數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的設計

在混捏機調速控制系統中，除調速系統硬件設有過壓、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測，實現了混捏機操作互鎖、運行監控及故障報警功能；特別是對混捏機瞬間過電流的監控，解決了混捏料中因金屬硬質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生或故障擴大的問題。

保護系統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，根據設備的運行安全的要求、現場復雜性以及對操作人員產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，在混捏機電控系統中，應用PLC實現如下保護措施，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給混捏機調速裝置發出故障信號，系統立即封鎖主整流可控硅觸發脈沖，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，故系統實際會延時100ms后才動作）。在實際中，導致這種大電流出現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、閉環控制系統出現大的振蕩、電機集電器或炭刷等處短路、混捏機傳動機構工作異常、混捏筒體內有螺栓或金屬硬質物混入等異常故障，引起混捏機瞬間大電流出現。由于這類突發故障會造成混捏機整體機構嚴重的破壞和損害，故其控制系統要有靈敏的、高可靠的保護措施。例如2005年6月1#混捏機發生的11付動、靜攪刀被混入混捏料中的螺栓打斷的故障，造成數百萬元的經濟損失。另外又必須避開混捏機正常實際生產中小負載波動的情況。

（2）自動爬行速度和最高速度的設置。混捏機屬重負載設備，其啟動后必須設置自動爬行速度功能。即混捏機啟動后，其調速系統自動進入速度從零加速到一定的轉速運行狀態。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才會停車，這種設置是為了防止混捏機工作在堵轉大電流異常狀態。

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

（3）超速保護?；炷髾C拖動電機轉子額定轉速為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）其轉速有時會超過額定轉速，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，當實際轉子轉速超過額定值的105%時，PLC采樣到的實際轉速信號與設定值比較，監測超速后立即向調速裝置發出超速保護信號，系統立即封鎖可控硅觸發脈沖，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，其轉速離心保護器與主電機轉子軸相連，當其轉速達到1500r/min時，離心開關動作，斷開系統主電源，實現超速保護功能。

（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，甚至飛車現象，故須采取可靠的欠磁保護裝置?；炷髾C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。雖然主調速系統采用了欠磁繼電器（其釋放電流在40%—90%范圍內可調）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，實現勵磁電流的檢測、比較、異常報警等監控功能，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，是一種封閉的、自循環冷卻裝置，采用PLC實現啟、停及運行狀態監控，使冷卻裝置工作更加安全、可靠。當PLC檢測到機構工作狀態異常（如冷卻水斷流、過濾網堵塞或循環風機停機等異常）時，立即向操作室工作人員發出聲光報警，工作人員可及時采取必要的處理措施，報警狀態持續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等控制均采用PLC控制和實現，解決了原系統因采用時間繼電器、延時器等控制器實現的控制中存在的多故障、保護不完善，潤滑不到位、工作不穩定的問題，增加了潤滑系統工作的可靠性和保護系統的安全性，也是其電路簡單，便于參數調整和維修。

（1）潤滑裝置的監控設置。混捏機潤滑裝置、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、穩定。由于潤滑參數的設置與工作環境、設備運行狀況等有關，環境溫度越高、粉塵濃度越高等環境越惡劣，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），會使潤滑點潤滑不良，引起局部過熱現象，PLC檢測到該處溫度超過設定值時（一般設定為55℃），則發出故障報警，故障持續6分鐘后，PLC會自動降速并停機。

（2）冷卻裝置的監控設置?；炷髾C減速機冷卻裝置也是重點監控的重點之一，由于混捏機的工作制是連續長期運行方式（每個生產周期均達到50多天），其減速機承擔著兩種運行方式（大軸自轉和前后移動）的減速和轉換工作，且負載非常重，其發熱量十分大，故要求冷卻裝置的工作必須可靠、運行良好，監控及時、準確。為此在應用PLC實現其控制中，對6個冷卻點的油路流量、壓力進行測量，監測有斷流（斷流時間不允許超過180秒）、或供油不足，則發出報警。由于冷卻系統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，加速機械磨損等現象。故其供油裝置的油泵運行、各管路內油流量、減速機溫度（6處）均要求設置監控點。

4、結束語

根據三個生產周期的（6個月）運行，并對混捏效果、電機參數、工藝條件等指標長期測量和監控，以及對陽極混捏料質量測定、比較，其結果證明改造效果良好。每個生產周期內混捏機的電控系統故障平均降到1.2%（改造前每個生產周期平均為11.6～19.2%）；其次，應用PLC實現了混捏機可靠調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，改進了原控制系統的缺點和多故障問題。該廠連續混捏機控制系統應用PLC完成改造后，取得了顯著的效益。達到了高質量、低成本、穩定可靠的設備運行目的