石家庄西门子授权代理商电源供应商

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    3、PLC控制系统设计

    一个设计良好、性能优越的控制系统，有高质量、的硬件配置才能控制目的实现。由于混捏机控制系统的实际控制量较少，采集的参数种类较多的特点，采用S7-200 PLC能满足其控制要求。另外S7-200 PLC是以Profibus-DP为通讯模式，其高速（率高达12Mbps）且优化的通讯方式，适合现场级控制系统与分布式I/O及其它设备之间的主从通信。其PLC的主要配置分别为：处理器选用CPU315-2DP；数字输入模块6ES7 321-1FH00-0AA0 6块；模拟输入模块6ES7 331-7NF00-0AB0 2块；数字输出模块6ES7 322-1FH00-0AA0 4块；模拟输出模块6ES7 332-5HD01-0AB0 1块；模块前连接器6ES7 392-1BJ00-0AA0 13块；IM365本地扩展模块（6ES7 365-0BJ01-0AA0）1块；电源模块PS307 5 1块；DP总线连接器（6ES7 972-0BB50-0XA0）2块；监控装置为触摸屏TP270（10寸带Profibus接口）。其原理如图2所示。

图2 PLC控制混捏机及其辅助系统原理图

    由于数字输入模块具有各组之间、组与数据总线间均设为相互隔离，其输入信号可直接接至模块上，也可用继电器隔离后接入模块，其输入模块内部原理如图3所示。

图3 PLC数字信号输入模板接线图

    另外，由于模拟输入模块各通道之间、通道与数据总线间随具有隔离功能，但因混捏机调速系统、辅助控制系统以及现场各信号采样传感器电源回路、电压高低不同，为使PLC系统工作、，一般要求其各输入信号隔离。此外对于远程采样信号，为提高测量准确性，其输入信号均采用电流信号输送。对于无源输入信号，而且传输距离短的传感器信号，可直接输入。其模拟输入模块的内部原理如图4所示。

图4 PLC模拟量输入模板接线图

    在模拟模块输入接线中，要考虑实际采用的传感器的引线根数，对于多数4芯传感器接线，则采用图5接线方式；对于2芯传感器接线，则采用图6接线方式。

图5 热敏电阻与模拟输入模块的四线连接

图6 热敏电阻与模拟输入模块的两线连接

3.1 混捏机控制及保护系统的设计

    在混捏机调速控制系统中，除调速系统硬件设有过压、过流、限速、短路、可控硅击穿等保护措施外，还设置了多个PLC软件保护功能。如速度给定大速率限制（设置以5r/s变化；防止升、降快问题），、速度限制设置，紧急停车机及失误操作等其它不正常操作。通过严密的逻辑关系和软件监测，实现了混捏机操作互锁、运行监控及故障报警功能；特别是对混捏机瞬间过电流的监控，解决了混捏料中因金属硬质物混入导致的搅被打断的问题，避免了混捏机的重大故障的发生或故障扩大的问题。

    保护系统是设备应具备的基本功能，尤其是重大关键设备，其这方面的要求加重要。在实际中，根据设备的运行的要求、现场复杂性以及对操作人员产生的可能伤害等要求，采取的保护措施和防止手段，是设备控制的性能。为此，在混捏机电控系统中，应用PLC实现如下保护措施，满足了混捏机实际运行要求。

    （1）电枢电流的上限设置。根据混捏机的实际工作要求，对其电机电枢电流的上限设置为两种保护功能：对于较小范围的过流（如负载扰动引起的过流），设置电枢电流达到设定的电流值360A（相对于混捏量为16T/h而言。由于混捏料量多少不同，其电机电枢电流相应的也不等，应根据实际混捏料量确定；如混捏量为17.2T/h，其工作电流上限设为380A较为适合），允许过流时间设定为45秒（可在10～300秒内选择），过设定时间，电枢电流仍然处于过载范围，则PLC给混捏机调速装置发出故障信号，系统立即主整流可控硅触发脉冲，使电枢主电路输出中断，并启动报警器工作；二种保护设置是防止混捏机突发故障，引起主电机电枢电流过一定值（如410A对应的混捏量为16T/h；若混捏量为17.2T/h，则动作电流值设为43才能满足实际要求）的特殊情况，则设置立即启动保护功能（由于PLC扫描周期为100ms，故系统实际会延时100ms后才动作）。在实际中，导致这种大电流出现的原因一般有以下几种情况；如电机电枢绕组绝缘损坏、可控硅击穿、闭环控制系统出现大的振荡、电机集电器或炭刷等处短路、混捏机传动机构工作异常、混捏筒体内有螺栓或金属硬质物混入等异常故障，引起混捏机瞬间大电流出现。由于这类突发故障会造成混捏机整体机构严重的破坏和损害，故其控制系统要有灵敏的、高的保护措施。例如2005年6月1#混捏机发生的11付动、静搅被混入混捏料中的螺栓打断的故障，造成数百万元的经济损失。另外又避开混捏机正常实际生产中小负载波动的情况。

    （2）自动爬行速度和速度的设置。混捏机属重负载设备，其启动后设置自动爬行速度功能。即混捏机启动后，其调速系统自动进入速度从零加速到一定的转速运行状态。另外对于减速操作，换设置了当进行减速操作时，电机速度下降到爬行速度时，会自动停止速度递减，保持速度运行，直到停止按钮按下后系统才会停车，这种设置是为了防止混捏机工作在堵转大电流异常状态。

    转速限制。混捏机在进行升速操作过程中，有时因操作失误、或其它原因，会使调速系统给定无限增大，导致电机转子实际转电机的额定值。为防止这种异常情况发生而设置的一种控制功能，当升速操作使电机转速达到额定值98%时，升速操作则失效。

    （3）速保护。混捏机拖动电机转子额定转速为1500r/min。而直流电机实际运行中，由于各种原因（如负载突然降低、弱励磁、失磁等异常）其转速有时会过额定转速，在设备要求下，采取一定的措施。为此混捏机主电机设置有速保护功能，当实际转子转额定值的105%时，PLC采样到的实际转速信号与设定值比较，监测速后立即向调速装置发出速保护信号，系统立即可控硅触发脉冲，使其输出（输出电压和电流）降为零，PLC同时启动报警系统工作。另外，混捏机还设置了二级机械式速保护措施，其转速离心保护器与主电机转子轴相连，当其转速达到1500r/min时，离心开关动作，断开系统主电源，实现速保护功能。

    （4）励磁欠磁保护。直流电机励磁工作电流一般不允许规定的值。较低和波动较大的励磁电流会引起电机失速，甚至飞车现象，故须采取的欠磁保护装置。混捏机直流主电机励磁额定电流为7.8A，5.6A属弱磁(欠磁)运行状态。虽然主调速系统采用了欠磁继电器（其释放电流在40%—范围内可调）保护。当励磁电流设定值时，其欠磁继电器会释放，断开系统控制电源，达到欠磁保护目的。但欠磁继电器灵敏度低，误差大。为此在PLC控制设计中，应用可编程控制器的软件程序，实现励磁电流的检测、比较、异常报警等监控功能，提高了欠磁保护的准确性和灵敏度。

    （5）热交换器控制及保护设置。中、大容量直流电动机均设有立的自冷却系统，是一种封闭的、自循环冷却装置，采用PLC实现启、停及运行状态监控，使冷却装置工作加、。当PLC检测到机构工作状态异常（如冷却水断流、过滤网堵塞或循环风机停机等异常）时，立即向操作室工作人员发出声光报警，工作人员可及时采取必要的处理措施，报警状态持续180秒后（故障还未排除），则PLC自动使混捏机降速至停机。

    3.2 辅助设备的控制设计

    连续混捏机的辅助设备减速机冷却油给定、各润滑点的周期性喷油以及液压系统等控制均采用PLC控制和实现，解决了原系统因采用时间继电器、延时器等控制器实现的控制中存在的多故障、保护不完善，润滑不到位、工作不稳定的问题，增加了润滑系统工作的性和保护系统的性，也是其电路简单，便于参数调整和维修。

    （1）润滑装置的监控设置。混捏机润滑装置、减速机冷却机构的工作，对于混捏机正常运行至关重要，每一处的润滑异常都会引起混捏机的机械装置重大损坏，甚至导致重大事故发生。因此其各个润滑点的喷油时间、间歇时间设定适当，工作、稳定。由于润滑参数的设置与工作环境、设备运行状况等有关，环境温度越高、粉尘浓度越高等环境越恶劣，机械磨损程度越严重，则其润滑周期应越短，喷油量要多些（但过多又会出现设备漏油和润滑油浪费问题）。其润滑时序如图7所示。

图7 混捏机各润滑点喷油时序图
注：1.tn-1为喷油时间    tn-2为间歇时间；

    由于润滑装置的给油量一定，同时只允许多两个喷油嘴供油。

    混捏机主轴上设有5个润滑点，其采用间歇、周期性、自动喷油方式润滑。在混捏机运行中，润滑机构工作异常（如每一喷油量不足，或间隔时间设定不合理），会使润滑点润滑不良，引起局部过热现象，PLC检测到该处温度过设定值时（一般设定为55℃），则发出故障报警，故障持续6分钟后，PLC会自动降速并停机。

    （2）冷却装置的监控设置。混捏机减速机冷却装置也是监控的之一，由于混捏机的工作制是连续长期运行方式（每个生产周期均达到50多天），其减速机承担着两种运行方式（大轴自转和前后移动）的减速和转换工作，且负载非常重，其发热量十分大，故要求冷却装置的工作、运行良好，监控及时、准确。为此在应用PLC实现其控制中，对6个冷却点的油路流量、压力进行测量，监测有断流（断流时间不允许过180秒）、或供油不足，则发出报警。由于冷却系统工作不正常会引起机械部件局部高温，导致齿轮、轴承等部件退火，加速机械磨损等现象。故其供油装置的油泵运行、各管路内油流量、减速机温度（6处）均要求设置监控点。

    4、结束语

    根据三个生产周期的（6个月）运行，并对混捏效果、电机参数、工艺条件等指标长期测量和监控，以及对阳混捏料质量测定、比较，其结果明改造效果良好。每个生产周期内混捏机的电控系统故障平均降到1.2%（改造前每个生产周期平均为11.6～19.2%）；其次，应用PLC实现了混捏机调速操作和的多级保护功能，电机主电流两级保护的设置，解决了混捏料中因混入的金属物，而使多组搅被打断的重大设备事故的发生；此外，PLC的应用，提高了润滑、冷却等辅助装置的工作性，改进了原控制系统的缺点和多故障问题。该厂连续混捏机控制系统应用PLC完成改造后，了显著的效益。达到了高质量、、稳定的设备运行目的。