摘 要：鏈斗式裝船機是一種新型的散糧裝船機械，具有占地空間小、作業效率高的特點。本文根據鏈斗式裝船機的結構特點與組成，提出整機的電氣自動化控制系統設計方案。結合鏈斗式裝船機的特點，對電氣自動化控制系統的組成與核心控制邏輯進行分析與論述。

　　關鍵詞：鏈斗式裝船機;電氣自動化;控制系統設計

　　目前，國內港口的散糧裝船作業主要使用連續式裝船機，生產作業中往往與帶式輸送機進行駁接，將物料輸送上船。傳統的連續式裝船機一般由門架、臂架、溜管等結構組成，并配有相應的行走、伸縮、俯仰機構。傳統的連續式裝船機通常裝配有成套的電氣自動化控制系統，該套系統主要使用一些目前在國內港機上廣泛應用的主流品牌，具有成熟度高、保密性強等特點。

　　2018年，廣州某散糧港口設計制造了一種新型的鏈斗式裝船機(結構如圖1所示)，該類裝船機顛覆了傳統的連續式裝船機的結構形式，將設備運行行程向垂直向上的方向延伸，最大限度地減少了水平占地空間，提高了空間利用率[1]。該鏈斗式裝船機為該港口與武漢某設備制造公司聯合研究開發的創新項目，由于該裝船機在結構與運作上都具有獨特性和唯一性，與傳統裝船機有較大區別，開發設計一套符合其實際應用需求的電氣自動化控制系統顯得尤為重要。一套先進實用的控制系統是鏈斗式裝船機高效運作與安全生產的基礎與保證。

　　1 電氣控制要求

　　鏈斗式裝船機固定安裝于泊位沿岸，主要用于將貨車運來的物料輸送至停靠在岸邊的船倉內，實現“車裝船”的生產工藝。鏈斗式裝船機由溜筒裝船機、鏈斗提升機、帶式輸送機與除塵系統4部分組成，其中溜筒裝船機可細分為回轉機構、伸縮機構、俯仰機構3部分。根據鏈斗式裝船機的工作工況，結合港機的現場操作經驗與該港口的生產情況，對該機械的電氣自動化控制系統提出了以下具體要求：①實現“車裝船”生產工藝的自動化，減少人為參與環節，降低人為失誤的發生概率。②設備的各機構間實現智能連鎖功能，避免物料堵塞、爆料等生產意外的發生。③要求系統能與中控的電氣自動化控制系統兼容，預留通訊接口，滿足未來與中控系統對接的需求。

　　2 電氣自動化控制系統概述

　　鏈斗式裝船機的電氣自動化控制系統主要由驅動系統、通訊網絡系統與PLC控制系統3部分組成。設計配置4個MCC柜與一個PLC控制柜，在MCC設備與PLC之間設置中間繼電器。根據實際需要在合理位置配置各類接近開關或傳感器22個，作為保護信號輸入源。整套控制系統可分為聯控、單控與就地3種控制模式。

　　2.1 驅動系統

　　驅動系統包括了鏈斗式提升機驅動、帶式輸送機驅動、除塵器驅動與溜筒裝船機的回轉、伸縮、俯仰等合計12臺驅動電機。鏈斗式提升機功率較高，設計使用變頻器驅動;考慮到各個機構對調速的需求，對回轉、伸縮這兩個對調速要求高的機構采用變頻驅動的方式，其他的對調速要求不高的機構采用軟啟驅動的方式，降低啟動容量，減輕其在啟動階段對電網的沖擊效應。驅動系統的具體選型如表1所示。

　　2.2 通訊網絡結構

　　工業以太網通訊方式具有通訊速率高、兼容性好、實用性強的特點，適用于工業通訊網絡的構建。設置工業交換機，主、從站的PLC控制器與上位機均接入該交換機，既可實現相互之間數據的實時傳輸，又可預留以太網通訊端口為未來接入中控系統或功能擴展做準備[2]。該系統的通訊網絡結構如圖2所示。

　　2.3 PLC控制系統

　　采用主、從站的PLC網絡拓撲結構，分別設置主站、從站PLC的IP地址，利用工業以太網實現遠程通訊。主站設置在司機室內，主要用于接收操作信號的輸入與溜筒裝船機各機構的信號輸入，并輸出溜筒裝船機的控制信號。從站設置在地面電房內，主要用于接收鏈斗式提升機、皮帶機、除塵器的輸入，并輸出相應的控制信號。整套系統包含了126個I點與52個O點，其中主站包含了86個I點與37個O點，從站包含了40個I點與15個O點。考慮到系統的可擴展性，增加20%的備用IO點作為預留。因此，主站要求配置至少104個I點與44個O點，從站要求配置至少48個I點與18個O點。總體來說，該套控制系統的IO點數量較少，另一方面考慮到該港口現有中控采用的是AB品牌的大型PLC，為了降低后期兼容的難度，本套系統選擇AB品牌的小型PLC作為邏輯控制器，具體型號為Micrologix1400系列的1766-L32BWA(CPU模塊，20輸入/12輸出)，擴展模塊選擇1762-IQ32T(輸入模塊，32輸入)、1762-OB32T(輸出模塊，32輸出)，觸摸屏上位機選擇Panelview 800 Terminal系列的2711R-T10T[3]。

　　3 核心PLC程序設計

　　針對PLC的型號，選擇Logix500 v8.1編程軟件進行編程組態。

　　3.1 主、從站通訊程序

　　利用編程軟件的控制器目錄下的通道組態功能，在通道1的選項卡下分別配置主站、從站的IP地址。設置主站的IP地址為192.168.0.1，如圖3所示。從站的IP地址設置為192.168.0.2，具體操作同理。

　　分別設置好主站、從站的IP地址后，建立主站、從站之間的通訊組態。在主站程序的數據文檔下建立MG10標簽，用于MSG指令的文檔命名。利用兩個MSG指令，分別用于主站向從站進行讀、寫操作，兩個指令分別命名為MG10：1與MG10：2，如圖4所示。

　　在主站程序的數據文檔下建立RI11標簽，用于存儲通訊過程的狀態與過程參數。從第一個MSG指令進入Setup Screen菜單，在通訊需求里選擇500CPU Write，將主站地址為N9：0的16位數據寫入從站地址為N9：0的16位數據點，通訊過程的狀態與過程參數存儲在標簽RI11：0內，具體設置如圖5所示。在第二個MSG指令里，選擇500CPU Read，設置主站地址為N12：0的16位數據點讀取并存儲從站地址為N12：0的16位數據，通訊過程的狀態與過程參數存儲在標簽RI11：1內，具體操作同理。

　　3.2 聯動控制與連鎖程序

　　將溜筒裝船機、鏈斗式提升機、皮帶輸送機、除塵器設置為連鎖動作。結合生產需求，在裝船作業過程中有必要根據實際情況調整溜筒位置。因此，溜筒裝船機的回轉、伸縮、俯仰機構設置為司機單控調節，無需聯控調整。聯控啟動的過程為：系統確認溜筒裝船機各個信號正常;以關風器、灰刮板、離心風機的順序依次啟動1、2號除塵器;除塵器正常啟動后，通過延時指令TON延遲1 s后，依次啟動皮帶機風機、皮帶輸送機、鏈斗式提升機，每臺設備啟動時間間隔10 s。

　　以圖6為例，闡述鏈斗式提升機在聯控模式下的啟動控制程序：①在聯控啟動模式下B3：0.7閉合。

　　②皮帶機、鏈斗式提升機自檢確認，B3：6.5、B3：6.6閉合。③此時，皮帶機已通過聯動啟動模式正常啟動運行，B3：6.4、I0.4閉合。④鏈斗式提升機輔機在正常情況不運行，O2.3保持閉合。⑤利用TON延時指令(此處已省略)，延時10 s后，B3：4.0閉合，控制O2.2閉合，鏈斗式提升機啟動。

　　皮帶機自檢常開觸點B3：6.5受皮帶輸送機堵料、拉繩與通訊故障等故障信號觸發，與皮帶輸送機的運行信號I0.4一同串聯在控制回路內，與鏈斗式提升機的控制信號進行連鎖。在運行過程中，①當皮帶輸送機發生故障或者停止運行時，鏈斗式提升機的控制信號瞬間切斷，鏈斗式提升機也將停止運行。②除塵器與輸送機構并無連鎖關系，除塵器發生故障將不影響輸送機構的正常運行。這種程序連鎖的設計確保了生產過程的相對安全，降低了生產事故的發生概率。

　　聯控停止過程的控制順序與聯控啟動過程正好相反：優先停止鏈斗式提升機，其次停止皮帶輸送機，然后停止皮帶機風機，每臺設備停止時間間隔為10 s;在皮帶機風機停止后，間隔10 min，再同時停止1、2號除塵器，除塵器的停止順序依次為離心風機、灰刮板、關風器。

　　以圖7為例，闡述皮帶輸送機在聯控模式下的停止控制程序：①在聯動停止模式下B3：5.3閉合。②此時，鏈斗式提升機已停止，鏈斗式提升機的啟動信號O2.2與運行信號I0.10已置0。③利用TON指令T4：15延時10 s后控制皮帶輸送機停止的常閉觸點B3：5.5斷開，將皮帶輸送機開機信號O2.0置0，皮帶輸送機開始停止。

　　3.3 故障判斷程序

　　該控制系統需要合理檢測兩大類故障：主站、從站之間的通訊故障與設備故障。主站、從站之間的通訊正常，決定了整套控制系統的穩定性。有必要實時檢測主站、從站之間的通訊狀態，在發生故障時第一時間進行保護動作。具體檢測思路為：通過主站、從站之間不間斷地相互發送脈沖信號，接收站檢測脈沖信號的完整性，來達到實時監測通訊狀態的目的。具體實例如圖8所示。

　　主站PLC通過兩個延時1 s的TON指令互鎖，形成周期為2 s的脈沖信號N9：0.0，N9：0.0通過MSG指令寫入從站PLC的N9：0.0。在通訊正常情況下，從站接收到的也是周期為2 s的脈沖信號。具體程序如圖8所示。

　　在從站PLC里，N9：0.0以一對常開、閉觸點存在。當主站PLC的通訊狀態發生異常時，N9：0.0將以不規則的脈沖信號傳輸至從站PLC，如果從站接收到的脈沖信號的高電平或低電平持續時間超過2 s，則B3：11.5或B3：11.6閉合，輸出主站通訊故障信號。通訊故障檢測程序如圖9所示。在主站里判斷從站通訊故障的程序在原理上是一致的。

　　檢測設備故障在本質上是指實時檢測各個信號的狀態，在信號異常時第一時間發出報警。利用長度為16位的數組記錄所有信號的狀態，定義信號正常的狀態為0，定義信號異常的狀態為1。所有信號的狀態可由數串16位的二進制數表示。當信號異常時，該信號對應的二進制位由0變1，必將使包含該位的那串16位二進制數在數值上是增大的。因此，只要將該數組的前后狀態進行大小比較，即可判斷設備是否發生了故障。

　　以圖10為例對設備故障檢測程序進行闡述：利用MOV指令將字標簽B3：30賦值至B3：35，然后利用B3：30的第5位B3：30.4讀取伸縮變頻器故障的IO點狀態，最后將B3：30與 B3：35進行比較。當伸縮變頻器發生故障時，I0.5閉合，B3：30.4由0轉為1，使字標簽B3：30增大，利用GRT指令判斷B3：30大于 B3：35時，輸出故障報警信號。相反，如果沒有設備故障發生，B3：30將小于或等于B3：35，不滿足GRT指令的觸發條件，不輸出故障報警信號。

　　3.4 上位機組態

　　針對Panelview 800 Terminal系列的觸摸屏上位機，利用Connected Components Workbench軟件進行組態。上位機主要包括了聯動操作、單動操作、皮帶狀態、歷史故障等8個子畫面，涵蓋了模式切換、操作、監控、查詢等主要使用功能。利用該上位機，可實現信號的可視化與操作的便捷化，具有較高的實用性。

　　4 結語

　　鏈斗式裝船機作為一種新型裝船機，具有占地空間小、作業效率高的特點。針對鏈斗式裝船機的工作特性，結合實際需求，提出整機的電氣自動化控制系統設計方案。對整套控制系統的設計思路進行公開，具有較強的可操作性與可移植性。通過實踐證明，該電氣自動化控制系統運行穩定、實用性強，滿足了鏈斗式裝船機的實際作業需求，同時取得了良好的經濟效益與社會效益。

　　參考文獻：

　　[1]何曉濤，李 意.用于散裝糧食裝船的新型鏈斗式裝船機[J].港口裝卸，2019(3)：1-3.

　　[2]錢曉龍，趙 舵.MicroLogix核心控制系統[M].北京：機械工業出版社，2010.

　　[3]王華忠.工業控制系統及應用——PLC與組態軟件[M].北京：機械工業出版社，2016.

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