杨永恩

（金隅台泥（代县）环保科技有限公司，山西 忻州 034200）

目前，水泥行业使用的主要设备是圆形堆取料机。圆形堆料机基本构造是中心支柱，可在中心支柱回转的堆料机和一端绕中心支柱回转，另一端是在圆形轨道上运行的桥式刮板取料机组成的。堆料机上部设有回转支撑，其内圈与支座固定，支座与来料栈桥连接，堆料下部也有回转支撑。堆料机转台上设置的立时减速机输出轴上的小齿轮与回转支撑的外齿圈啮合，实现堆料机的回转运动，堆料机悬臂的变幅运动是由转台上设置的液压驱动油缸的伸缩来实现的。在正常的堆料工艺过程中，堆料机的回转和悬臂的变幅是合成运动，在可编程控制系统的控制下进行回转往复式堆料[2]。

1 研究现状及设计目标

公司的堆取料机采用的是沈矿集团的YG350/80 型堆取料机，但是此款堆料机控制系统及其简单，只采用了西门子200PLC 进行编程，利用EasyBuilder8000 组态软件对MT6000 进行编程，进行上位机的控制。但是，从控制模式来看，厂家编写的程序只实现了机上手动启停而已，许多应该实现的功能都没有完成，所以需要完善控制系统。

1）水泥行业要求圆形堆取料机应达到以下功能：①能达到机上手动、自动，方便检修调试；②能达到远程自动启动，方便自动化生产；③堆料机大臂能平稳地堆料，减少晃动，实现自动堆料；④堆料机堆料角度控制在108°，当到108°时，能准确停止，并反方向回转；⑤取料机料耙能平稳取料，减弱震动，实现自动取料。

而厂家提供的系统，只能实现第1 条的一部分，完全不能适应水泥生产的需要，所以对堆取料机改造势在必行。

再有，厂家提供的堆料大臂液压缸和取料料耙液压缸控制是电磁阀，晃动较大，带动整个堆取料机晃动，成为堆料机运行中最大的设计隐患。

2）对堆料机目前的控制方式及设计缺陷，决定从以下几个方面着手改造：

①完善操作系统，实现中控远动，机上自动，机上手动控制，并完善联锁控制；②在回转中心柱上安装角度编码器，编写程序读写编码器数值，设定布料角度[1]；③在堆料臂液压缸油站及取料机液压缸油站上，更换电磁阀改为比例控制阀，使液压缸能平稳伸缩。

2 要解决的几个关键问题

1）为了完成以上提出的两个目标需要解决以下几个问题：①油站上电磁阀更换为比例阀，并且在油路控制上，比例阀需要增加一道泄压口；②控制系统硬件配置上，需要增加模拟量控制模块，与比例阀调节部分连接，达到比例阀的输入输出控制；③模拟量200PLC 编写程序的语句及数据类型的转换，需要确定各个数据类型转换；④编码器硬件配置及接线，需要搜集相关资料，查阅西门子高速计数器的用法，并编写程序实现预期任务。

2）针对以上几个问题，从以下几个方面着手解决：①编码器硬件配置，满足控制要求，可以综合考虑，编码器：数字量输入2 路（高速计数器）；②电磁阀更换比例阀，首先确定电磁阀的型号及具体参数来确定比例阀的型号，将前期工作准备妥当完善；③将做好的设计方案先进行试验，确定方案的可靠性。

为了实现堆料臂的角度控制，在堆料机中心柱上安装编码器。随编码器中心轴与堆取料机中心柱链接，编码器定子与堆取料机大臂相连，编码器随堆料臂一起转动。从使用精确度及成本考虑，采用了天晟科技生产的TS40A 型2000 线编码器，该编码器使用方便，精度高，无脉冲丢失现象。

比例阀为市场上通用的德国费斯托EFBG-03-125-C型号比例阀。

3 系统结构与模型

3.1 建立模型

本系统要完成的两个任务是：旋转角度的控制与比例阀的控制。通过以上对该任务的分析及技术的采用，将系统建立模型。

1）建立编码器角度控制模型，如图1 所示。

图1 编码器角度控制模型Fig.1 Encoder angle control model

本模型由PLC 控制布料大臂回转电机，首先启动时，已设定大臂到最高点开始布料（保证每次启动堆料机，大臂先找最高点），到达最高点后停止，然后向顺时针回转，编码器开始计数；当计数到108°时（程序已经对数值进行转换），回转电机顺时针停止，并向逆时针回转。当逆时针回转到布料大臂安装的触料开关碰到料层时，触料开关动作，逆时针回转停止，同时编码器置位，依次循环回转（已设计大臂回转极限限位）。

编码器安装在回转中心柱上，当大臂回转时，编码器也随之转动。设定布料大臂顺时针转动计数器正向计数，布料大臂逆时针转动计数器反向计数。本系统采用HCS0高速技术器来累积[3]。

2）建立比例阀控制的模型，如图2 所示。

图2 比例阀控制的模型Fig.2 Model of proportional valve control

采用PLC 模拟量输出（4mA ～20mA）来控制比例阀，比例阀接收到信号后，按照给定信号等比例地打开阀芯来控制油量，进而控制液压缸的伸缩速度，减少大臂和料耙的晃动。同时，为了更好地降低大臂和料耙的晃动，在程序编写时，在特定时间内，比例阀线性的由零到开度设定值，呈现比例阀阶梯型的输出油量，更进一步达到减小设备的晃动问题。

3.2 高速计数器用法（计算编码器数值）

S7-200 CPU 具有集成的、硬件高速计数器。

CPU221 和CPU222 可以使用4 个30kHz 单相高速计数器或2 个20kHz 的两相高速计数器，而CPU224 和CPU226可以使用6 个30kHz 单相高速计数器或4 个20kHz 的两相高速计数器。

在本文中，采用的是HSC0 模式，故输入点接I0.0、I0.1、I0.2。其中，I0.0 接编码器信号A，I0.1 接编码器信号B，I0.2 接复位指令（料位开关）。

A 方向为编码器信号“+”，B 方向为编码器信号“-”，复位指令接料位计开关信号。当堆料臂逆时针回转触碰到料堆的最高点时，触发料位开关动作，同时编码器技术复位。

3.3 西门子200PLC模拟量控制比例阀

1）西门子模拟量模块选择，见表1。

表1 模拟量模块选择Table 1 Selection of analog quantity module

S7-200 的扩展模块里，分别有2 路、4 路的模拟量输出模块EM232。根据接线方式（M-V 或M-I）选择输出信号类型，电压：+/-10V DC，电流：0mA ～20mA（4mA ～20mA）。

EM232 模拟量输入输出模块：本文中，选用6ES7 232-0HB22-0XA8 型号模块，此模块可以满足油站两组比例阀的控制。

2）模拟量输入与数字量的对应关系

模拟量信号在S7-200 CPU 内部用0 ～32000 的数值表示（注：4mA ～20mA 对应6400 ～32000），这两者之间有一定的数学关系，如图3 所示。

图3 模拟量信号数学关系曲线Fig.3 Mathematical relationship curve of analog signal

3）模拟量输入的接线方式

4AO EM232 模块为例，分别介绍电压、电流型输入信号的接线方式，如图4 所示。

图4 接线示意图Fig.4 Wiring diagram

此接线图是一个示意图，表述的是不同的接线方式，并不是指该模块只有此种用法。

4 系统实现

通过以上相关任务的介绍、使用的技术及方法实现，将各功能任务详细列出：

4.1 编码器部分

1）编码器安装

编码器安装在堆料机中心回转支柱上，编码器旋转轴与堆料机中心回转支柱采用编码器软连接器链接，编码器外壳固定在堆料机回转大臂上，与大臂同时转动。

2）编码器接线

本系统中采用的编码器为天晟科技生产的TS40A 型2000 线编码器，外接线共计5 根。

电源：褐色接正，蓝色接负。

信号：白色信号为正即A，接PLC 输入点I0.0。

黑色信号为负即B，接PLC 输入点I0.1。

复位：橙色为编码器复位信号，在此不用。复位指令I0.2 接入料位开关信号。

3）编码器的程序设计

定义高速计数器，通过西门子200PLC 相关帮助说明文件，利用编码器向导功能，建立编码器使用程序。需做几个步骤：

① 使用STEP7 编程软件中的向导，选择高速计数器使用向导，建立高速计数器。

② 弹出对话框后，选择配置HC0 计数器，模式选择“模式10”。

③ 点击“下一步”，弹出以下对话框，做以下设置（注意：技术速率选择4 倍，编码器为2000 线）。

④ 点击“下一步”后，选择“终端模式”，选择“CV=PV”时，程序中断。

⑤ 后面直接选择“下一步”，可生成高速计数器的程序，将程序进行编写

4.2 油站比例阀部分

1）比例阀的安装

比例阀的安装，因为涉及到油路的改造，有厂家指导改造，用磁力钻在阀体上增加一个卸油口，然后将比例阀安装到位[4]。

2）比例阀程序部分

为了让大臂更稳定，将程序设计为：在特定时间内，比例阀线性的由零到开度设定值。将电磁阀控制时间等分10 份，按十分之一的时间线性地递增AQW0 的数字输入值，如动作时间较长，使模拟量输出变为阶梯似的线性增长。为使阶梯幅度变小，缩短连续送数的时间间隔，即规定送数时间间隔为4ms。这样在T 时间内，求出送数的次数N：N=T/4，再求出余数：m = T－4·N，每次送出的数字增量：△X=32000/N（取整数）。如m ≠0，在最后m 时间里送出的数字量 = 32000－N·△X[5]。

4.3 流程图（见图5）

图5 流程图Fig.5 Flowchart

5 性能测试与分析

5.1 测试实例的研究与选择

为了使以上文中提到的方法得以实现，下面提供编码器的角度的测试实例的方案。

编码器测试按照以上方法硬件接好线，程序按照以上编码器程序编写，编译下载。将程序下载后，进行测试：

① 编码器做好零点位置记号。

② 程序中打开监控HC0 的状态表。

③ 转动编码器，转过90°，并监控HC0 的计数。

④ 发现当计数器转过90°时，HC0 计数为2000。

⑤ 测试计数及角度控制成功。

⑥ 继续转动计数器到108°，HC0 计数为2400，并且Q6.0 输出信号（可以作为大臂停止信号）。

⑦ HC0 计数为2400 时，向相反方向转动，发现HC0计数在减小。

⑧ 当HC0 计数器计数为100 时，停止转动，用短接线给I0.2 信号，发现HC0 计数器计数瞬时清零，大臂停止。

⑨ 试验结束。

5.2 比例阀模拟量测试

比例阀模拟量测试，不用接比例阀（油站更换比例阀相当困难），利用万用表代替比例阀测试模拟量输出模块，用万用表两个表笔接模拟量输出通道的正负，程序按照以上提供的模拟量控制比例阀的程序来编写下载，再利用的下载线同样为6ES7 972-0CB20-0XA0，使用的PLC 型号为CPU 226CN 216-2BD23-0XB8，扩展模块为6ES7232-0HB22-0XA8。程序下载前，修改震荡周期时间4ms 为4s，以便用万用表可以读取递增的电流信号值（万用表要选择正确的档位及表笔跳线）。

① 程序下载后，表笔读数为4mA。

② 用短接线给I6.1 启动信号，观察万用表读数。

③ 发现万用表数值每隔4s，数值增加0.8mA。

④ 当万用表数值增加到12mA 时，数值不再增加。

⑤ 试验结束。

5.3 性能分析

1）利用编码器，按照此文设计方案达到角度控制方法，能准确定位大料臂的位置，为堆场的均化提供了良好的控制系统，并且增加回转启停延时3s，提高了程序的完善性，能减小大臂的晃动，保护设备。

2）利用比例调节阀来控制液压缸的动作，能最大限度地减小大臂的晃动，降低了液压缸的启停冲击，可以保护油泵，减小油泵的冲击负载。

3）此系统改造完全是在原有系统中增加完善，并未增加其他额外的控制，使整个系统简洁明了。

4）程序设计分为了几个小块，对以后查阅及修改维护提供方便，使其他人员也可以很快读懂程序经行维护系统。

6 结束语

本文主要研究了水泥行业石灰石堆场堆取料机存在的问题，对存在的问题进行研究讨论。文中解决了两个问题：堆取料机存在没有角度控制堆料机，无法达到较好的布料均化效果和堆料臂及取料料耙液压缸在往返运动中晃动大的问题。实验表明，为企业改造提供了技术支持。