龙岩西门子一级代理

   1 引 言
    矿山行业，采矿区往往距离矿石加工或堆放地很远，通常利用胶带传输机将矿石从采矿区送往加工或堆放地。老式的胶带传输方式，采用继电控制，人工操作，操作人员劳动强度大，运行效率低，且易引起操作失误，造成设备损坏，甚至人员伤亡。另外，远距离传输机胶带负荷较大，传输机使用的电动机功率也因此较大，特别是重载情况下起动

过程对电网冲击很大，电压跌落严重，对机械设备和胶带的寿命也有很大损害。同时，由于胶带为弹性体，起停过程张力的变化将使胶带沿着纵向产生伸缩变化，并且沿着胶带传播，造成系统工作不稳定。 
    本文介绍的这种新型矿山胶带传送系统使用PLC控制器集中监控胶带各种工作状态，提高了系统运行效率，避免了操作失误引起的故障。由于系统采用了一种新型的起动装置—软起动控制器，有效地解决了起动冲击问题。

    2 运行工况
    完整的传输系统由8条传送胶带组成，设计传输能力为每小时1000t，其中，1#、8#胶带为平胶带，长度在100m以内，负载较轻；2#和3#胶带长达1km以上，负载极重，2#胶带略有下放势能，3#胶带有大的下倾角度(30°)，因此有较大的下放势能；4#和6#胶带略有下坡，5#、7#胶带为平胶带，长度在100～600m之间。根据各胶带运行工况，配备一台285kW电机拖动2#胶带，两台185kW电机拖动3#胶带，其余各胶带均由90kW电机拖动。

    3 系统结构
    根据系统运行工况，系统构成框图如图1所示。
    物料流向如图中箭头所示，开车时应按照物料流向的反方向顺序起动各条胶带，停车应按照物料流向顺序停止各条胶带。按照错误的顺序操作，将造成压仓等严重事故，必须设置联锁：胶带运行过程中，有时会发生跑偏，纵撕，打滑等情况，必须予以保护，这些工作都由PLC来完成。另外，3#胶带较长，相应载料量也较大，而且有大的下倾角度，因此，必须有可靠的刹车装置，系统为此配备了一套KJZ型动力制动装置和一套电磁抱阐装置。还有，为保证在故障或停电情况下可靠停车，避免“飞车”等严重事故，系统配备了后备电池，提供后备制动电流，PLC控制电路配备了UPS作为后备控制电源。

    4 各部分主要功能
如图1所示，整个系统中，3#胶带机和2#胶带机工况为恶劣，控制部分也为复杂，其余各胶带机控制部分与之相似，工况相对要好，因此，下面以3#胶带机控制部分为例详述系统各部分控制功能。
4.1 起动控制部分
    因胶带机为柔性系统，具有明显的动力学特征和动态响应过程，起动及停车过程将产生胶带张力的变化，并沿着胶带传播，形成张力波，且3#胶带长度较大，负载较重，总体呈大惯性负载，因此，不可控的起动和停车过程，将产生很大的加速度及冲击，直至造成机械设备损坏和胶带机寿命降低。而本系统使用的软起动装置可提供可控的起动加速过程。此装置使用单片机作为控制内核，程序中预置“S”型起动曲线，通过光编码器测速，电流互感器测电流，送入单片机，通过PID调节程序进行调节，实现电流、速度双闭环控制。控制胶带机按照“S”型曲线起动。如图2所示，胶带机起动过程实际上是一变加速过程，在胶带机起动时刻和起动完成时刻，胶带机的加速度都为0，而中间段，胶带机以预先设置的加速度不断加速，加速度可控制在0.08m/s2以下，因此，可有效地抑制张力波及其有害传递。

    4.2 动力制动部分
    由于3#胶带负载极重，而且有大的下倾角，为保证系统可靠停车和满足停车曲线，系统不仅配备一套慢动机械抱阐装置，还配备一套动力制动装置。该装置应用可控整流原理，向电机施加可控的直流电流来提供可控的制动力矩。由程序控制使胶带以反“S”曲线停止，从而消除胶带机的张力波影响。

    4.3 故障制动部分
    系统发生故障时，触发可控硅全导通，提供大制动电流。
    为了停电时保证系统可靠停车，另外备有后备电池，当系统发生突然停电时，皮带必须立即停车，此时直流制动电流由后备电池提供。蓄电池屏的主要参数为电压等级及安时数。由于能耗制动的直流电源电压采用48V直流电源，故蓄电池屏的电压也采用48V，容量选用100Ah，考虑故障制动时间为10～20s，放电电流控制在300A，则蓄电池的放电时间可持续：100Ah=300A×t，t=1/3h=20min。蓄电池的放电能力能够充分保证。
    故障制动部分由蓄电池组及充电控制等部分组成，内含有镉镍蓄电池组、充电装置、浮充电装置、控制开关、转换开关、切换开关等元器件。考虑到系统工作的可靠性，两台电机配备一套故障制动装置。蓄电池配备直流浮充电装置，浮充电装置包含有充电及浮充电两种充电方式。在蓄电池发生一次停电制动后，应首先将蓄电池组充电至额定电压等级，此时方可使系统重新运行。正常情况下，装置处于浮充电状态，制动电流仅由动力制动装置提供。

    4.4 PLC控制部分
    4.4.1 PLC配置
    系统选用OMPON公司生产的C200H系列PLC，其点数密度高，结构紧凑，具有SYSMAC NET和SYSMAC bbbb功能，构建网络方便。
    鉴于系统采样点数和输出点数众多，约有38个输入点和33个输出点，PLC配置一个CPU机架，一个电源模块，5个输入模块，3个输出模块，如图3所示。4.4.2 PLC软件设计PLC控制系统是3#站的控制核心，OMRON PLC使用运行于DOS环境下的梯形图编程软件SSS，完成梯形图编程和调试，并且可在现场方便的“在线”调试和修改。
    1) 根据系统运行工况和相应系统结构，设计PLC程序完成以下功能。
    正常开车停车：系统发出开车信号时，逆料流方向顺序起动

各条皮带，这样可保证不发生压仓情况。停车时，则顺料流方向逐步卸完每条皮带上的物料后停车，这样可保证在正常工作状态下，皮带不带料起动。皮带起动时，首先释放电磁抱阐机构，起动过程中，软起动器按设定的起动方式平滑起动，当电机进入亚同步范围内时，立即投入旁路接触器，此时由于皮带的下放运行，电机速度逐渐增加并超过同步转速，进入超同步发电状态，此时，电机产生回馈制动转矩，当回馈制动转矩与皮带下放势能转矩平衡后，系统进入平稳运行状态，交流电机向电网回馈能量。当系统收到停车命令后，根据胶带长度及速度，系统作适当延时，当皮带上的物料全部卸完后，系统进入电动运行状态，软起动器按停车曲线平缓停车。故障停车：当系统发生故障，如主机过流、过载、缺相故障或胶带机发生距偏、纵撕、打滑、超速、拉绳等紧急停车时，软起动器立即从系统中切除，同时在交流电磁过程结束后，投入能耗制动停车，当控制系统检测到电机速度小于30%的额定速度时，电磁抱阐制动投入，胶带停止运行。 
    运行方式：系统可以选择“本机”/“集控”/“现场”等各种控制方式。
    起动/制动装置的投切，后备电池的管理都由PLC完成。
    2) 依据应完成功能，设计的PLC程序包括以下各程序段。
    现场采样段：该段程序采样现场各状态量，包括急停，电源上电，拉绳开关，超速接点，打滑接点，纵撕接点，闸机过载开关，控制方式，上下级胶带连锁等信号，并且使相应的状态位置位，驱动相应灯光指示。
      控制命令采样段：系统具有3种控制方式，集控/柜控/现场。柜控方式下，采样控制柜上按钮命令。现场控制方式下，采样现场操作箱按钮命令。在集控方式下，采用上位计算机命令，该命令可以是接点形式，也可以通过串行通信接受上位计算机命令。
      命令执行段：检查各状态位，如故障状态置位，则禁止起动，转入故障处理程序。接到起动信号后，如果连锁信号位未置位，则为错误的起动操作，也视为故障，转入故障处理程序。如果故障，PLC输出驱动闸电机松阐，同时，驱动电铃10s警示，等待松到位后，灯光指示，并驱动软起动器起动，起动结束，运行灯指示，给下级胶带发出连锁信号，同时，再响铃10s。正常停车时，收到停车信号时后，程序延时一段时间，当胶带上的物料卸完后，驱动软起动器停止，并投入软制动器(3#胶带)，当速度降到30%的额定转速时，驱动阐机抱阐。
      故障处理段：当故障状态位置位时，PLC驱动相应的状态指示灯，并立即给软起动器发出停车指令，同时，驱动阐电机抱阐，软制动器(3#胶带)施加大制动电流，并声光报警。程序设有故障存储区，可保存近10次故障状态，可供维修人员方便的检查和排除故障。当故障发生时，故障状态以堆栈操作的方式压入故障存储区，同时，删去早一次故障状态。故障产生后，程序予以保持，此时，各项操作均失效，必须复位后，方可另行操作。除了外部故障以外，程序还设置了内部故障保护，如正常运行期间，下级胶带突然停止，也视为故障，执行故障处理程序。程序预先设定起动时间，实际起动时间超过设定值，也视为故障，执行故障处理程序。如电源突然中断，也视为故障，执行故障处理程序，并且投入后备电池制动。PLC程序流程图如图4所示。

    5 应用效果
    本系统应用在国家重点水泥骨干企业—耀县水泥厂皮带廊改造项目中，该条传送线长达4km以上，负责全厂用料从矿山到联合储库的输送任务。
    本系统应用以来，实践证明，效果理想，起动时压降由原先的130V减少到30V，极大的减轻了操作人员的劳动强度，避免了操作失误引起的故障，可靠性明显提高，运行效率明显提高，运行成本明显下降

   主轴是机床高速旋转的运动机构，是机床的关键部件，其性能直接影响零件的加工质量。在实际加工过程中，对于不同的材料为了保证零件的表面粗糙度、形位公差及切削力等，需要主轴有不同的转速。主轴的变速一般采用电控或变速箱来实现。电控主轴直接采用变频

系统控制主轴的转速，而主轴变速箱则采用不同的齿轮组合实现几挡不同转速的控制。许多机床采用主轴变速箱形式。主轴的转速与输出功率必须配套，如果用单一的齿轮比，虽然可以改变主轴转速，但不可能充分利用主轴电机的功率。为了兼顾主轴的转速与功率，必须采用不同的齿轮组合。 
    今年初，我们成功地完成了一台五坐标数控龙门铣床的技术改造。其主轴采用变速箱变速，控制系统为西门子SINUMERIK 840C数控系统 ，坐标及主轴驱动采用西门子SIMODRIVER 611A。根据该机床的主轴换挡结构，结合控制系统的特点，通过内置式PLC控制程序，对主轴换挡进行了自动控制处理。

    1 主轴换挡机构

    该机床的主轴换挡机构由两个双向电磁阀(SOL1～SOL4)控制两个油缸，分别推动两个齿轮组上下移动，每组齿轮有上下两个位置，变换齿轮变速比，产生4挡转速。在主轴箱内安装了4个挡位检测开关(SW1～SW4)。压力继电器(PS1)检测换挡液压压力。其换挡结构见图1。

    2 控制系统的信号与数据接口

    控制系统由NCK和PLC模块组成，它们之间靠数据块传递消息。机床的输入输出点接入PLC的输入输出模块中。NC系统给主轴发出速度指令电压。系统主轴数据块中存放有主轴换挡的有关数据，通过PLC程序，对这些数据进行实时操作。系统可以有8挡转速控制。该机床采用了其中4挡，相邻挡位间可以存在转速的交叉。

    为实现主轴的自动换挡，在机床数据中预先设置了主轴4个换挡转速范围。NC控制系统依据不同的挡位给主轴驱动装置发出不同的指令电压，对应主轴电机不同的转速。

    输入信号：挡位检测信号SW1～SW4，换挡液压压力PS1，主轴电机停转Nmin，主轴电机实际转速Nact；

    输出信号：换挡电磁阀SOL1～SOL4，电机驱动指令电压Vist。

    系统主轴数据块包含摆动速度、摆动频率、内置换挡范围、当前挡位、换挡命令、目标挡位、换挡结束标志、主轴电机运行状态、主轴禁止和主轴PLC控制等数据。控制系统的信号流见图2。

    系统可采用SW1～SW4检测开关的状态组合编码作为当前主轴挡位的标志。电磁阀及检测开关状态见表1。

    表1 主轴换挡状态 换挡号 SOL1 SOL2 SOL3 SOL4 SW1 SW2 SW3 SW4

    挡 1 0 1 0 1 0 1 0

    第二挡 0 1 1 0 0 1 1 0

    第三挡 1 0 0 1 1 0 0 1

    第四挡 0 1 0 1 0 1 0 1

　  3 主轴自动换挡的PLC实现
    主轴换挡的控制过程是在PLC中实现的。PLC接受到NCK发出的换挡命令，先检查主轴电机是否处于停转状态，如果未停，PLC向主轴发“主轴禁止”命令，使主轴停止。PLC设定一个特定定时器，根据目标挡位，给相应的换挡液压油缸(SOL1～SOL4)发出输出命令，推动相应的齿轮运动。同时，启动主轴摆动模式，设置摆动频率，使齿轮在移动中啮合。定时器定时到了以后，PLC检测相应的挡位开关是否生效，如果生效，说明换挡齿轮啮合到位，同时上报NCK换挡生效，并向数据块填写“当前挡位”。此时，主轴自动进入下一挡转速。否则，PLC进行错误报警处理。
    在PLC设计中，必须注意的是：
    为了使主轴换挡不致于混乱，在PLC程序的初始化模块中，系统一通电就扫描机床挡位检测开关，在数据块中设置“当前挡位”，对系统状态进行初始化。必须把主轴的转速降为零后，才能对运行中的主轴换挡，否则会造成齿轮碰坏。在主轴转入下一挡转速前，相应的换挡油缸必须移动到位，使相应的齿轮啮合。
    为了更好地啮合，油缸在移动过程中，控制主轴作轻微的来回摆动，这样可缩短换挡时间，同时也避免齿轮硬顶造成撞伤和精度破坏。

    4 结束语
    当前，国内广泛开展的机床改造翻新将涉及到主轴换挡的问题。主轴换挡控制处理得当，不仅可以提高机床的加工精度，而且可以延长主轴的使用寿命。
    本课题针对SIEMENS 840C控制数据接口及机床换挡机构的特点，采用机电一体化，通过PLC程序的设计，实现了在数控程编中只要写上主轴转速，数控系统将自动实现换挡。改造后的主轴，换挡自如，运行可靠。对换挡过程中出现的油缸行程不到位、换挡压力不够都有及时的报警提示与错误处理。机床主轴的自我保护功能是设计者必须注意的问题。在换挡中可能会出现液压方面的问题，如换挡压力不够、液压电磁阀失灵造成油缸不到位。换挡超时时，系统要提出明确的报警，禁止主轴换挡，以保护主轴。在换挡过程中，巧妙地利用主轴的摆动模式可实现柔性换挡。同时应利用定时器，对输出命令的响应作出定时检查。