葉宏勇

(新余鋼鐵集團(tuán)有限公司，江西新余338001)

摘  要  通過分析接近開關(guān)、絕對值編碼器、位移傳感器等檢測元件的工作原理，編寫PLC控制程序，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的科學(xué)診斷和故障連鎖保護(hù)，確保了設(shè)備和生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞  接近開關(guān)；絕對值編碼器；脈沖發(fā)生器；PLC

PLC(可編程控制器）將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，是一種應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的通用控制器.連鎖保護(hù)是確保生產(chǎn)裝置安穩(wěn)長運(yùn)行的重要保護(hù)手段，當(dāng)生產(chǎn)過程中某些工藝變量或設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生異常并接近危險(xiǎn)值時(shí)，檢測手段才對設(shè)備運(yùn)行具有指導(dǎo)作用叫，PLC可以通過傳感器檢測數(shù)據(jù)，按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的邏輯關(guān)系啟動(dòng)備用設(shè)備或自動(dòng)停車，以實(shí)現(xiàn)安全保護(hù).近年來，國家大力推廣智能制造，自動(dòng)化程度不斷提高，PLC控制程序設(shè)計(jì)的安全性往往決定了設(shè)備和生產(chǎn)過程的安全性[2]如果整個(gè)生產(chǎn)線的安全性低，會(huì)頻繁出現(xiàn)設(shè)備的錯(cuò)誤動(dòng)作，容易損壞設(shè)備，嚴(yán)重時(shí)甚至造成重大生產(chǎn)和設(shè)備事故.

1  現(xiàn)狀分析

現(xiàn)場運(yùn)行的自動(dòng)化設(shè)備主要包括傳動(dòng)和檢測設(shè)備，設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的前提.傳動(dòng)設(shè)備按照傳動(dòng)方式分為：機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、液壓傳動(dòng).檢測的設(shè)備主要包括接近開關(guān)、絕對值編碼器、位移傳感器、激光測距儀等.

現(xiàn)場設(shè)備一般依靠傳動(dòng)設(shè)備和檢測設(shè)備一起實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能，但是，檢測設(shè)備在檢測位置功能的基礎(chǔ)上，也可以通過自動(dòng)化控制程序，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的科學(xué)診斷和故障連鎖保護(hù)[3].按檢測設(shè)備分類，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面.

1  接近開關(guān)連鎖保護(hù)問題

接近開關(guān)是一種無需與運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行機(jī)械直接接觸操作的位置檢測開關(guān)，當(dāng)設(shè)備上安裝的擋鐵接近開關(guān)到動(dòng)作距離即可使接近開關(guān)動(dòng)作，并通過電纜將開關(guān)動(dòng)作信號傳輸給PLC系統(tǒng).工業(yè)設(shè)備中的接近開關(guān)位置檢測設(shè)備元件很多，例如冷軋酸洗機(jī)組卷取機(jī)壓輥由卷取機(jī)壓輥液壓電磁閥控制，兩個(gè)接近開關(guān)分別檢測打開和關(guān)閉位置在選擇安裝接近開關(guān)位置時(shí)，要從多方面考慮來提高接近開關(guān)的工作可靠性.方便檢修維護(hù)，且不會(huì)被帶鋼、相鄰設(shè)備、和檢修人員損壞.粉塵、液壓油不容易在接近開關(guān)上堆積，接觸時(shí)接近開關(guān)接觸面大、檢測可靠.除了接近開關(guān)的安裝位置外，PLC在接收到接近開關(guān)動(dòng)作信號后，如何連鎖和控制保護(hù)設(shè)備，也需要全面考慮.

例如酸洗機(jī)組在正常酸洗帶鋼時(shí)，有時(shí)卷取機(jī)壓輥會(huì)劇烈擺動(dòng)，直接將高速運(yùn)行的帶鋼堆鋼.檢查發(fā)現(xiàn)，卷取機(jī)壓輥是由電磁閥控制，通過壓輥液壓缸的打開或閉合實(shí)現(xiàn)壓輥的打開-閉合.電磁閥失電，壓輥打開，壓輥打開接近開關(guān)動(dòng)作、將壓輥打開信號傳輸給PLC控制系統(tǒng)，電磁閥得電、壓輥關(guān)閉，壓輥關(guān)閉接近開關(guān)動(dòng)作、將壓輥關(guān)閉信號傳輸給PLC控制系統(tǒng).當(dāng)電磁閥得電、壓輥關(guān)閉，壓輥液壓缸漏油時(shí)，壓輥關(guān)閉接近開關(guān)不能動(dòng)作，不能將壓輥關(guān)閉信號傳輸給PLC控制系統(tǒng)，這時(shí)就看見卷取機(jī)壓輥在開到位和關(guān)到位之間來回?cái)[動(dòng)，帶鋼張力丟失，進(jìn)而造成堆鋼事故，損壞壓輥旁的EPC糾偏檢測設(shè)備，而畫面上無任何設(shè)備的報(bào)警.

1.2 絕對值編碼器連鎖保護(hù)問題

酸洗機(jī)組矯直機(jī)用于矯直帶鋼，使鋼帶表面氧化鐵片疏松，提高酸洗效率團(tuán)，帶鋼運(yùn)行時(shí)全程投入使用.九輥矯直機(jī)由矯直輥輥系、矯直機(jī)輥縫調(diào)整裝置、本體、傳動(dòng)裝置等組成如圖1、圖2所示.

矯直機(jī)輥縫蝸輪調(diào)整機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)構(gòu)上安裝有PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)接口絕對值編碼器，用于輥縫的測量.當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整矯直機(jī)的輥縫時(shí)，機(jī)構(gòu)帶動(dòng)絕對值編碼器旋轉(zhuǎn)，測量出矯直機(jī)輥縫的實(shí)際值.

矯直機(jī)絕對值編碼器利用光電碼盤，應(yīng)用于對位置精度要求非常高的位移量的測量.當(dāng)設(shè)備帶動(dòng)絕對值編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，以輸出脈沖值的變化實(shí)現(xiàn)設(shè)備位置計(jì)算，確保測量位移值和數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度.酸洗機(jī)組的矯直機(jī)輥縫采用是PROFIBUS-DP絕對值編碼器，PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線（5],一般每條PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)連接非常多的現(xiàn)場檢測設(shè)備.連接矯直機(jī)的絕對值編碼器的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題，編碼器的正確位移測量數(shù)據(jù)無法通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給PLC.PLC本應(yīng)該控制蝸輪調(diào)整機(jī)構(gòu)向正確設(shè)定位置運(yùn)行，但由于位移測量數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，蝸輪調(diào)整機(jī)構(gòu)運(yùn)行超過極限位置而損壞.

1.3  激光測距儀和位移傳感器連鎖保護(hù)問題

酸洗機(jī)組的開卷區(qū)域和卷取區(qū)域都配置有鋼卷小車，用于將鋼卷從鞍座上運(yùn)送到開卷機(jī)或從卷取機(jī)上將鋼卷運(yùn)送到鞍座上.鋼卷小車的行走靠電機(jī)帶動(dòng)鏈條和鏈輪裝置驅(qū)動(dòng)，4個(gè)車輪支撐，小車行走的位置通過PROFIBUS-DP接口的激光測距儀測量；小車升降動(dòng)作用液壓缸驅(qū)動(dòng)完成，升降高度用安裝在液壓缸內(nèi)的通過PROFIBUS-DP接口的位移傳感器測量.

鋼卷小車行走位置和升降高度準(zhǔn)確，才能安全的將鋼卷從鞍座上運(yùn)送到開卷機(jī)或從卷取機(jī)上將鋼卷運(yùn)送到鞍座上.如果鋼卷小車激光測距儀測量的行走位置或位移傳感器的測量的升降高度數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，PLC會(huì)控制鋼卷小車向錯(cuò)誤的行走位置或高度運(yùn)行，鋼卷小車運(yùn)行位置錯(cuò)誤，將直接導(dǎo)致20t以上的鋼卷在運(yùn)送過程中傾倒，并可能將相鄰區(qū)域的設(shè)備損壞.

2  改進(jìn)措施

2.1 接近開關(guān)連鎖保護(hù)問題

當(dāng)一個(gè)設(shè)備需要運(yùn)行，例如卷取壓輥需要關(guān)閉，根據(jù)程序的要求，PLC發(fā)出壓輥關(guān)閉命令，24VDC直流電壓傳輸給壓輥關(guān)閉液壓電磁閥；壓輥關(guān)閉液壓電磁閥切換液壓油：壓輥關(guān)閉液壓缸無桿腔進(jìn)油，有桿腔出油，壓輥關(guān)閉液壓缸伸出；4s后，與液壓缸連接的擋鐵到達(dá)壓輥關(guān)閉接近開關(guān)位置，開關(guān)動(dòng)作.壓輥關(guān)閉接近開關(guān)傳輸24VDC直流電壓給PLC輸入卡件，壓輥正確的實(shí)現(xiàn)了關(guān)閉功能.

但是，如果在這些動(dòng)作環(huán)節(jié)中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，壓輥不能正常關(guān)閉，壓輥不能正確實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的功能，就會(huì)導(dǎo)致酸洗機(jī)組處于危險(xiǎn)的狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)備和生產(chǎn)事故.因此，需要及時(shí)對酸洗機(jī)組每個(gè)設(shè)備的動(dòng)作和狀態(tài)進(jìn)行診斷，定位出設(shè)備故障位置，以便機(jī)組及時(shí)響應(yīng)在PLC控制程序中增加了每個(gè)設(shè)備的診斷功能.如圖3所示，卷取壓輥需要關(guān)閉，根據(jù)程序要求，PLC發(fā)出壓輥關(guān)閉的高電平命令，如果設(shè)PLC輸入卡件沒有接收到壓輥關(guān)閉接近開關(guān)傳輸?shù)?4VDC直流電壓反饋信號，非功能塊輸出高電平，與功能塊的兩個(gè)輸入端都是高電平，則輸出也是高電平.延時(shí)on功能塊延時(shí)6s后，如果與功能塊輸出一直是高電平，RS觸發(fā)器的S輸入端為高電平，PLC控制程序?qū)狠侁P(guān)閉故障通過RS觸發(fā)器鎖存起來，酸洗機(jī)組停機(jī)，并且發(fā)出卷取機(jī)關(guān)閉故障，在畫面顯示.操作維護(hù)人員將可以單獨(dú)操作卷取機(jī)壓輥，查找問題并進(jìn)行處理.處理好故障后，酸洗機(jī)組操作工按下故障復(fù)位按鈕，RS觸發(fā)器鎖存解除，機(jī)組才可以繼續(xù)運(yùn)行.

2.2 絕對值編碼器連鎖保護(hù)問題

當(dāng)設(shè)備采用絕對值編碼器，對位置精度要求非常高的位移量進(jìn)行測量.設(shè)備運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)絕對值編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備位置準(zhǔn)確測量.正是因?yàn)榻^對值編碼器是用于精度要求非常高的設(shè)備位置檢測，因此，這些設(shè)備的動(dòng)作和測量出現(xiàn)問題，都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的設(shè)備和生產(chǎn)事故.

通過現(xiàn)場分析和多種方法的測試，在增加網(wǎng)絡(luò)故障連鎖基礎(chǔ)上，確定通過PLC實(shí)現(xiàn)智能的檢測方法，可以準(zhǔn)確和靈敏的診斷出設(shè)備故障.首先需要利用梯形圖定時(shí)器構(gòu)成脈沖發(fā)生器間，使用兩個(gè)定時(shí)器產(chǎn)生頻率占空比均可設(shè)置的脈沖信號.如圖4、圖5的脈沖發(fā)生器的時(shí)序圖和梯形圖程序，當(dāng)輸入10.0為1時(shí)，輸出Q0.0為1或0交替進(jìn)行，脈沖信號的周期為6s,脈沖寬度為6s.

當(dāng)矯直機(jī)輥縫需要調(diào)節(jié)時(shí)，根據(jù)程序要求，PLC發(fā)出命令給矯直機(jī)調(diào)整電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)矯直機(jī)輥縫蝸輪調(diào)整機(jī)構(gòu)動(dòng)作.機(jī)構(gòu)帶動(dòng)絕對值編碼器旋轉(zhuǎn)，測量出矯直機(jī)輥縫的實(shí)際值，反饋給PLC;PLC對編碼器測量值進(jìn)行定時(shí)間隔采樣.PLC發(fā)出矯直機(jī)調(diào)整輥縫命令電平和脈沖發(fā)生器發(fā)出的電平都為高電平后，與功能塊輸出高電平；存儲(chǔ)器2的S端為高電平，將存儲(chǔ)器1在6s(可根據(jù)設(shè)備運(yùn)行速度調(diào)整）前存的矯直機(jī)輥縫絕對值編碼器測量值存在存儲(chǔ)器2中；延時(shí)on功能塊延時(shí)1s后，存儲(chǔ)器1的S端為高電平，將當(dāng)前的矯直機(jī)輥縫絕對值編碼器測量值存在存儲(chǔ)器1中，存儲(chǔ)器1的值和存儲(chǔ)器2的值在減功能塊進(jìn)行相減.矯直機(jī)輥縫調(diào)整故障原理圖如圖6所示.

因此，當(dāng)PLC發(fā)出命令給矯直機(jī)調(diào)整電機(jī)后，將當(dāng)前的采用值和上一次的采樣值進(jìn)行相減，減功能塊輸出值在比較功能塊中和設(shè)定值進(jìn)行比較.正常情況下矯直機(jī)調(diào)整電機(jī)運(yùn)行，兩次相鄰采樣值的差會(huì)大于一個(gè)設(shè)定值（調(diào)試確定）;如果兩次相鄰采樣值的差小于設(shè)定值或?yàn)榱悖f明設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)故障，PLC控制程序一方面停止調(diào)整電機(jī)運(yùn)行，另一方面記錄故障信息，并在畫面顯示矯直機(jī)調(diào)整故障，以便操作維護(hù)人員處理.處理完成故障后，酸洗機(jī)組操作工按下故障復(fù)位按鈕，RS觸發(fā)鎖存解除，機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行.

當(dāng)設(shè)備位置測量采用激光測距儀或位移傳感器，和絕對值編碼器一樣.當(dāng)設(shè)備動(dòng)作時(shí)，傳輸給PLC是模擬量測量值，主要用于設(shè)備運(yùn)行位置的測量.因此，激光測距儀和位移傳感器連鎖保護(hù)可以采用和絕對值編碼器一樣的控制程序.當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，將當(dāng)前測量設(shè)備的采用值和上一次的采樣值進(jìn)行相減，如果兩次相鄰采樣值的差小于設(shè)定值或?yàn)榱悖f明設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)故障，設(shè)備應(yīng)停止運(yùn)行，并在畫面上顯示故障設(shè)備.

3  結(jié)論

通過分析接近開關(guān)、絕對值編碼器、位移傳感器在實(shí)現(xiàn)連鎖保護(hù)上的工作原理，編寫PLC控制程序，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的科學(xué)診斷和故障連鎖保護(hù)，確保了設(shè)備生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行，極大減少事故發(fā)生，避免造成大的經(jīng)濟(jì)損失.

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