吊斗铲的PLC系统

邢国栋

摘要：吊斗铲是由美国比塞洛斯国际公司制造的矿山挖掘设备，也叫拉斗铲，是世界最大的迈步式拉斗铲，传动形式是无齿轮传动。设备具有非常高的挖掘效率，可全天二十四小时运行，吊斗铲自重约5000多吨，挖掘深度最高可达70多米，单斗容量大约为90立方米，搬运物料的成本相当低，运行寿命可达40年。PLC系统是吊斗铲的重要组成部分，使用了美国西门子公司的PLC S7-400.

关键词：吊斗铲;PLC S7-400;ET200;Profibus

一、吊斗铲PLC的作用

吊斗铲PLC使用的是西门子PLC S7-400，这种PLC系统复杂性比较强，于S7-200和S7-300比较，功能更加强大。吊斗铲的调速系统属于交-直-交变频调速，通过SIBAS控制器和PLC S7-400对IGBT（绝缘栅双极晶体管）器件组成的变频系统进行控制。将提升/回拉同步电动机的转速控制在合理调速范围，最高速度每分钟35转，最低速度每分钟14转，进行无齿轮传动。

PLC S7-400是吊斗铲的心脏，吊斗铲的运行完全依靠PLC进行控制。所以要想维护吊斗铲就必须熟悉PLC S7-400的结构、工作原理及使用方法。

它具有以下特点。

（一）用于中等到高级性能要求的强大PLC。

（二）多种性能等级选择范围的CPU。

（三）扩展模块选择范围超过300个模块的可扩展设计。

（四）在模块中集成背板总线。

（五）无插槽限制。

（六）多CPU同时工作。

二、吊斗铲PLC的组成

维修如此复杂的PLC系统，必须对它的硬件系统、软件系统进行全面了解。

（一）硬件

吊斗铲PLC系统的硬件由主机架和远程ET200组成。

1.      主机架。

（1）电源（PS）。

PLC系统主机架电源是由外部供给恒定的120VAC，转换为24VDC和5VDC，通过背板总线给其它模块提供工作电压。除了外部的供电，电源模块还安装了备用电池，备用电池主要用于在外部电源断电后，保存用户存储器的数据。

（2）中央处理器CPU

CPU是中央处理器的缩写，是PLC的核心组成部分，其主要作用是装载PLC用户程序，并对其进行运算和控制。由于吊斗铲的用户程序比较大，所以吊斗铲的PLC系统使用了2个CPU。其中一号CPU为主CPU，使用的是西门子系列型號为CPU416-2DP，定义为CPU416-2DP，CPU416-2DP的CPU有两个接口，分别是X1 MPI/DP和X2 DP。吊斗铲两个接口都用于Profibus通信。另一个CPU为辅CPU，也使用的是西门子系列型号为CPU416-2DP，定义为CPU416-2DP（1），CPU416-2DP（1）的CPU也有两个接口，分别是X1 MPI/DP和X2 DP，这个CPU只使用了X2 DP 用于Profibus通信。这两个CPU之间的通信是使用S7的内部通信。

（3）通信处理器CP。

CP是通信处理器。主要用于PLC外部的通信。吊斗铲采用了常用工业以太网，通过网络的形式和SIBAS机架、操作电脑、司机操作屏在线通信。

2.远程I/O站

吊斗铲体积庞大，参与控制的电器件相距太远，采用profibus通讯的ET200模块是PLC的远程通信模块，使各个从站同主站进行通讯，用总线形式与CPU连起来才可以起作用，它接收的数据通过总线传输给CPU，CPU经过处理后再把信号通过ET200的子站的输出模块输送出去，ET200不需要编程，但是在CPU写程序的时候，必须在硬件组态中将ET200通过总线挂在CPU机架上，并且保证实际模块与组态信息保持一致。

（1）从站的电源。

从站的电源，也是由外部供给恒定的120VAC，转换为24VDC和5VDC。通过背板总线给其它模块提供工作电压。从站的电源没有备用电池，原因是从站没有CPU。

（2）从站的通信模块。

ET200是主站的通信模块，用于与PROFIBUS-DP现场总线连接，每个通信模块都用自己的地址，而且在一个系统内不能有重复的地址。他的模块有终端设置，中间的模块终端电阻设置在“OFF”位置，终端的模块终端电阻设置的“ON”位置。吊斗铲共有32个ET200从站。CPU416-2DP的X1 MPI/DP接口的Profibus连接了10个从站，X2 DP接口的Profibus连接了19个从站，CPU416-2DP（1）的X2 DP 接口的Profibus连接了3个从站。

从站的模拟输出模块，只有0-10V输出模块，主要用于将操作指令、速度、力矩等参考信号传入SIBAS机架。

（二）软件

西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。

吊斗铲PLC系统的软件使用的是西门子的S7-400程序。S7-400 PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。S7-400 PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。通过SIMATC Manage软件来管理程序。软件作为应用软件安装在电脑内，具有可视化功能。

1.硬件组态。

硬件组态就是将你需要的所有PLC模块，包括电源，CPU，开关量输入、输出、模拟量输入、输出，通讯模块等进行配置，然后给每个模块分配物理地址，这样就可以方便编程，自己根据需要使用。硬件组态工具是对硬件进行配置、参数赋值以及诊断。即指定如何在机架中摆放模块，外部硬件必须和硬件组态的位置及参数一一对应，并且每个槽也有自己的固定地址，而且硬件组态也要下载到CPU中。

2.PLC程序。

PLC程序是在SIMATC Manage软件内编辑，通过软件将程序下载到PLC的CPU中。吊斗铲程序也是比较复杂的，由于吊斗铲的PLC系统采用的两个CPU，所以每个CPU都装了不同的程序。

CPU416-2DP使用了9个OB块，它们分别是OB1、OB34、OB37、OB80、OB81、OB82、OB86、OB100、OB122。CPU416-2DP编辑了100个FC （功能）并且被OB1调用，其中FC1的作用是读取所有模拟输入并且存储到对应的存储字。FC2-FC40是PLC系统的故障产生，FC41-FC47是故障的子程序。FC48-FC58是设备停机的条件。FC59是系统准备的条件。FC61是系统运行的顺序。FC62-FC72是系统运行的步骤。以及FC73-FC100是设备的其它功能。

CPU416-2DP（1）的程序相对于CPU416-2DP少多了。仅有1 个OB块和4个FC块。其中OB1的作用是主程序循环和震动数据读取，FC1和FC2是Wincc的电源表数据。FC4和FC5是提升和回拉编码器器读取。这几个FC同样也被OB1调用。

三、吊斗铲PLC在维护保养中常用的功能。

（一）吊斗铲的使用环境比较恶劣，所以定期除尘，是对PLC保养的重要项目。

（二）更换电源模块的备用电池，电池的一般寿命为一年。而且更换电池时，只能在上电期间或连接外部电源时更换，否则，用户存储器中的数据将丢失。

（三）S7-400 CPU上的LED指示灯，通常根据指示灯辨别故障。

1.LED “INTF”表示内部故障，用户程序出错。

2.LED “EXTF”表示外部故障，I/O模块出错。

3.LED “BUS1F”表示MPI/DP接口的总线故障。

4.LED “BUS2F”表示DP接口的总线故障。

5.LED “FRCE”表示存在强制输入/输出。

（四）S7-400电源模块指示。

1.LED “INTF”出现内部故障时亮起，例如，5V/24V短路或过载。

2.LED “BAF”电池故障，即没有电池或电池故障且没有外部电源供电。

3.LED “BATT1F”电池1耗尽或者缺少。

4.LED “BATT2F”电池2耗尽或者缺少。

5.LED “DC5V/DC24V”当5V/24V DC输出电压在容限范围内时亮起;短路或过载后电压恢复时闪烁。

6.LED “FMR”，确认开关，用于故障排除后确认和复位故障消息。

（五）下载和保存修改的块，在日常的工作中，在应用程序进行测试时，要对程序稍做改动，改动完成后，需要保存并且下载到CPU。

1.点击菜单栏File-Save，进行保存。也可以通过单击工具栏的“Save”图标。

2.点击菜单栏File-Download，进行下载。也可以通过单击工具栏的“Download”图标。

（六）修改和监视变量，在工作中处理外部故障时，需要将相应变量的值进行临时修改。

1.打开变量表，点击菜单栏PLC-Monitor/Modify Variables。

2.修改变量值，例如修改输出点Q8.0，在Address栏中输入Q8.0，然后在Modify Value 栏中，将要赋给变量的值输入。数字量输入输出只有“0”和“1”。

3.使用完毕后根据具体情况进行保存。变量表关闭后，修改的值恢复到修改前。

四、PLC应用中需要注意的问题。

尽管PLC具有可靠性高，抗干扰能力较强等特点。但吊斗铲生产环境恶劣，电磁干扰特别强烈，再加上如果安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行，要提高PLC控制系统可靠性，就要求我们在使用过程中应注意以下问题：

（一）温度 ：PLC要求工作温度在0-55摄氏度，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大，PLC设有高/低温监控传感器，如果动作系统将无法启机。因此我们必须作到夏天散热，冬天保温。

（二）空气：避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中，并安装空气净化装置。吊斗铲生产环境有很多粉尘，所以PLC控制柜必须有良好的封闭性。

（三）电源：PLC对电源的质量要求非常严格，吊斗铲专门设有一台带屏蔽层的隔离恒压变压器為PLC提供电源降低电源波动造成的干扰。所以恒压变是平时检查的重点。

（四）电磁干扰：现场电磁干扰是PLC控制系统中最常见也是最易影响系统可靠性的因素之一，因此在检修和使用过程中必须作好接地，屏蔽层绝不能破坏。

（五）PLC模板的更换：当PLC的模板出现问题时必须将故障模板的型号、功能、供电等级了解清楚，换上相同的模板。

（六）PLC的布线：当需要添加设备或线路损坏时，我们布线必须合理。将PLC的IO线和大功率线分开走线，如必须在同一线槽内，分开捆扎交流线、直流线，若条件允许，分槽走线最好，这不仅能使其有尽可能大的空间距离，并能将干扰降到最低限度。PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10。

参考文献：

[1]宫淑贞、王冬青，可编程控制器原理及应用，北京：人民邮电出版社，2002

[2]程周，可编程控制器技术与应用，北京：电子工业出版社，2002

[3]周万珍，高鸿斌，PLC分析与设计应用，北京：电子工业出版社，2004