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摘 要：传统的继电器-接触器装置电气控制系统在水泥固化线辊道控制系统中存在着控制精度低、检修不便、故障率高、抗干扰能力差、不稳定、通用性和灵活性差、修改控制时需要重新设计布线等缺点。针对水泥固化线辊道控制系统的要求，选择了具有一系列优点的PLC控制系统对水泥固化线辊道进行控制。该文简要分析了用西门子S7-300型PLC实现水泥固化线辊道控制的方法，设计了水泥固化线辊道控制系统。该系统提高了辊道的控制精度、节约了输入输出点数、大大提高了系统的抗干扰能力，又充分发挥了工控机良好的数据分析和处理的能力。实践表明，该系统可以保证辊道的安全、可靠、准确运行。
关键词：水泥固化线 辊道控制 PLC 控制 S7-300
中图分类号：TP342+.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（c）-0124-03
可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作为集三大技术（通信、自动控制、计算机）为一体，以微处理器为基础发展起来的电子控制系统，表现出了很多优点，如，具有较强的抗干扰能力、接口简单维护方便、控制精度高，特别由于其自身具有较高的可靠性并对恶劣的工业环境有很强的适用性，同时如今的PLC控制系统在处理开关量、模拟量、位置控制、系统集中控制、通信接口等方面都有了很大提高，因而在工业控制领域占据重要地位[1]。而水泥固化工段是采用水泥固化工艺将反应堆运行过程中的放射性浓缩液进行预处理、整备并形成稳定的废物包，以便运输、暂存和处置的生产线。输送辊道是水泥固化工段的主要设备之一，用于将200 L金属桶自动传输到各个指定的工位进行操作。在输送固化桶的过程中，需要确保固化桶的精确位置。因此，采用PLC对系统的可靠性和安全性进行特殊设计，具有十分重要的意义。
1 水泥固化系统
辊道输送线贯穿7个工位，由9段辊道组成，分别编号为辊道01～辊道09。包括7段直线辊道和2段旋转辊道。其中空桶准备工位设置辊道01和辊道02（旋转辊道）、过渡工位设置辊道03、濕料加注工位设置辊道04、水泥加注工位设置辊道05、封盖工位设置辊道06、剂量检测工位设置辊道07（旋转辊道）、吊运工位设置辊道08、搅拌桨清洗桶暂存工位设置辊道09。辊道的控制决定着整个固化生产线的成败。水泥固化系统流程图如图1所示。
2 辊道控制方案
2.1 主要参数
（1）运行方式：间断运行，每年完成4 000个200 L满载桶的往复输送。
（2）辊道传输速度为5 m/min。
（3）辊道输送线的操作对象为200 L金属桶，空桶重量50 kg，单桶装料后的最大重量为450 kg。
（4）辊道均需能实现金属桶的双向传输（电机能正、反转）。
2.2 控制功能要求
（1）桶在各工位需停下时，利用辊道电机适当提前停转，或提前减速的方式，以减小固化桶对定位挡桶装置的冲击，同时保证固化桶准确的定位。
（2）采用光电装置实现固化桶的定位。
（3）辊道分别采用手动控制和分段程序控制两种控制方式，通过控制电机的正反转，使固化桶产生前进或后退的定向直线位移。
（4）手动控制时，可单独启动每台辊道电机正反转。
（5）主要控制开关及其状态指示包括：每段辊道的前进、后退和停止手动按钮及其状态指示、分段程序控制的启动按钮、停止按钮和状态指示等。
2.3 电气控制系统
水泥固化线系统采用一一对应的模式对辊道进行控制即固化线上的每段辊道对应着一台单独的电动机，通过控制电机来实现辊道的运转，为了满足工艺要求保证精度，辊道2和辊道7采用变频装置对辊道进行控制。这种单独的传动控制模式可以保证辊道控制的可靠性、高精度、大大提高生产效率。在老式的水泥固化线设计中通常采用挡板来改变辊道方向或停止，所以固化线生产中挡板要一直与固化桶接触，故挡板是固化桶运输中的易损件。随着控制技术的不断进步，固化桶与挡板的接触已经从“硬碰硬”演变成了“软着陆”[2]。该固化生产线通过采用常规电机、光电传感器、限位开关、变频装置等，对辊道进行精确的定位与控制，实现固化桶的安装可靠运输。
该水泥固化线电气控制系统包括中央处理器、开关量输入输出模块、模拟量输入输出模块、定位模块、接口模块、通信模块、继电器、光电开关、限位开关、变频器等。在辊道上装有光电开关和接近开关来对固化桶的位置进行定位，生产线窥视窗附近上安装了就地操作箱，就地控制箱上装有辊道位置监测指示灯、辊道的正反转和停止按钮及状态指示、故障指示。辊道位置信号和工作状态检测信号通过输入模块送入控制器，控制器发出指令信号并通过指示灯显示。输入信号有正反转按钮、中间继电器的触点信号等。输出信号包括电磁阀、指示灯、继电器等，它们以PLC为核心组成PLC控制系统。PLC控制系统根据输入模块接收到的信号，执行相应的PLC程序，从而控制输出回路的电器元件，进而驱动相应的设备，实现水泥固化线辊道的控制。如图2所示。
2.4 控制回路设计
2.4.1 减少输入点法
在固化前区窥视窗附件设有就地控制箱，根据工艺要求及操作的方便性，同一设备的控制按钮需要安装在2台控制箱上或3台控制箱上。那么就相当于单体设备的多个地点启动和多地点停止按钮信号。为了减少输入点，节约成本，将这些信号通过串联或并联的方式合并，如图3所示。图中SB1～SB3为三地点启动按钮，SB4～SB6为三地点停止按钮。采用减少输入点法，将6个输入点减少为2个输入点。
2.4.2 分时分组输入
分时分组输入主要是针对不同时使用的两个控制点来说的，当两个输入信号或多个输入信号不同时使用时，一个输入点可以重复使用[3]。水泥固化线固化前区的控制箱都有远程和就地两种控制状态，远程控制和就地控制不会同时执行。每种控制方式各有N个输入信号，那么就要占用2N个输入点。但采用分时分组控制法时，2N个输入信号只需占用N 个输入点，其原理图如图4所示。 2.4.3 控制回路的设计
水泥固化线控制系统中各设备信号回路采用电气硬触点带动。PLC输出点可以直接带指示灯、电铃等声光信号装置。但是，如果信号点数增多，相应地要增加PLC输出点数，同时就有可能增加输出模块的数量，使设备投资加大很多，而且PLC输出点只能反应控制程序执行结果，并不一定是真正的设备动作状态，可靠性自然难以保证。例如，PLC某输出端有信号输出，而接在该输出回路上的接触器线圈烧坏了，使该接触器控制的电机没有起动。如果采用PLC输出信号去控制运行指示信号灯，当然就错了[4]。因此，水泥固化系统中采用直接来自电气控制柜的接触器、开关辅助触点，只有那些与系统中多个设备有关的显示信号才以PLC输出来带动。
2.4.4 按钮信号的输入
输入信号包括常闭触点输入和常开触点输入，图5是辊道的输入回路电路图，SB2、SB3分别是正转按钮和反转按钮。SB2和SB3是将按钮的常开触点接到PLC的输入模块，那么梯形图中的触点类型与继电器电路的触点类型完全一致；对按钮SB1来说，接入PLC控制系统的是按钮的常闭触点，那么梯形图中的触点类型与继电器电路的触点类型相反[5]。
2.4.5 控制回路的互锁设计
在辊道的控制中，包括电机的正转控制和反转控制，如果两个命令同时动作，会损坏执行机构，有可能还会造成严重的工业事故。即使使用PLC，在程序里做了互锁，还是应该用正反向接触器辅助触头做硬线互锁，因为有时因为各种原因，PLC的动作也会出错[6]。当电机工作在正转状态时，正转接触器通过常闭辅助接点断开反转接触器线圈的回路，使反转接触器不会因操作不当而闭合，反之亦然。互锁控制电路能够有效地防止电机同时工作在两种工作状态而引起的线路短路。如图6所示。
2.5 PLC抗干扰措施
2.5.1 电源的抗干扰设计
在水泥固化线控制系统中，影响电源品质的主要是外部供电电源和直接与电气系统连接的仪控系统供电引起的干扰等。它们引起的谐波干扰，直接影响PLC系统的正常工作，比如控制的精度，严重时会引起指令的误动作、错误的执行指令。为防止水泥固化线控制系统的干扰，PLC的CPU模块、I/O模块、接口模块、定位模块及仪控系统的供电等都采用了隔离变压器进行隔离。当PLC系统中的某个模块出现故障时，其他模块还会正常运转，提高了系统的可靠性。如图7所示。该系统还设计了UPS不间断电源，当供电质量不稳定时，CPU可以通过UPS供电，保证了系统的安全运行。鉴于水泥固化线PLC控制系统干扰源的复杂性，除了采取了硬件措施，在软件设计时也采取了相应的措施，比如：滤波、设计定时器等。
2.5.2 电缆的选择和敷设
水泥固化线室内动力电缆采用WDZA-YJY-0.6/1kV电缆，控制电缆采用WDZA-KYJVP-系列屏蔽电缆，配电线路敷设为穿钢管敷设和桥架敷设。
在电缆敷设时采取的措施[7]如下。
（1）电缆在桥架中的敷设为动力电缆和控制电缆分两侧布置，将对控制信号的影响降低到最小。
（2）根据传输信号类型选择不同的电缆。
（3）动力电缆和控制电缆的敷设都是通过穿热镀锌焊接钢管的方式。
（4）利用光纤电缆进行远距离信号的传输，例如PLC控制系统和主控室DCS的通讯就选择了光纤传输。
2.5.3 接地
接地可以保证设备的正常运行以及人身的安全。水泥固化线PLC控制系统的地包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统设计不合理或接地错误，容易造成接地点电位的不均匀分布，产生电位差，进而引起地环路电流，从而产生干扰信号，影响系统的正常工作[8]。
接地设计原则[9]：接地面是系统中所有电信号的公共点位参考点；流经地线的设备的电流互不形成电流环路，避免地点位差的影响；流经接地体的电流无电位差。为了更好地抑制干扰，PLC控制系统的接地和其他设备的接地应独立。如图8所示。
3 结语
水泥固化线辊道控制系统的设计提高了辊道控制精度，增强了抗干扰能力、可靠性，节约了软硬件成本，保证了固化桶的安全、可靠、准确运输。
参考文献
[1] 王莹.浅析PLC应用前景[J].科技创新与应用，2015（25）：118.
[2] 丁健.浅谈PLC控制系统的设计方法[J].电工技术：理论与实践，2015（12）：117.
[3] 蒋文伟，程凯，杨浩.基于变频技术的电梯PLC控制系统设计[J].中国高新技术企业，2015（30）：15-16.
[4] 杨涛.PLC控制系统设计方法解析[J].企业文化旬刊， 2015（11）：11.
[5] 张庆明.自动剪切生产线的PLC控制系统设计[J].中国科技纵横，2015（16）：68.
[6] 闵海斌，李凌峰，田艳秀.高速线材分钢辊道控制系统的设计及应用[J].自动化应用，2015（5）：61-63.
[7] 冯娟.PLC控制技术的优势及抗干扰措施研究[J].时代农机，2015，42（7）：39-40.
[8] 梁安全.PLC可靠性与抗干扰性提高方法[J].科技展望， 2015（3）：148.
[9] 许晓晖.PLC控制技术的優势及抗干扰措施研究[J].电子技术与软件工程，2014（15）：247.
关键词：水泥固化线 辊道控制 PLC 控制 S7-300
中图分类号：TP342+.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（c）-0124-03
可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作为集三大技术（通信、自动控制、计算机）为一体，以微处理器为基础发展起来的电子控制系统，表现出了很多优点，如，具有较强的抗干扰能力、接口简单维护方便、控制精度高，特别由于其自身具有较高的可靠性并对恶劣的工业环境有很强的适用性，同时如今的PLC控制系统在处理开关量、模拟量、位置控制、系统集中控制、通信接口等方面都有了很大提高，因而在工业控制领域占据重要地位[1]。而水泥固化工段是采用水泥固化工艺将反应堆运行过程中的放射性浓缩液进行预处理、整备并形成稳定的废物包，以便运输、暂存和处置的生产线。输送辊道是水泥固化工段的主要设备之一，用于将200 L金属桶自动传输到各个指定的工位进行操作。在输送固化桶的过程中，需要确保固化桶的精确位置。因此，采用PLC对系统的可靠性和安全性进行特殊设计，具有十分重要的意义。
1 水泥固化系统
辊道输送线贯穿7个工位，由9段辊道组成，分别编号为辊道01～辊道09。包括7段直线辊道和2段旋转辊道。其中空桶准备工位设置辊道01和辊道02（旋转辊道）、过渡工位设置辊道03、濕料加注工位设置辊道04、水泥加注工位设置辊道05、封盖工位设置辊道06、剂量检测工位设置辊道07（旋转辊道）、吊运工位设置辊道08、搅拌桨清洗桶暂存工位设置辊道09。辊道的控制决定着整个固化生产线的成败。水泥固化系统流程图如图1所示。
2 辊道控制方案
2.1 主要参数
（1）运行方式：间断运行，每年完成4 000个200 L满载桶的往复输送。
（2）辊道传输速度为5 m/min。
（3）辊道输送线的操作对象为200 L金属桶，空桶重量50 kg，单桶装料后的最大重量为450 kg。
（4）辊道均需能实现金属桶的双向传输（电机能正、反转）。
2.2 控制功能要求
（1）桶在各工位需停下时，利用辊道电机适当提前停转，或提前减速的方式，以减小固化桶对定位挡桶装置的冲击，同时保证固化桶准确的定位。
（2）采用光电装置实现固化桶的定位。
（3）辊道分别采用手动控制和分段程序控制两种控制方式，通过控制电机的正反转，使固化桶产生前进或后退的定向直线位移。
（4）手动控制时，可单独启动每台辊道电机正反转。
（5）主要控制开关及其状态指示包括：每段辊道的前进、后退和停止手动按钮及其状态指示、分段程序控制的启动按钮、停止按钮和状态指示等。
2.3 电气控制系统
水泥固化线系统采用一一对应的模式对辊道进行控制即固化线上的每段辊道对应着一台单独的电动机，通过控制电机来实现辊道的运转，为了满足工艺要求保证精度，辊道2和辊道7采用变频装置对辊道进行控制。这种单独的传动控制模式可以保证辊道控制的可靠性、高精度、大大提高生产效率。在老式的水泥固化线设计中通常采用挡板来改变辊道方向或停止，所以固化线生产中挡板要一直与固化桶接触，故挡板是固化桶运输中的易损件。随着控制技术的不断进步，固化桶与挡板的接触已经从“硬碰硬”演变成了“软着陆”[2]。该固化生产线通过采用常规电机、光电传感器、限位开关、变频装置等，对辊道进行精确的定位与控制，实现固化桶的安装可靠运输。
该水泥固化线电气控制系统包括中央处理器、开关量输入输出模块、模拟量输入输出模块、定位模块、接口模块、通信模块、继电器、光电开关、限位开关、变频器等。在辊道上装有光电开关和接近开关来对固化桶的位置进行定位，生产线窥视窗附近上安装了就地操作箱，就地控制箱上装有辊道位置监测指示灯、辊道的正反转和停止按钮及状态指示、故障指示。辊道位置信号和工作状态检测信号通过输入模块送入控制器，控制器发出指令信号并通过指示灯显示。输入信号有正反转按钮、中间继电器的触点信号等。输出信号包括电磁阀、指示灯、继电器等，它们以PLC为核心组成PLC控制系统。PLC控制系统根据输入模块接收到的信号，执行相应的PLC程序，从而控制输出回路的电器元件，进而驱动相应的设备，实现水泥固化线辊道的控制。如图2所示。
2.4 控制回路设计
2.4.1 减少输入点法
在固化前区窥视窗附件设有就地控制箱，根据工艺要求及操作的方便性，同一设备的控制按钮需要安装在2台控制箱上或3台控制箱上。那么就相当于单体设备的多个地点启动和多地点停止按钮信号。为了减少输入点，节约成本，将这些信号通过串联或并联的方式合并，如图3所示。图中SB1～SB3为三地点启动按钮，SB4～SB6为三地点停止按钮。采用减少输入点法，将6个输入点减少为2个输入点。
2.4.2 分时分组输入
分时分组输入主要是针对不同时使用的两个控制点来说的，当两个输入信号或多个输入信号不同时使用时，一个输入点可以重复使用[3]。水泥固化线固化前区的控制箱都有远程和就地两种控制状态，远程控制和就地控制不会同时执行。每种控制方式各有N个输入信号，那么就要占用2N个输入点。但采用分时分组控制法时，2N个输入信号只需占用N 个输入点，其原理图如图4所示。 2.4.3 控制回路的设计
水泥固化线控制系统中各设备信号回路采用电气硬触点带动。PLC输出点可以直接带指示灯、电铃等声光信号装置。但是，如果信号点数增多，相应地要增加PLC输出点数，同时就有可能增加输出模块的数量，使设备投资加大很多，而且PLC输出点只能反应控制程序执行结果，并不一定是真正的设备动作状态，可靠性自然难以保证。例如，PLC某输出端有信号输出，而接在该输出回路上的接触器线圈烧坏了，使该接触器控制的电机没有起动。如果采用PLC输出信号去控制运行指示信号灯，当然就错了[4]。因此，水泥固化系统中采用直接来自电气控制柜的接触器、开关辅助触点，只有那些与系统中多个设备有关的显示信号才以PLC输出来带动。
2.4.4 按钮信号的输入
输入信号包括常闭触点输入和常开触点输入，图5是辊道的输入回路电路图，SB2、SB3分别是正转按钮和反转按钮。SB2和SB3是将按钮的常开触点接到PLC的输入模块，那么梯形图中的触点类型与继电器电路的触点类型完全一致；对按钮SB1来说，接入PLC控制系统的是按钮的常闭触点，那么梯形图中的触点类型与继电器电路的触点类型相反[5]。
2.4.5 控制回路的互锁设计
在辊道的控制中，包括电机的正转控制和反转控制，如果两个命令同时动作，会损坏执行机构，有可能还会造成严重的工业事故。即使使用PLC，在程序里做了互锁，还是应该用正反向接触器辅助触头做硬线互锁，因为有时因为各种原因，PLC的动作也会出错[6]。当电机工作在正转状态时，正转接触器通过常闭辅助接点断开反转接触器线圈的回路，使反转接触器不会因操作不当而闭合，反之亦然。互锁控制电路能够有效地防止电机同时工作在两种工作状态而引起的线路短路。如图6所示。
2.5 PLC抗干扰措施
2.5.1 电源的抗干扰设计
在水泥固化线控制系统中，影响电源品质的主要是外部供电电源和直接与电气系统连接的仪控系统供电引起的干扰等。它们引起的谐波干扰，直接影响PLC系统的正常工作，比如控制的精度，严重时会引起指令的误动作、错误的执行指令。为防止水泥固化线控制系统的干扰，PLC的CPU模块、I/O模块、接口模块、定位模块及仪控系统的供电等都采用了隔离变压器进行隔离。当PLC系统中的某个模块出现故障时，其他模块还会正常运转，提高了系统的可靠性。如图7所示。该系统还设计了UPS不间断电源，当供电质量不稳定时，CPU可以通过UPS供电，保证了系统的安全运行。鉴于水泥固化线PLC控制系统干扰源的复杂性，除了采取了硬件措施，在软件设计时也采取了相应的措施，比如：滤波、设计定时器等。
2.5.2 电缆的选择和敷设
水泥固化线室内动力电缆采用WDZA-YJY-0.6/1kV电缆，控制电缆采用WDZA-KYJVP-系列屏蔽电缆，配电线路敷设为穿钢管敷设和桥架敷设。
在电缆敷设时采取的措施[7]如下。
（1）电缆在桥架中的敷设为动力电缆和控制电缆分两侧布置，将对控制信号的影响降低到最小。
（2）根据传输信号类型选择不同的电缆。
（3）动力电缆和控制电缆的敷设都是通过穿热镀锌焊接钢管的方式。
（4）利用光纤电缆进行远距离信号的传输，例如PLC控制系统和主控室DCS的通讯就选择了光纤传输。
2.5.3 接地
接地可以保证设备的正常运行以及人身的安全。水泥固化线PLC控制系统的地包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统设计不合理或接地错误，容易造成接地点电位的不均匀分布，产生电位差，进而引起地环路电流，从而产生干扰信号，影响系统的正常工作[8]。
接地设计原则[9]：接地面是系统中所有电信号的公共点位参考点；流经地线的设备的电流互不形成电流环路，避免地点位差的影响；流经接地体的电流无电位差。为了更好地抑制干扰，PLC控制系统的接地和其他设备的接地应独立。如图8所示。
3 结语
水泥固化线辊道控制系统的设计提高了辊道控制精度，增强了抗干扰能力、可靠性，节约了软硬件成本，保证了固化桶的安全、可靠、准确运输。
参考文献
[1] 王莹.浅析PLC应用前景[J].科技创新与应用，2015（25）：118.
[2] 丁健.浅谈PLC控制系统的设计方法[J].电工技术：理论与实践，2015（12）：117.
[3] 蒋文伟，程凯，杨浩.基于变频技术的电梯PLC控制系统设计[J].中国高新技术企业，2015（30）：15-16.
[4] 杨涛.PLC控制系统设计方法解析[J].企业文化旬刊， 2015（11）：11.
[5] 张庆明.自动剪切生产线的PLC控制系统设计[J].中国科技纵横，2015（16）：68.
[6] 闵海斌，李凌峰，田艳秀.高速线材分钢辊道控制系统的设计及应用[J].自动化应用，2015（5）：61-63.
[7] 冯娟.PLC控制技术的优势及抗干扰措施研究[J].时代农机，2015，42（7）：39-40.
[8] 梁安全.PLC可靠性与抗干扰性提高方法[J].科技展望， 2015（3）：148.
[9] 许晓晖.PLC控制技术的優势及抗干扰措施研究[J].电子技术与软件工程，2014（15）：247.