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【摘 要】随着科技的高速发展，工业产品竞争的日趋激烈，对产品自动化程度的要求也越来越高，我沈矿设计院自行开发的堆取料机因其应用范围广、适应力强、运行可靠而被广大用户所采用。堆料机和取料机是一种物料混匀设备，广泛应用于码头、发电厂、冶金以及水泥等建材行业。在钢铁、建材、及能源行业中，对于某些生产原料如钢铁厂的铁粉，水泥厂的石灰石和热电厂的原煤等物料均化性能有着较高的要求，其均化比必需要控制在一定范围内，否则会对正常生产和产品质量产生不良影响。随着我国经济的飞速发展，电力供应紧张问题日显突出，近期国内拟建和在建了许多大装机容量的火力发电厂。大装机容量的火电厂对原煤混匀设备------堆取料机的控制部分提出了新的要求：防爆、堆取料能力大、堆料机悬臂长、取料机跨距大等，针对这些情况，适用于电厂矩型料场的新型堆取料机逐渐被广泛动应用。
【关键词】矩型料场；堆料机；电气控制系统
1、矩型堆场混匀堆取料机原理概述
矩型堆场混匀堆取料机一般用于钢铁，建材及能源企业原料场，通过堆料机将原料如铁矿粉、石灰石、原煤等均匀地堆放在矩型料场上，然后通过取料机全断面切片将物料输送给下一级设备。通过这一堆一取的过程来完成物料的混匀。
因此，其主要具备两种功能：存储功能和混匀功能。
正常工作时，堆料机和取料机在料场的两个不同区域内工作（如图一）。例如，如果堆料机在甲区工作则取料机在乙区工作，堆料机工作时在AB点间或CD点间往复运动，通过堆料机的往复运动物料被均匀地一层一层堆放在料场上，待将整个料场的二分之一被堆满时取料机便可取料。
取料机通过料耙的前后往复运动使物料向料堆底部滑落，最后通过取料机行走连续给进和刮板的配合将已被混匀的物料取走并输送给下一级生产设备。
一般情况下，矩型料场堆料机在堆料时要考虑物料的端堆效应，所谓端堆效应是指在堆料时，由于物料是由下至上一层压一层的堆积，在达到堆高后会在料堆的两侧形成两个半圆锥，这两个半圆锥内部的物料是一层压一层的，在最上面的物料是堆料机最后一次堆放的物料，而最里层贴近水平面的物料是最先堆积的，当取料机开始取料时首先要从半圆锥部分开始，那么先取到的料肯定是最后堆积的物料，而不能达到理想的全断面，把不同层的物料同时取到的要求。
为了达到混匀的目的，矩型料场堆料机一般采用变起点定终点的堆料方式，以甲区堆料为例，A点为终点，B点为起点，堆料机往左右行走，
当行走A点时停留一定时间后向B点行走，当行至B点时并不立刻停下来，而是要继续向前行走一个距离，然后再停留一定时间后向相反方向行走重复上面动作，每次从B点向前行走的距离都按一定规律变小一点，最终整个料堆堆积成图一所示甲区料堆部局。
开始堆料时，堆料机悬臂降至最低位置，从最低点开始堆料，在堆料机往复行走过程中料堆逐渐变高，在堆料机悬臂前部装有料位探测计，用于检测悬臂与料堆间的距离。
当料堆升至料位探测计动作时堆料机悬臂上升一定高度，以保证悬臂前端卸料点与料堆间保持最佳距离。为了最大程度的利用料场空间和减小设备冲击，当堆料机行至料堆两端堆时都要停留一定时间，这个时间是变化的，是随着料堆的升高逐渐变大的。
2、控制系统结构
矩型料场堆取料机控制系统框图如图二所示。
2.1地面电源箱、地面控制箱。
堆取料机分别有独立的地面电源箱和地面控制箱。地面电源箱将AC6KV的动力电源通过动力缆盘送至机上变电站。地面控制箱是堆取料机通讯的一个中转站，通过控制缆盘与继电器柜联接起来，地面控制箱主要有两个功能：
a.堆取料机联锁堆取料机属大型移动设备，而且在一个料场内工作，为了保证堆取料机能够在各自区域内安全地工作，不产生例如相撞等危险，要在堆取料机间联接通讯电缆。通过通讯电缆来实时传送堆料机和取料机的位置信息和状态信息。堆料机和取料机在接收到对方信息后与自身状态相比较，并作出判断，最后判断结论为正常时方可工作。
b.与中央控制室进行通讯现代化的设备要有现代化的管理。火电厂为了整体掌握和控制全厂设备，一般都设有中央控制室。中央控制室向堆取料机发出的指令和堆取料机向中央控制室发出的状态信息（例如：备妥信号（即控制室可以启机）；启动完毕信号（即运行信号）；位置信号（即本机在某一堆场）；正常取完信号；综合故障信号等，这些信号都是通过地面控制箱的中转来完成的。
2.2机上变电站。
机上变电站的主要功能是将AC6KV的动力电源变成AC380V的动力电源。机上变电站由两部分组成：高压控制柜和干式变压器。它具有独立完整的继电保护装置，通过一套与上级变电站相配合的继电保护装置可为机上各驱动部分和控制部分提供优良可靠的电源。
2.3低压电源柜。低压电源柜在接收到由机上变电站送来的AC380V动力电源后，一部分直接送给各驱动部分，另一部分要再经机上的电源装置二次转换为AC220V和DC24V的控制电源和系统工作电源。
另外，在低压电源柜装有交流变频装置和智能马达控制器。交流变频装置用于驱动取料机的工作行走驱动，工作行走驱动采用交流变频装置可减小取料机在工作行走启动过程中的冲击，使工作行走启动平稳；另外，可以通过调整交流变频装置的工作频率来改变取料机工作行走速度，进而来调整取料机的取料量。
智能马达控制器用于驱动取料机调车行走、堆料机行走和堆料机悬臂胶带机驱动。通过智能马达控制器的软启动、限流和限压等功能的设置可使取料机调车行走、堆料机行走和堆料机悬臂胶带机具有优良的启动特性，并在一定程度上减小启动压降。
2.4继电器柜
继电器柜分别安装于堆、取料机各机上的操作室内，是操作人员进行机上操作及信号显示的核心部分，并用以完成机上自动、手动、机旁的转换控制。 继电器柜主要用来隔离系统内的输入和输出信号。来自中控室的控制信号，现场采集信号经过继电器柜内的中间继电器隔离转换后送给PLC，PLC进行处理后发出相应的控制指令，控制指令经中间继电器隔离后再去控制堆、取料机各部分相应的动作。
2.5PLC柜
PLC柜是整套控制系统的核心部分。所有的逻辑和运算操作都是由PLC完成的。系统上电初始化后PLC立即对各被检测点进行数据采集，并对采集到的数据进行分析，运算。
如果设备正常则可以进行相关的操作，如果有故障则有相应的故障指示，并发出声光报警。在设备运行过程中PLC也对设备各被检测点进行实时的数据采集，有故障发生时PLC会发出相应的处理指令，进而保证设备的可靠安全运行。
2.6操作台
操作台是堆取料机机上操作的终端。除了常规的按钮操作外，堆取料机控制系统还设置了触摸屏操作模式。
触摸屏操作模式一方面可以使操作变得更直观，另一方面由于触摸屏上所有的操作都是下载于触摸屏内的程序与下载于PLC内的程序按照一定的通讯协议来完成的，这就在一定程度上简化了传统控制方式由于硬件线路过于复杂而使维修不便的缺点，提高了以后在使用过程中设备维修，保养的效率。
2.7现场驱动和现场检测
自动化控制系统最终控制目标是设备的各种具体动作，而各种具体动作最终都是由电机来完成的。因此可以讲，自动化控制系统的最终控制目标便是完成具体动作的现场各驱动电机。
堆料机的现场驱动是指：悬臂胶带驱动电机、整车行走驱动电机、动力缆盘驱动电机、控制缆盘驱动电机及悬臂俯仰液压驱动泵站。
取料机的现场驱动是指：整车工作行走驱动电机、整车调车行走驱动电机、耙车前后行液压驱动泵站、刮板驱动电机、动力缆盘驱动电机及控制缆盘驱动电机。
现场检测是整个控制系统的神经部分。它负责全车状态检测和位置检测。所有检测数据最终都交由PLC进行处理。
大跨距取料机的调偏方式一般采用目前比较先进的模拟量接近开关进行数据检测的方式，大跨距下的这种检测方式对控制系统的实时性、准确性和可靠性将达到一个新高度。
3、硬件设计及选型
PLC是控制系统的主控装置，它接受从输入设备（各类按钮，触摸屏及检测元件）送来的现场控制信息和状态信息，根据逻辑运算结果控制现场驱动电机的启停，并进行运行状态显示及故障诊断报警，从而实现对堆取料机的自动控制和监视。
这套堆取料机选用SIEMENS公司S7300系列PLC，它既有大型可编程控制器的灵活性和编程功能强的特点，又有小型可编程控制器体积小的优点，完全可以在PLC的控制下进行现有操作也可在以后进行功能升级和模块扩展。
触摸屏采用WinccFlexible控制器，它是西门子公司生产的一种人机操作界面（HMI），它具有防尘，防爆等优良性能，同时可以编辑现场仿真画面进行实时监控，控制过程更加安全可靠。
针对电厂的特殊情况，本套控制系统不再采用传统的电机用热继电器进行行过载保护的控制方式，而是采用了功能更加强大的电动机综合保护器，它具有短路，缺相及过载等多项保护，另外现场所有传感器均选用防爆型，从而进一步提高了控制系统的可靠性。其余主要低压元件均采用SIEMENS公司产品。
本套控制系统的通讯采用DP通讯协议，主控PLC与编程器之间以及触摸屏与编程器之间均采用Profibus通讯。
电气元件的具体选择型为：
1）可编程控制器：德国SIEMENS
CPU：6ES7315-2DP
数字量输入模块：6ES7321-1BH02-0AA0
数字量输出模块：6ES7322-1BH01-0AA0
模拟量输入模块：6ES7331-7KB02-0AB0
电源模块：6ES7307-1KA00-0AA0
机架：6ES7390-1AJ30-0AA0
编程软件：STEP7
2）触摸屏
触摸屏：MP377系列
编程软件：WinccFlexible
3）断路器：3VL系列
4）接触器：3TF31系列
5）中间继电器：3TF30系列
6）电动机综合保护器：DMP系列
7）软启动器：3RW44系列
8）变频器：MICROMASTER440
9）接线端子：万可280
10）行程开关：施耐德ZCK系列
4、结束语
近几年国内堆取料机的制造业发展非常迅速，堆取料机正朝着机型越来越大，控制要求越来越高方向发展。
具有国内领先技术水平的电厂大型堆取料机设计开发的成功势必会对国内将要建设的火力发电厂及选煤厂在设备选型方面产生重大影响。
【关键词】矩型料场；堆料机；电气控制系统
1、矩型堆场混匀堆取料机原理概述
矩型堆场混匀堆取料机一般用于钢铁，建材及能源企业原料场，通过堆料机将原料如铁矿粉、石灰石、原煤等均匀地堆放在矩型料场上，然后通过取料机全断面切片将物料输送给下一级设备。通过这一堆一取的过程来完成物料的混匀。
因此，其主要具备两种功能：存储功能和混匀功能。
正常工作时，堆料机和取料机在料场的两个不同区域内工作（如图一）。例如，如果堆料机在甲区工作则取料机在乙区工作，堆料机工作时在AB点间或CD点间往复运动，通过堆料机的往复运动物料被均匀地一层一层堆放在料场上，待将整个料场的二分之一被堆满时取料机便可取料。
取料机通过料耙的前后往复运动使物料向料堆底部滑落，最后通过取料机行走连续给进和刮板的配合将已被混匀的物料取走并输送给下一级生产设备。
一般情况下，矩型料场堆料机在堆料时要考虑物料的端堆效应，所谓端堆效应是指在堆料时，由于物料是由下至上一层压一层的堆积，在达到堆高后会在料堆的两侧形成两个半圆锥，这两个半圆锥内部的物料是一层压一层的，在最上面的物料是堆料机最后一次堆放的物料，而最里层贴近水平面的物料是最先堆积的，当取料机开始取料时首先要从半圆锥部分开始，那么先取到的料肯定是最后堆积的物料，而不能达到理想的全断面，把不同层的物料同时取到的要求。
为了达到混匀的目的，矩型料场堆料机一般采用变起点定终点的堆料方式，以甲区堆料为例，A点为终点，B点为起点，堆料机往左右行走，
当行走A点时停留一定时间后向B点行走，当行至B点时并不立刻停下来，而是要继续向前行走一个距离，然后再停留一定时间后向相反方向行走重复上面动作，每次从B点向前行走的距离都按一定规律变小一点，最终整个料堆堆积成图一所示甲区料堆部局。
开始堆料时，堆料机悬臂降至最低位置，从最低点开始堆料，在堆料机往复行走过程中料堆逐渐变高，在堆料机悬臂前部装有料位探测计，用于检测悬臂与料堆间的距离。
当料堆升至料位探测计动作时堆料机悬臂上升一定高度，以保证悬臂前端卸料点与料堆间保持最佳距离。为了最大程度的利用料场空间和减小设备冲击，当堆料机行至料堆两端堆时都要停留一定时间，这个时间是变化的，是随着料堆的升高逐渐变大的。
2、控制系统结构
矩型料场堆取料机控制系统框图如图二所示。
2.1地面电源箱、地面控制箱。
堆取料机分别有独立的地面电源箱和地面控制箱。地面电源箱将AC6KV的动力电源通过动力缆盘送至机上变电站。地面控制箱是堆取料机通讯的一个中转站，通过控制缆盘与继电器柜联接起来，地面控制箱主要有两个功能：
a.堆取料机联锁堆取料机属大型移动设备，而且在一个料场内工作，为了保证堆取料机能够在各自区域内安全地工作，不产生例如相撞等危险，要在堆取料机间联接通讯电缆。通过通讯电缆来实时传送堆料机和取料机的位置信息和状态信息。堆料机和取料机在接收到对方信息后与自身状态相比较，并作出判断，最后判断结论为正常时方可工作。
b.与中央控制室进行通讯现代化的设备要有现代化的管理。火电厂为了整体掌握和控制全厂设备，一般都设有中央控制室。中央控制室向堆取料机发出的指令和堆取料机向中央控制室发出的状态信息（例如：备妥信号（即控制室可以启机）；启动完毕信号（即运行信号）；位置信号（即本机在某一堆场）；正常取完信号；综合故障信号等，这些信号都是通过地面控制箱的中转来完成的。
2.2机上变电站。
机上变电站的主要功能是将AC6KV的动力电源变成AC380V的动力电源。机上变电站由两部分组成：高压控制柜和干式变压器。它具有独立完整的继电保护装置，通过一套与上级变电站相配合的继电保护装置可为机上各驱动部分和控制部分提供优良可靠的电源。
2.3低压电源柜。低压电源柜在接收到由机上变电站送来的AC380V动力电源后，一部分直接送给各驱动部分，另一部分要再经机上的电源装置二次转换为AC220V和DC24V的控制电源和系统工作电源。
另外，在低压电源柜装有交流变频装置和智能马达控制器。交流变频装置用于驱动取料机的工作行走驱动，工作行走驱动采用交流变频装置可减小取料机在工作行走启动过程中的冲击，使工作行走启动平稳；另外，可以通过调整交流变频装置的工作频率来改变取料机工作行走速度，进而来调整取料机的取料量。
智能马达控制器用于驱动取料机调车行走、堆料机行走和堆料机悬臂胶带机驱动。通过智能马达控制器的软启动、限流和限压等功能的设置可使取料机调车行走、堆料机行走和堆料机悬臂胶带机具有优良的启动特性，并在一定程度上减小启动压降。
2.4继电器柜
继电器柜分别安装于堆、取料机各机上的操作室内，是操作人员进行机上操作及信号显示的核心部分，并用以完成机上自动、手动、机旁的转换控制。 继电器柜主要用来隔离系统内的输入和输出信号。来自中控室的控制信号，现场采集信号经过继电器柜内的中间继电器隔离转换后送给PLC，PLC进行处理后发出相应的控制指令，控制指令经中间继电器隔离后再去控制堆、取料机各部分相应的动作。
2.5PLC柜
PLC柜是整套控制系统的核心部分。所有的逻辑和运算操作都是由PLC完成的。系统上电初始化后PLC立即对各被检测点进行数据采集，并对采集到的数据进行分析，运算。
如果设备正常则可以进行相关的操作，如果有故障则有相应的故障指示，并发出声光报警。在设备运行过程中PLC也对设备各被检测点进行实时的数据采集，有故障发生时PLC会发出相应的处理指令，进而保证设备的可靠安全运行。
2.6操作台
操作台是堆取料机机上操作的终端。除了常规的按钮操作外，堆取料机控制系统还设置了触摸屏操作模式。
触摸屏操作模式一方面可以使操作变得更直观，另一方面由于触摸屏上所有的操作都是下载于触摸屏内的程序与下载于PLC内的程序按照一定的通讯协议来完成的，这就在一定程度上简化了传统控制方式由于硬件线路过于复杂而使维修不便的缺点，提高了以后在使用过程中设备维修，保养的效率。
2.7现场驱动和现场检测
自动化控制系统最终控制目标是设备的各种具体动作，而各种具体动作最终都是由电机来完成的。因此可以讲，自动化控制系统的最终控制目标便是完成具体动作的现场各驱动电机。
堆料机的现场驱动是指：悬臂胶带驱动电机、整车行走驱动电机、动力缆盘驱动电机、控制缆盘驱动电机及悬臂俯仰液压驱动泵站。
取料机的现场驱动是指：整车工作行走驱动电机、整车调车行走驱动电机、耙车前后行液压驱动泵站、刮板驱动电机、动力缆盘驱动电机及控制缆盘驱动电机。
现场检测是整个控制系统的神经部分。它负责全车状态检测和位置检测。所有检测数据最终都交由PLC进行处理。
大跨距取料机的调偏方式一般采用目前比较先进的模拟量接近开关进行数据检测的方式，大跨距下的这种检测方式对控制系统的实时性、准确性和可靠性将达到一个新高度。
3、硬件设计及选型
PLC是控制系统的主控装置，它接受从输入设备（各类按钮，触摸屏及检测元件）送来的现场控制信息和状态信息，根据逻辑运算结果控制现场驱动电机的启停，并进行运行状态显示及故障诊断报警，从而实现对堆取料机的自动控制和监视。
这套堆取料机选用SIEMENS公司S7300系列PLC，它既有大型可编程控制器的灵活性和编程功能强的特点，又有小型可编程控制器体积小的优点，完全可以在PLC的控制下进行现有操作也可在以后进行功能升级和模块扩展。
触摸屏采用WinccFlexible控制器，它是西门子公司生产的一种人机操作界面（HMI），它具有防尘，防爆等优良性能，同时可以编辑现场仿真画面进行实时监控，控制过程更加安全可靠。
针对电厂的特殊情况，本套控制系统不再采用传统的电机用热继电器进行行过载保护的控制方式，而是采用了功能更加强大的电动机综合保护器，它具有短路，缺相及过载等多项保护，另外现场所有传感器均选用防爆型，从而进一步提高了控制系统的可靠性。其余主要低压元件均采用SIEMENS公司产品。
本套控制系统的通讯采用DP通讯协议，主控PLC与编程器之间以及触摸屏与编程器之间均采用Profibus通讯。
电气元件的具体选择型为：
1）可编程控制器：德国SIEMENS
CPU：6ES7315-2DP
数字量输入模块：6ES7321-1BH02-0AA0
数字量输出模块：6ES7322-1BH01-0AA0
模拟量输入模块：6ES7331-7KB02-0AB0
电源模块：6ES7307-1KA00-0AA0
机架：6ES7390-1AJ30-0AA0
编程软件：STEP7
2）触摸屏
触摸屏：MP377系列
编程软件：WinccFlexible
3）断路器：3VL系列
4）接触器：3TF31系列
5）中间继电器：3TF30系列
6）电动机综合保护器：DMP系列
7）软启动器：3RW44系列
8）变频器：MICROMASTER440
9）接线端子：万可280
10）行程开关：施耐德ZCK系列
4、结束语
近几年国内堆取料机的制造业发展非常迅速，堆取料机正朝着机型越来越大，控制要求越来越高方向发展。
具有国内领先技术水平的电厂大型堆取料机设计开发的成功势必会对国内将要建设的火力发电厂及选煤厂在设备选型方面产生重大影响。