自動化專業(yè)高爐上料控制器的畢業(yè)設(shè)計

1、河南科技學(xué)院2009屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）論文題目：高爐上料數(shù)字主令控制器的設(shè)計學(xué)生姓名： 所在院系： 所學(xué)專業(yè)： 導(dǎo)師姓名完成時間： 摘 要高爐上料是煉鐵生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，可靠完美的上料自動控制及數(shù)據(jù)采集對于高爐的順利穩(wěn)產(chǎn)、降低焦比、提高產(chǎn)量質(zhì)量起著重要的作用。本文所要論述的是卷揚(yáng)上料小車在運(yùn)行過程中，是如何設(shè)計一個完備精確的控制系統(tǒng)數(shù)字主令控制器，來對上料小車進(jìn)行位置檢測，以完成整個上料過程。關(guān)鍵詞：PLC，數(shù)字主令控制器，上料自動控制Desigh of Digital Master ControllerAbstractThe input of blast furnace stuff is

2、an important segment in iron works,and it is both the reliable perfect auto-control of stuff input and data gathering that plays a signaficant role in the blast furnaces successfully steady production,coking propotion reduction and increase of the quality and production.What this paper discusses is,

3、in the motion of windlass stuff input car,how the car measures the displacement to complete the process of the stuff input through the digital master controller.Key Words：PLC， Digital master controller， Auto-control of stuf 目 錄1 概況11.1 工業(yè)背景11.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r21.2.1 第一代主令開關(guān)21.2.2 第二代主令開關(guān)32 設(shè)計思想33 硬件設(shè)計53.1 控

4、制系統(tǒng)的組成53.2 可編程控制器53.3 數(shù)字主令控制器63.4 中央控制器73.5 變頻器73.5.1 交流變頻調(diào)速器的基本概念及原理73.5.2 交流變頻器的功能83.5.3 交流變頻器的控制93.6 旋轉(zhuǎn)編碼器93.7 工業(yè)現(xiàn)場措施104 軟件設(shè)計104.1 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)104.2 軟件編程中需解決的問題124.2.1 編碼轉(zhuǎn)換124.2.2 碼器過圈124.2.3 原點設(shè)定134.2.4 物體位置的計算134.2.5 限位輸出134.2.6 操作面板TD200編程組態(tài)134.2.7 保護(hù)功能134.3 軟件控制設(shè)置135 主要技術(shù)參數(shù)166 結(jié)束語17致謝17參考文獻(xiàn)18附錄 PL

5、C程序梯形圖191 概況1.1 工業(yè)背景現(xiàn)今，高爐工藝設(shè)備相對落后，原料利用效率低，環(huán)境惡劣，設(shè)備很多還是采用七十年代的有料鐘設(shè)備，備件龐大笨重，布料還是采用機(jī)械有機(jī)變速布料器。故布料不理想，不能做到均勻布料。卷揚(yáng)上料小車是高爐及其他工業(yè)豎爐的主要設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于冶金、有色金屬等行業(yè)。該設(shè)備在整個系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，它能否正常運(yùn)行直接影響高爐爐況、產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。高爐上料就是把各種料按工藝規(guī)定的重量比例，根據(jù)爐內(nèi)冶煉的狀況，以一定的順序和速度從料倉送入到爐內(nèi)。圖1是上料流程示意圖。圖1 上料流程示意圖下面按上料流程簡要概述一下各部分設(shè)備的功能：（1）料倉各種原料經(jīng)破碎后送入各自的料倉

6、，料倉中的料種是確定的。 原料靠自重滑入振動給料器。（2）振動給料器原料從料倉口堆積到振動器上， 由計算機(jī)發(fā)出進(jìn)料信號，振動器振動，原料落入到稱量斗中。（3）稱量斗稱量斗是整個控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。它是由三只壓力傳感器吊在支撐框架上。傳感器把重量變成線性的電信號，送入到放大器。放大器向計算機(jī)送出標(biāo)準(zhǔn)信號。計算機(jī)檢測此信號，控制振動器進(jìn)料或停止。稱量斗門由計算機(jī)控制開閉，把原料放到傳輸皮帶上。（4）翻板翻板距離皮帶終端10M，原料過翻板時，把翻板碰開，計算機(jī)以此信號檢測原料在皮帶上的位置。原料過翻板后， 運(yùn)行5秒鐘落入儲料斗。翻板回到閉合狀態(tài)， 表示該車料已全部過完。（5）儲料斗用來承接皮帶落料

7、9;待卷揚(yáng)小車下到位后，計算機(jī)控制其開門，原料落至小車中。（6）卷揚(yáng)小車待儲料斗關(guān)門， 計算機(jī)開動卷揚(yáng)小車把原料送入爐頂，倒入布料器內(nèi)。（7）布料器布料器是一個可旋轉(zhuǎn)偏心漏斗，用來把每車倒入的原料分配到預(yù)定的角度。（8）小鐘小鐘是隔離爐內(nèi)外的外閘門，每料車都由計算機(jī)控制開閉一次。（9）大鐘大鐘是隔離爐內(nèi)外的內(nèi)閘門。這兩道閘門防止?fàn)t內(nèi)煤氣向外泄露，保持爐內(nèi)壓力。計算機(jī)根據(jù)裝料制度來控制大鐘的開閉?！胺盅b”為每批料（三車）開閉一次。至此，上料流程完成。（10）探尺計算機(jī)控制其升降來檢測爐內(nèi)的料位。探尺帶動料位指示儀，把位移信號變換為標(biāo)準(zhǔn)信號送入計算機(jī)，計算機(jī)依此信號來確定是否上料。11本文就是要通

8、過PLC算法使用編碼器和變頻器的控制，對上料小車過程進(jìn)行精確的位置檢測。1.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 第一代主令開關(guān)行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。在實際生產(chǎn)中，將行程開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時，行程開關(guān)的觸點動作,實現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關(guān)是一種根據(jù)運(yùn)動部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似，廣泛用于各類機(jī)床和起重機(jī)械，用以控制其行程、進(jìn)行終端限位保護(hù)。在電梯的控制電路中，還利用行程開關(guān)來控制開關(guān)轎門的速度、自動開關(guān)門的限位，轎廂的上、下限位保護(hù)。按其結(jié)構(gòu)可分為直動式、滾動式、微動式和組合式。行程開關(guān)元件采用一

9、對動合觸頭、一對動斷觸頭和一個公共跳躍式接觸橋。在外力（撞塊）的作用下，觸頭借助于彈簧的拉力，使動合、動斷觸頭換接；當(dāng)外力作用消失后，則借助于彈簧的復(fù)位力自動復(fù)位。行程開關(guān)采用雙觸點動觸橋，可靠性極高；具有精確開關(guān)能力；使用簡便，接觸電阻小，耐壓能力強(qiáng)；適用于經(jīng)濟(jì)低端的應(yīng)用解決方案。但需接觸碰撞、有磨損；響應(yīng)速度低、精度差、接觸檢測容易損壞被檢測物及壽命短等缺點；由于與運(yùn)動機(jī)構(gòu)直接接觸,當(dāng)運(yùn)動機(jī)構(gòu)出問題時非常容易撞壞或接觸不良,影響PLC工作。在高爐上料過程中，我們在各個加速減速點分別安裝行程開關(guān)，通過上料小車對各個行程開關(guān)的撞擊來完成小車的變速過程。但行程開關(guān)處于十分惡劣的工業(yè)環(huán)境，一旦出現(xiàn)

10、故障未被及時發(fā)現(xiàn)就會造成無法挽救的工業(yè)事故。 第二代主令開關(guān)為了克服行程開關(guān)的缺點，就順勢產(chǎn)生了機(jī)械主令開關(guān)，它通過轉(zhuǎn)軸所轉(zhuǎn)的角度來控制小車的位置，從而實現(xiàn)上料小車的變速過程。機(jī)械主令開關(guān)是由機(jī)械凸輪和觸點組成，其工作還比較穩(wěn)定，但隨著時間的變化，機(jī)械主令開關(guān)的缺點逐漸暴露出來：觸電氧化接觸不好，主令凸輪轉(zhuǎn)軸運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活，造成料車上行速度不穩(wěn)，甚至引起中途停車等現(xiàn)象，影響高爐上料的效率，而且機(jī)械主令開關(guān)觸點部分故障較多，維護(hù)工作量大，調(diào)整不方便，控制精度低，壽命短。2 設(shè)計思想于是，數(shù)字主令控制開關(guān)便應(yīng)運(yùn)而生，本文就是要設(shè)計一種能夠克服前兩種開關(guān)的種種缺陷并且能對小車上料過程進(jìn)行精確檢測的控制器

11、數(shù)字主令控制器。數(shù)字主令控制器用程序邏輯代替機(jī)械凸輪的動作，以無觸點代替有觸點，這樣就避免了許多機(jī)械故障，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。數(shù)字主令控制器在工作時，由受控設(shè)備通過傳動機(jī)構(gòu)帶動編碼器一起旋轉(zhuǎn)，編碼器產(chǎn)生一系列位置碼并送到PLC的輸入端，在PLC內(nèi)部進(jìn)行譯碼、運(yùn)算、分析、累加等處理，同時與操作面板TD200中可調(diào)用的設(shè)定參數(shù)相比較，在合適的位置發(fā)出相應(yīng)的控制信號，從而達(dá)到控制目的。智能主令控制器通過編碼器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的位置碼實現(xiàn)對現(xiàn)場物體位移的檢測，同時與操作面板TD200通訊，TD200實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、位置設(shè)定和報警。數(shù)字主令控制器主要由現(xiàn)場變送單元、連接電纜、主控單元3部分組成?，F(xiàn)場變送單元由

12、機(jī)座、傳動機(jī)構(gòu)和絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器組成，主控單元由西門子PLC S7200、西門子TD200操作面板、輸出繼電器、控制電源組成，現(xiàn)場變送單元通過連接電纜連接到主控單元組成數(shù)字主令控制器。整個數(shù)字主令控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖2。圖2 數(shù)字主令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖數(shù)字主令控制器的特點：(1) 運(yùn)行可靠。該主令控制器設(shè)計思想是用弱電控制強(qiáng)電，用程序邏輯代替機(jī)械凸輪的動作，以無觸點代替有觸點，這樣就避免了許多機(jī)械故障，從而提高了主令控制器運(yùn)行的可靠性。(2)反應(yīng)速度快。由于主令采用可編程控制器進(jìn)行控制，因此其響應(yīng)速度非常快，可達(dá)微秒級。(3)分辨率高。該主令控制器的分辨率由編碼器的分辨率決定，可以達(dá)到毫米級，精度

13、非常高，能夠適應(yīng)需要精確定位和精確限位控制的場合。而老式主令控制器采用凸輪閉合、斷開觸點，其精度低，不能適應(yīng)自動控制過程精確的需要。(4)反應(yīng)迅速。該主令控制器的調(diào)節(jié)無需任何工具，僅需對TD200操作面板進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可達(dá)到調(diào)整的目的，與老式主令控制器相比，可以節(jié)約時間，減少職工的勞動強(qiáng)度，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。(5)運(yùn)行中調(diào)整?？稍谠O(shè)備運(yùn)行狀態(tài)中進(jìn)行調(diào)整，設(shè)備不必停車即可對控制信號的輸出位置通過TD200操作面板進(jìn)行微調(diào)。(6)數(shù)字顯示。在被測物體運(yùn)行期間可以方便地從操作面板TD200上觀察出其所處的位置。(7)遠(yuǎn)程通訊。該主令控制器具有遠(yuǎn)程通訊功能，可以直接和其他控制系統(tǒng)(如PLC系統(tǒng)、工業(yè)控制

14、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng))相連接。12高爐高度一般情況下超過40m，而料車軌道長通常也大于50m。上料系統(tǒng)通過鋼絲繩連將料車接到卷揚(yáng)滾筒上。根據(jù)高爐生產(chǎn)工藝要求，料車在上升或下降過程中，由于卷揚(yáng)機(jī)工作功率在220kw左右，需要料車有個慢啟動的過程，但料車速度一直較低也同時降低了系統(tǒng)的工作效率。作為補(bǔ)償，在料車啟動一段路程后要將其加速。在接近停車點的時候，為了保障系統(tǒng)安全性，要提前將料車減速，使其能夠準(zhǔn)確停在終點處。這種情況下，整個卷揚(yáng)機(jī)對上料小車的控制便需遵循由慢逐漸到快、再由快逐漸轉(zhuǎn)慢的過程。本文所要論述的是卷揚(yáng)上料小車在運(yùn)行過程中，是如何設(shè)計一個完備精確的控制系統(tǒng)數(shù)字主令控制器，來對上料小車進(jìn)行位置檢測，

15、以完成整個上料過程。3 硬件設(shè)計3.1 控制系統(tǒng)的組成整個系統(tǒng)控制規(guī)模大、工業(yè)環(huán)境惡劣，不但要求有數(shù)據(jù)處理、變頻控制、料車位置顯示、故障報警、模糊控制(根據(jù)爐況和產(chǎn)量調(diào)整上料周期)等功能，而且控制精度要求較高，可充分利用PLC的軟硬件資源。系統(tǒng)配置包括數(shù)字主令器、中央控制器、變頻器等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。21CRT智能主令S7_200PLC變頻器卷揚(yáng)CP5611通信卡LQ_1600K圖3 料車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.2 可編程控制器可編程控制器（PLC）是一種為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的計算機(jī)，它應(yīng)用微電子技術(shù)，按照用戶編制的程序?qū)崿F(xiàn)控制和數(shù)據(jù)處理功能的組合器件，由于其可靠性高、編程簡單、易于維護(hù)而廣泛

16、應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可用PLC完成所有的過程控制、數(shù)據(jù)采集、自動調(diào)節(jié)、事故處理及報警等工作。工控機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)控和人機(jī)對話，具有工藝流程監(jiān)控、模擬儀表顯示、報警記錄、報表打印、實時趨勢、歷史趨勢等。PLC和工控機(jī)通過動態(tài)數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)點對點通訊，控制與監(jiān)控分開，可靠性高?？蓪崿F(xiàn)高爐上料完全自動化，大大提高了高爐入爐礦成分穩(wěn)定性，使?fàn)t溫穩(wěn)定、焦比降低，對高爐順行穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)具有重要的作用。其主要特點是：(1)可編程序控制器具有較高的可靠性和很強(qiáng)的抗干擾能力，能夠在惡劣的環(huán)境中可靠地工作，平均無故障時間長，故障修復(fù)時間短。(2)可編程序控制器編程簡單，使用方便，操作人員能夠在較短的時間內(nèi)掌握編程和使用技

17、術(shù)；它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受，梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近。(3)可編程序控制器具有數(shù)學(xué)運(yùn)算(含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與儲存在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通訊功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼?4)可編程序控制器具有較高的靈活性、較強(qiáng)的信息處理能力以及較多的功能。(5)可編程序控制器具有能實現(xiàn)互相通信以及與其它智能設(shè)備間的通信。正因為采用可編程序控制器控制方案具有一定的優(yōu)越性，故我們決定對高爐生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)采用可編程序

18、控制器控制方案。133.3 數(shù)字主令控制器數(shù)字主令控制器由絕對值編碼器、主控單元組成。絕對值編碼器安裝在現(xiàn)場，與受控設(shè)備傳動軸柔性連接。主控單元由SIEMENS操作面板TD200、S7200PLC等組成，安裝在控制室或操作室內(nèi)。編碼器和連接電纜將現(xiàn)場位置信號送至主控單元，共同構(gòu)成數(shù)字主令控制器。數(shù)字主令控制器系統(tǒng)示意圖見圖4。圖4 數(shù)字主令控制器系統(tǒng)示意圖它是由西門子s7200PLC控制的新一代裝置，由主控單元、現(xiàn)場變送單元、連接電纜等主要部件組成，現(xiàn)場變送單元與卷揚(yáng)電機(jī)傳動軸鋼性連接，通過旋轉(zhuǎn)編碼器和電纜將現(xiàn)場料車位置信號送至主控單元。主控單元與現(xiàn)場變送單元通過連接電纜連接，共同組成智能主令

19、控制器。智能主令控制器的輸出送給主控室內(nèi)的中央控制器和變頻器，從而實現(xiàn)對料車上料情況的控制和監(jiān)視。3.4 中央控制器中央控制器采用西門子S7-200PLC和工控機(jī)構(gòu)成DCS系統(tǒng)。S7-200PLC作為下位機(jī)來實現(xiàn)所有信號的采集、運(yùn)算、調(diào)節(jié)，其特點是：模塊化、無排風(fēng)結(jié)構(gòu)、易于實現(xiàn)分散、運(yùn)行可靠、性價比高。CP5611卡為S7-200PLC與工控機(jī)的通信接口卡，即通過上位機(jī)鍵盤直接設(shè)計參數(shù)給PLC，同時PLC實時將由智能主令控制器傳來的料車位置和狀態(tài)信號傳給上位機(jī)，通過上位機(jī)編程軟件將信號以直觀方式顯示在終端顯示屏CRT上，從而實現(xiàn)實時地、動態(tài)地觀察料車在整個上料過程中的運(yùn)行位置和狀態(tài)，并實現(xiàn)對料

20、車的在線控制。3.5 變頻器隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，在原有變極、滑差離合、串級及可控硅無級涮速等調(diào)速裝置的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了新一代的大功率晶體管交流變頻調(diào)速器，可實現(xiàn)對交流異步電動機(jī)無級調(diào)速。 交流變頻調(diào)速器的基本概念及原理交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為： （1）式中：f 電源頻率p 電動機(jī)極數(shù)s 電動機(jī)轉(zhuǎn)差率從上式中得知：異步電動機(jī)的調(diào)速，可以用改變電動機(jī)的極對數(shù)、轉(zhuǎn)差率和電源頻率三種方法來實現(xiàn)。變極調(diào)速雖然簡單可靠但調(diào)速范圍極為有限。如雙速、三速電動機(jī)。電磁滑差離合器和串級調(diào)速均屬于改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速，這類調(diào)速方法前者的機(jī)械特性軟(轉(zhuǎn)速受負(fù)載的影響大)，后者的功率因數(shù)低、污染電網(wǎng)，而且其調(diào)速方法都要更換

21、原來的電動機(jī)?？煽毓锜o級調(diào)速，要更換直流電動機(jī)，低速特性比較軟，而且還存在可控硅導(dǎo)通關(guān)斷難等問題。交流變頻調(diào)速器可以不改變原有可靠耐用的交流異步電動機(jī)，安裝、操作和維修都很簡單，且具有機(jī)械特性硬、調(diào)速范圍寬(2.450HZ)過載能力強(qiáng)，調(diào)速精度和效率高等優(yōu)點。因此，交流變頻調(diào)速器是交流異步電動機(jī)的理想調(diào)速方法。其原理是采用大功率晶體管(GTR)，代替可控硅(SCR)作逆變器主元件，用交一直一交及大電容濾波組成主控電路。當(dāng)電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上采用恒功率調(diào)速，因此調(diào)速范圍很寬。圖5為全部調(diào)速范圍內(nèi)的特性曲線。圖5 異步電動機(jī)變頻調(diào)速時的機(jī)械特性異步電動機(jī)在變頻調(diào)速時，可

22、以實現(xiàn)舊象限運(yùn)行。在連續(xù)提高頻率欲使電動機(jī)加速運(yùn)行時，如圖6，頻率由f1一f2變化時，電動機(jī)沿123曲線加速，轉(zhuǎn)速為n1n2n3達(dá)到n3運(yùn)行，加速時間為： （2） (其中：為電動機(jī)及其負(fù)載所折合到電機(jī)軸的總飛輪慣量，n為轉(zhuǎn)速變化節(jié)，T為加速轉(zhuǎn)矩)。當(dāng)電動機(jī)下降運(yùn)行時處在第二象限的再生發(fā)電狀態(tài)，不但不消耗電能，同時還產(chǎn)生電能通過變頻裝置回饋給電網(wǎng)。圖6 異步電動機(jī)變調(diào)速的加速過程 交流變頻器的功能交流變頻器分為變頻單元（逆變側(cè)）和供電單元（整流側(cè)）兩部分。這里是用兩個程序來實現(xiàn)對它們的分別控制。通過PLC編程實現(xiàn)可編程控制器對交流變頻單元的控制，要求如下：可實現(xiàn)對變頻器的命令發(fā)送和接送。通過速度

23、方向信號的接受和發(fā)送，可以控制變頻器單元對電機(jī)的供電，從而使電機(jī)按照相應(yīng)的方式運(yùn)轉(zhuǎn)。具有速度給定功能?？删幊炭刂破髋c變頻單元之間通過L2總線通信，對于速度給定可以是PLC給出也可以是人機(jī)界面設(shè)定的值。具有故障檢測、分析能力。與外部檢測信號結(jié)合，當(dāng)查明有故障時，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)并給出故障報警信號。可以提供狀態(tài)查詢功能。通過使用對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，裝置的狀態(tài)信息要寫入對應(yīng)的數(shù)據(jù)字中，可以被其他程序或HMI設(shè)備使用。可以進(jìn)行速度高低限制。通過設(shè)定最低和最高轉(zhuǎn)速，通過對變頻單元的控制實現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的控制。 交流變頻器的控制高爐卷揚(yáng)上料系統(tǒng)采用了施耐德公司生產(chǎn)的ATV68型變頻器，以此來實現(xiàn)對卷揚(yáng)電機(jī)速度的調(diào)

24、節(jié)，其接線原理見圖3。變頻器上由兩個速度控制信號輸入端子A、B，可設(shè)定4種運(yùn)行狀態(tài)即00、0l、10、11，從而可以實現(xiàn)前面提到的料車在上料過程中的運(yùn)行特性，保證高爐生產(chǎn)工藝的要求。卷揚(yáng)電機(jī)拖動料車運(yùn)行過程中，變頻器可以通過接入的制動電阻實現(xiàn)快速穩(wěn)步的停車，以確保設(shè)備安全。變頻器具體參數(shù)設(shè)定如表所示(表中頻率值為高爐目前設(shè)定值，可根據(jù)高爐的生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行修改)。16圖7 變頻器參數(shù)設(shè)定 本文所設(shè)計的主令控制器就是通過PLC的運(yùn)算來控制變頻器和編碼器的運(yùn)行，以達(dá)到控制上料小車速度的目的。3.6 旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器通過檢測滾筒的旋轉(zhuǎn)角度并進(jìn)行編碼，然后將編碼信號輸入到PLC。PLC作為控制核心

25、主要由CPU、開關(guān)量輸入、輸出等組成。PLC通過接收編碼信號，然后經(jīng)CPU譯碼，將編碼器輸出的格雷碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換，計算出料車的上下行位移，即可判斷料車在導(dǎo)軌所處的位置，并與操作面板中設(shè)定的參數(shù)相比較。然后通過繼電器控制DDC的輸入達(dá)到控制料車減速、停車等目的。安裝數(shù)字主令控制器時，將編碼器通過齒輪與滾筒齒輪相連，PLC與操作面板固定在控制器內(nèi)，將控制箱安裝在卷揚(yáng)機(jī)房，用支架固定；將編碼器信號輸出通過屏蔽電纜連接到控制箱端子排，并將PLC繼電器輸出通過操作線連接到卷揚(yáng)配電室內(nèi)的繼電器柜，再由繼電器控制DDC的輸入，這樣就實現(xiàn)了弱電控制強(qiáng)電。安裝時應(yīng)注意以下事項：安裝時避免敲擊編碼器軸，以免損壞；安裝

26、環(huán)境應(yīng)通風(fēng)，環(huán)境溫度-lO5O ，避免塵埃及腐蝕性氣體避免陽光直曬；控制線盡量避開高壓線，以防干擾；鋼絲繩老化拉伸后，各控制點位置編碼對應(yīng)的實際物理位置將相應(yīng)發(fā)生變化，應(yīng)隨時微調(diào)；原點變化后，各控制點位置相對距離仍會保持，原點數(shù)值調(diào)整應(yīng)慎重。3.7 工業(yè)現(xiàn)場措施現(xiàn)場的工業(yè)干擾是十分嚴(yán)重的，尤其是大的設(shè)備諸如卷揚(yáng)機(jī)的啟停，造成電源電壓大幅度下跌（220V電源可跌至160V）。各類控制線、儀表線都交織在一起，電磁輻射干擾也很嚴(yán)重。在這樣的環(huán)境中，必須從各方面加強(qiáng)計算機(jī)的抗干擾能力，否則整個控制系統(tǒng)的功能再好，也沒有實用意義。我們主要采取以下措施：(1)采用了STD BUS工業(yè)控制機(jī)；(2)主機(jī)電源

27、與接口電源分相；(3)機(jī)內(nèi)配置低通濾波器(4)各通道接口均采取電器隔離措施；(5)機(jī)殼可靠接地，利用機(jī)殼屏蔽；(6)模擬量信號與開關(guān)量信號分離；(7)模擬量信號用電流環(huán)傳輸。傳輸屏蔽線與控制線分槽揍線；(8)輸出控制信號采用過零觸發(fā)的固體繼電器。以上措施有力地保證了計算機(jī)的抗干擾能力。在現(xiàn)場惡劣的環(huán)境中，不會發(fā)生因干擾而沖亂程序的現(xiàn)象。4 軟件設(shè)計4.1 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)高爐卷揚(yáng)上料系統(tǒng)主要工作過程：各種原料經(jīng)過槽下配料放入中間料斗，料車到料坑后，中間料斗把料放入料車，中間料斗閘門關(guān)到位，并且爐頂準(zhǔn)備好后，料車啟動，經(jīng)過加速1加速2加速3勻速減速1減速2減速3，到達(dá)爐頂。在工作過程中兩個料車交替

28、上料，當(dāng)裝滿爐料的料車上行時空料車下行，空車質(zhì)量相當(dāng)于一個平衡錘，平衡了重料車的車箱自重，這樣當(dāng)上行或下行兩個料車用一個卷揚(yáng)機(jī)拖動時，不但節(jié)省了電動機(jī)的功率，而且電動機(jī)運(yùn)行時，總有一個重料車上行，沒有空行程，這樣拖動電動機(jī)總是處于電動狀態(tài)運(yùn)行。這種高爐卷揚(yáng)上料系統(tǒng)有以下特點：(1)能夠頻繁啟動、制動、停車、反向，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)過渡時間短。(2)能夠按一定的速度運(yùn)行。(3)能廣泛的調(diào)速。(4)系統(tǒng)工作可靠。根據(jù)料車上料過程中速度曲線圖，確定變頻器的頻率變化情況如圖8所示。圖8 變頻器的頻率變化情況根據(jù)高爐生產(chǎn)工藝要求，料車在上升或下降過程中，由于卷揚(yáng)機(jī)工作功率在220kw左右，需要料車有個慢啟動的過程

29、，但料車速度一直較低也同時降低了系統(tǒng)的工作效率。作為補(bǔ)償，在料車啟動一段路程后要將其加速。在接近停車點的時候，為了保障系統(tǒng)安全性，要提前將料車減速，使其能夠準(zhǔn)確停在終點處。這種情況下，整個卷揚(yáng)機(jī)對上料小車的控制便需遵循由慢逐漸到快、再由快逐漸轉(zhuǎn)慢的過程。確定智能主令控制器的改變速度信號的輸出點(圖3中的AF點)，即一加速、二加速、三加速、一減速、二減速、三減速等信號輸出點。相應(yīng)的信號送給變頻器，變頻器根據(jù)這些信號改變頻率來實現(xiàn)料車上料過程中由初態(tài)一I速一II速一III速一II速一I速一停車的變化過程。PLC首先向變頻器發(fā)出運(yùn)行控制信號(圖9中的Q0.0正轉(zhuǎn)、Q0.1反轉(zhuǎn))，變頻器接收到運(yùn)行信號

30、后發(fā)出輸出頻率動作信號，接著打開抱閘，變頻器開始起動。主令控制器根據(jù)料車運(yùn)行位置依次輸出改變速度的信號，使變頻器及時按圖3特性曲線改變頻率，從而控制料車按照圖3特性運(yùn)行。其電氣原理圖如圖9所示。圖9 料車控制原理根據(jù)爐況和產(chǎn)量要求，可以通過修改智能主令的速度變化信號輸出點和變頻器在不同階段的頻率設(shè)定值來改變料車的運(yùn)行模式和速度，從而改變料車的上料周期，以達(dá)到不同情況下高爐生產(chǎn)工藝的要求。為確保載料小車在生產(chǎn)過程及調(diào)試檢修時的安全，在PLC中設(shè)置了料車到底(圖4中的SQ1、SQ2)、鋼絲繩未松開(圖4中的Kx1、Kx2)、變頻器無故障(圖4中的KA5)等信號，只有這些條件都具備，才能開始啟動系統(tǒng)

31、，料車才能實現(xiàn)延時上料并按照要求對高爐上料。否則，系統(tǒng)會發(fā)出故障報警信號，提醒維修人員解除故障。4.2 軟件編程中需解決的問題 編碼轉(zhuǎn)換為提高抗干擾性，編碼器選用格雷碼輸出。而PLC只能識別二進(jìn)制碼，故需要用軟件實現(xiàn)從格雷碼到二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換。4.2.2 碼器過圈如果選用多圈編碼器，則不存在此問題。若選用單圈編碼器，應(yīng)選用軟件檢測編碼器過圈時的編碼變化，用計數(shù)器記圈，多圈碼數(shù)= 圈數(shù)×編碼器分辨率+當(dāng)前碼數(shù)，于是可以得出多圈的實際位置碼數(shù)。 原點設(shè)定原點是一個參考點，對應(yīng)物體整個行程中一個具體的物理位置，在PLC中的編碼為“0”，根據(jù)需要可以把物體在行程中任一位置的編碼設(shè)定為原點。被測

32、物體的實際位置對應(yīng)的編碼稱“當(dāng)前位”，被測物體“當(dāng)前位”及其設(shè)定的限位都以“原點”為參考點。它反映了被測物體當(dāng)前所在位置以參考點“原點”為坐標(biāo)的位置(編碼數(shù))。當(dāng)原點所對應(yīng)的實際物理位置發(fā)生變化時，“當(dāng)前位”及其他限位所反映的實際物理位置都會發(fā)生相應(yīng)變化。 物體位置的計算被測物體在整個行程中任一位置都在PLC中有一個相對于“原點”的編碼，這些編碼按十進(jìn)制整數(shù)連續(xù)排列(-32767至+32767)，它們反映了物體當(dāng)前位置與原點之間的距離關(guān)系(點數(shù))，也就是用數(shù)字反映了物體的實際位置，通過點數(shù)(mm點)可以計算出當(dāng)前位置到原點位置的精確距離。精度計算：如被測物體在某一位置“當(dāng)前位”是0，在另一位置

33、是1000，則整個行程是1000個點。如被測物體實際物理行程是30m，則每個點對應(yīng)：30000 mm1000=30砷，也就是“當(dāng)前位”每增加1個點，被測物體實際運(yùn)行約30mm；每減少l點物體反向運(yùn)行30砌。主令精度就是30mm點。 限位輸出“當(dāng)前位”編碼與在PLC內(nèi)部的設(shè)定值比較，當(dāng)滿足條件時，主令控制器輸出一個狀態(tài)(接通或斷開)，參與系統(tǒng)控制或連鎖，起到限位的作用。 操作面板TD200編程組態(tài)SIEMENS的STEP7 Micro WIN編程軟件中有TD200的編程向?qū)?，通過它可以自動生成與PLC通訊的數(shù)據(jù)塊，PLC使用該數(shù)據(jù)塊，能夠完成設(shè)定、顯示控制功能。 保護(hù)功能被測物體實際速度已知，可

34、以計算出編碼器在PLC每個掃描周期中被測物體由位置變化所引起的碼數(shù)變化量，若此變化量超過正常值，則認(rèn)為主令控制器出現(xiàn)故障(可能由編碼器連接線斷引起或超速)。若被測物體是位能負(fù)載，則可根據(jù)被測物體運(yùn)動方向指令和碼數(shù)變化方向是否相同，檢測被測物體傳動軸是否與編碼器軸脫開或溜車，檢測到故障后發(fā)出報警或停車指令。184.3 軟件控制設(shè)置要實現(xiàn)功能全面的變頻器裝置控制程序，首先要設(shè)置相應(yīng)的電機(jī)速度和方向上的控制信號以及系統(tǒng)的狀態(tài)檢測信號，最后還要確定輸出信號與數(shù)據(jù)的使用。先來分析一下所需的輸入控制信號，在一個大型系統(tǒng)中對電氣設(shè)備的控制一般會設(shè)置人機(jī)操作界面來輔助進(jìn)行，所以設(shè)置PLC控制和HMI控制兩種方

35、式。同時考慮到電機(jī)本身的控制要求，還需要設(shè)置方向速度控制信號，速度極限信號和故障信號等，另外處于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目紤]，還需要設(shè)定專用的驅(qū)動數(shù)據(jù)字用于存放裝置的驅(qū)動數(shù)據(jù)。再來分析一下輸出信號的需求。對于這樣一個系統(tǒng)子程序，首先需要的輸出信號是對電機(jī)工作方式的4種啟動信號，裝置啟動準(zhǔn)備好信號以及相關(guān)的故障信號輸出。下面對設(shè)計使用的信號進(jìn)行詳細(xì)的介紹，按照輸入輸出對信號進(jìn)行區(qū)分。先來看驅(qū)動變頻單元程序的輸入信號設(shè)置。如表1所示為變頻單元驅(qū)動程序設(shè)置的輸入?yún)?shù)表。表1 變頻單元驅(qū)動程序設(shè)置的輸入?yún)?shù)表表示代碼功能說明總線地址ADR變頻單元的L2總線地址存儲數(shù)據(jù)塊DXNR用于驅(qū)動變頻單元的數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)塊人機(jī)

36、控制設(shè)定轉(zhuǎn)速HMI是否是由人機(jī)操作站來設(shè)定電動機(jī)轉(zhuǎn)速合閘AEIN變頻單元電源合閘運(yùn)轉(zhuǎn)SP0速度大于零時輸出方向1速度1MC11方向1速度1運(yùn)轉(zhuǎn)指令方向2速度1MC21方向2速度1運(yùn)轉(zhuǎn)指令方向1速度2MC12方向1速度2運(yùn)轉(zhuǎn)指令方向2速度2MC22方向2速度2運(yùn)轉(zhuǎn)指令方向1速度3MC13方向1速度3運(yùn)轉(zhuǎn)指令方向2速度3MC23方向2速度3運(yùn)轉(zhuǎn)指令外部故障EXTF變頻單元外部故障信號PLC反饋PLC給PLC的反饋信號故障確認(rèn)QUIT故障確認(rèn)信號輸入系數(shù)FAKT轉(zhuǎn)速計算系數(shù)HMI快速FAST人機(jī)界面設(shè)置快速速度值PLC慢速SLOWPLC慢速速度值HMI慢速SLOC人機(jī)界面設(shè)置慢速速度值驅(qū)動數(shù)據(jù)字DA

37、DR用于裝置的驅(qū)動數(shù)據(jù)字續(xù)表1表示代碼功能說明診斷地址DW裝置信息存儲數(shù)據(jù)字Q區(qū)QCA用于存放地址的PLC的Q區(qū)最后是程序的輸出，主要包括電機(jī)的驅(qū)動信號以及相關(guān)的狀態(tài)信息。表2是對程序的變頻單元控制子程序輸出信號表。表2 變頻單元控制子程序輸出信號表名稱代碼狀態(tài)說明方向1速度1命令輸出RD11電動機(jī)在方向1以速度1運(yùn)轉(zhuǎn)控制信號方向2速度1命令輸出RD21電動機(jī)在方向2以速度1運(yùn)轉(zhuǎn)控制信號方向1速度2命令輸出RD12電動機(jī)在方向1以速度2運(yùn)轉(zhuǎn)控制信號方向2速度2命令輸出RD22電動機(jī)在方向2以速度2運(yùn)轉(zhuǎn)控制信號方向1速度3命令輸出RD13電動機(jī)在方向1以速度3運(yùn)轉(zhuǎn)控制信號方向2速度3命令輸出RD

38、23電動機(jī)在方向2以速度3運(yùn)轉(zhuǎn)控制信號變頻單元合閘就緒EBER變頻單元就緒，等待合閘合閘REIN變頻裝置合閘信號變頻單元運(yùn)行就緒FBER變頻單元準(zhǔn)備好等待運(yùn)轉(zhuǎn)信號變頻單元故障FEHL變頻單元故障信號輸出變頻單元報警WARN變頻單元故障報警信號PLC為主PZD給PLC的反饋信號為主控信號速度大于0SP1電動機(jī)速度大于0電流值IIST用于HMI的變頻裝置電流值急停2AUS2緊急停止信號2急停3AUS3緊急停止信號3總線故障BUSF通信總線故障再來看驅(qū)動變頻器供電單元程序的輸入信號設(shè)置參數(shù)表3。表3 供電單元控制程序輸入?yún)?shù)表名稱代碼功能說明總線地址ADR變頻單元的L2總線地址驅(qū)動數(shù)據(jù)塊DXNR用于

39、驅(qū)動變頻單元的數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)塊合閘AEIN變頻單元電源合閘運(yùn)轉(zhuǎn)SP0速度大于0時給出方向1速度1MC11方向1速度1時運(yùn)轉(zhuǎn)指令續(xù)表3名稱代碼功能說明方向2速度1MC21方向2速度1時運(yùn)轉(zhuǎn)指令方向1速度2MC12方向1速度2時運(yùn)轉(zhuǎn)指令方向2速度2MC22方向2速度2時運(yùn)轉(zhuǎn)指令方向1速度3MC13方向1速度3時運(yùn)轉(zhuǎn)指令方向2速度3MC23方向2速度3時運(yùn)轉(zhuǎn)指令外部故障EXTF變頻單元外部故障信號PLC反饋PLC給PLC的反饋信號故障確認(rèn)QUIT故障確認(rèn)信號輸入變頻單元故障ST-1從變頻單元發(fā)出的故障信號變頻單元總線故障BF-1變頻單元給出的總線通信故障診斷地址DADR裝置信息存儲數(shù)據(jù)字地址Q區(qū)QC

40、A用于存放地址的PLC的Q區(qū)供電單元控制程序的輸出信號主要包括電源單元的合閘信號以及相關(guān)的狀態(tài)信息，表4是對程序的輸出信號進(jìn)行了分析。表4 供電單元控制子程序輸出信號表名稱代碼狀態(tài)說明供電單元合閘就緒EBER供電單元就緒，等待合閘合閘REIN供電單元裝置合閘信號供電單元運(yùn)行就緒FBER供電單元準(zhǔn)備好等待運(yùn)轉(zhuǎn)信號供電單元故障FEHL供電單元故障信號輸出供電單元報警WARN供電單元故障報警信號PLC為主PZD給PLC的反饋信號為主控信號總線故障BUSSF通信總線故障通過上述分析，可以看到對于變頻裝置的變頻和供電單元進(jìn)行控制所需要使用的一些輸入和輸出信號。如果考慮周全一些，其相關(guān)的問題會很多，這里的

41、實現(xiàn)是對常見的控制需求語言進(jìn)行的。另外對于數(shù)據(jù)字的使用專門設(shè)置了HMI通信數(shù)據(jù)塊實現(xiàn)。利用西門子STEP7軟件編寫PLC梯形圖程序進(jìn)行速度控制，如附錄一所示。5 主要技術(shù)參數(shù) (1)電壓/頻率范圍：85264VAC，4763HZ；(2)輸出類型：繼電器，干接點（PLC本身繼電器）；(3)最大負(fù)載電流：2A/點（PLC本身繼電器輸出）；(4)開關(guān)延時：最大10ms；(5)壽命：10000000次；額定負(fù)載時100000次；(6)輸出隔離：線圈對接點：1500VAC/min； 接點對接點：1500VAC/min；(7)功耗：9W；(8)輸出點數(shù)：10（可擴(kuò)展）；(9)輸入點數(shù)：14點（可擴(kuò)展），響應(yīng)時間0.2ms；(10)記憶功能：（寫入壽命10萬次）；(11)主控單元到現(xiàn)場編碼器單元距離：280m（如主控單元到現(xiàn)場編碼器距離較遠(yuǎn)，可以選用Profibus總線編碼器）。電源選PS3072A,插入1號槽。CPU選CPU315，6