卷揚機(jī)自動控制系統(tǒng)

1、卷揚機(jī)自動控制系統(tǒng)、乙前言1. 系統(tǒng)的背景和研究意義高爐上料卷揚機(jī)是高爐冶金系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一， 當(dāng)前多數(shù)的高爐卷揚機(jī)的調(diào)速方式傳奇串電阻調(diào)速，但電阻容易燒毀，加上卷揚機(jī)鋼絲繩松緊程度不一，有時出現(xiàn)料車“掛頂”事故，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)，因此需要此系統(tǒng)進(jìn)行改造。本文給出了一種基于矢量控制的電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)方案， 使系統(tǒng)具有較好的工作性能。同時采用PLC控制保證調(diào)速控制精度，考慮控制電路的空干擾措施，對硬、 軟件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，從而保證了系統(tǒng)控制的可靠性和安全性。技術(shù)的發(fā)展及工作特點PLC 的概述可編程邏輯控制器， 及 PLC， 是一種可編程的存儲器， 用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、

2、定時、技術(shù)與計算操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入 / 輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC 的發(fā)展20 世紀(jì) 70 年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程邏輯控制器，可使編程邏輯控制器增加了運算、 數(shù)據(jù)傳送及處理等功能， 完成了真正具有計算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。 此時的可編程邏輯控制器為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。 個人計算機(jī)噶站起來后， 為了方便和反映可編程控制器的功能特點，可編程邏輯控制器定名為 PLC( Programmable Logic Controller ) 。20 世紀(jì) 70 年代終末期，可編程邏輯控制器進(jìn)入實用化發(fā)展階段，計算機(jī)技術(shù)已全面引

3、入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、 超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運算、 PID 功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20 世紀(jì) 80 年代初，可編程邏輯控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多， 產(chǎn)量日益上升。 這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。20 世紀(jì) 80 年代至 90 年代中期，是可編程邏輯控制器發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為3040%在這時期，PLC在處理模模擬量能力、數(shù)字運算能力、 人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高， 可編程邏輯控制器逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治

4、地位的DC繇統(tǒng)。20 世紀(jì)末期， 可編程邏輯控制器的發(fā)展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。這個時期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)、 誕生了各種各樣的特殊功能單元、 生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、 通信單元， 使應(yīng)用可編程邏輯控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。PLC 的工作特點可編程邏輯控制器具有以下鮮明的特點。一、系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴(kuò)展容易，以開關(guān)量控制為其特長；也能進(jìn)行連續(xù)過程的PID回路控制；并能與上位機(jī)構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如DDG口 DC駢，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的綜合自動化。二、 適用方便， 編程簡單， 采用簡明的梯形圖、 邏輯圖或語句表等編程語言，而無需計算機(jī)知識，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調(diào)試容易。另外，可在線

5、修改程序，改變控制方案而不拆動硬件。三、能適應(yīng)各種惡劣的運行環(huán)境，抗干擾能力強，遠(yuǎn)高于其他各種機(jī)型。3. 變頻器技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用變頻器的概述變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)， 通過改變電機(jī)工作電源方式來控制交流電動機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器的發(fā)展變頻器技術(shù)誕生背景是交流電機(jī)無極調(diào)速的廣泛需求。 傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)因體積大的故障效高而應(yīng)用受限。20 世紀(jì) 60 年代后，電力電子器件普遍應(yīng)用了晶閘管及其升級產(chǎn)品。但其調(diào)速性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足需要。20 世紀(jì) 70 年代開始，脈寬調(diào)速變壓變頻調(diào)速的研究得到突破， 20 世紀(jì) 80 年代以后微處理器技術(shù)的完善使得各種優(yōu)化算法得以容易的實現(xiàn)。20 世紀(jì) 80

6、年代中后期，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國家的變頻器技術(shù)實用化，商品投入市場， 得到了廣發(fā)應(yīng)用。 最早的變頻器可能是日本人買了英國專利研制的。 不過美國和德國憑借電子元件生產(chǎn)和電子技術(shù)的優(yōu)勢， 高端產(chǎn)品迅速搶占市場。步入 21 世紀(jì)后，國產(chǎn)變頻器逐步崛起，現(xiàn)已逐漸搶占高端市場。變頻器的應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、 水泵上應(yīng)用變頻器主要是為了節(jié)能。在風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備的傳統(tǒng)調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、 閥門開度來調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量， 其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當(dāng)使用變頻調(diào)速時，如果流量要求減小，通過降低泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即可滿足要求。但在電機(jī)中使用變頻器是為了調(diào)速， 并降低啟動電流。 為了

7、產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把電源的交流電變換為直流電，這個過程叫整流。把直流電變換為交流電的裝置，其科學(xué)術(shù)語為逆變器。一般逆變器是把直流電源逆變?yōu)橐欢ǖ墓潭l率和一定電壓的逆變電源。對于逆變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓可調(diào)的逆變器我們稱為變頻器。變頻器主要是用在三相異步電動機(jī)調(diào)速用，又叫變頻調(diào)速器。變頻不是處處可以省電的，有不少場合用變頻并不一定能省電。 作為電子電路，變頻器本身也要耗電（約額定功率的3-5%） 。一臺匹的空調(diào)自身耗電算下來也有20-30W,相當(dāng)于一盞長明燈。變頻器在工頻下運行，具有節(jié)電功能，是事實。但是他的前提條件是：第一、大功率并且為風(fēng)機(jī)/ 泵類負(fù)載；第二、裝置本身具有節(jié)電功能

8、（軟件支持） ；第三、長期連續(xù)運行。這是體現(xiàn)節(jié)電效果的三個條件。除此之外，無所謂節(jié)不節(jié)電，沒有什么意義。如果不加前提條件的說變頻器工頻運行節(jié)能，就是夸大或是商業(yè)炒作。4. 課題設(shè)計的內(nèi)容概述本課題的設(shè)計內(nèi)容主要分為以下幾點：1. 上網(wǎng)查找資料。2. 翻閱詳細(xì)資料。3. 確定設(shè)計方案。4. 軟件設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試。5. 論文的編寫。5. 論文安排內(nèi)容本論文的安排內(nèi)容如下：第一章 系統(tǒng)概述所謂系統(tǒng)概述就是對冶金高爐上料系統(tǒng)做了一個， 讓大家對整個上料系統(tǒng)的構(gòu)成、工藝流程和控制要求有一個大概的了解。第二章 料車高、中、低速運行參數(shù)設(shè)置也就是卷揚機(jī)上料系統(tǒng)中要求的速度控制，本課題中，要求用三段速控制，分為

9、：高速、中速、低速。具體的速度控制要求見圖2-1 。而速度的控制就需要變頻器對其進(jìn)行調(diào)速， 也就需要知道變頻器的參數(shù)意義、 端子的具體功能與參數(shù)設(shè)置方法。本章節(jié)對這些方面做了具體的介紹。第三章 硬件設(shè)計顧名思義，本章節(jié)具體介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計，比如：交流電機(jī)、變頻器與PLC的選擇，硬件的接線圖等。第四章軟件設(shè)計介紹卷揚機(jī)上料系統(tǒng)的程序設(shè)計。第五章調(diào)試運行于注意事項很簡單，輸入進(jìn)PLC中的程序進(jìn)行調(diào)試，把調(diào)試的結(jié)果以圖片和視頻的形式 呈現(xiàn)出來。并把調(diào)試中需要注意的方面做一個介紹。第一章 系統(tǒng)概述系統(tǒng)構(gòu)成在冶金高爐煉鐵生產(chǎn)線上，一般把準(zhǔn)備好的爐料從地面的貯礦槽運送到爐頂?shù)纳a(chǎn)機(jī)械為高爐上料設(shè)備。它

10、主要包括料車坑、料車、斜橋、上料機(jī)。料車的機(jī)械傳動系統(tǒng)如圖 1-1 所示。 而料車卷揚機(jī)是料車上料機(jī)的拖動設(shè)備，結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所示。圖 1-1料車傳動系統(tǒng)示意圖圖 1-2料車卷揚機(jī)示意圖冶金爐高100m3電動機(jī)容量37kW 轉(zhuǎn)速740r/min ,卷筒直徑500mm總減 速比，最高鋼純速度s、料車全行程時間40s和鋼纜全行程51m等。系統(tǒng)工藝流程與控制要求在工作過程中， 兩個料車交替上料， 當(dāng)裝滿爐料的料車上升時， 空料車下行，空車重量相當(dāng)于一個平衡錘，平衡了重料車的車箱自重。當(dāng)上行或下行時， 兩個料車由一個卷揚機(jī)拖動， 不但節(jié)省了拖動電動機(jī)的功率， 而且當(dāng)電動機(jī)運轉(zhuǎn)時總有一個重料車上行，

11、沒有空行程。 這樣使拖動電動機(jī)總是處于電動狀態(tài)運行， 避 免了電動機(jī)處于發(fā)電運行狀態(tài)所帶來的一些問題。料車運行分析：料車分為正常運行狀態(tài)與檢修狀態(tài)。 在正常運行狀態(tài)中斜橋上的運行分為啟動、加速、穩(wěn)定運行、減速、傾翻和制動共6 個階段，在整個過程中包括一次加速、兩次減速。檢修狀態(tài)中，左右料車可點動運行。系統(tǒng)可單程運行和連續(xù)運行。系統(tǒng)設(shè)有急停按鈕與電磁抱閘裝置以應(yīng)付突發(fā)狀況。 系統(tǒng)工藝流程圖如圖 1-3 所示。根據(jù)料車的工藝流程，卷揚機(jī)的工作特點主要有以下幾點。 能夠頻繁啟動、制動、停車、反向運行，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，過渡時間短。 能按照一定的速度曲線運行。調(diào)速范圍廣，一般調(diào)速范圍為s,目前料車最高線速度可

12、達(dá)So系統(tǒng)工作可靠。 料車在進(jìn)入曲線軌跡段和離開料坑時不能有高速沖擊， 重點 位置能準(zhǔn)確停車。圖 1-3 卷揚上料系統(tǒng)工藝流程圖第二章 料車高、中、低速運行參數(shù)設(shè)置料車速度控制要求根據(jù)料車運行素的要求，電動機(jī)在高速、中速、低速段的速度曲線采用變頻 器設(shè)定的固定頻率，按速度切換主令控制器發(fā)出的信號由 PLC輸出端控制轉(zhuǎn)速的 切換。而速度的改變由變頻器控制實現(xiàn)。 根據(jù)料車運行速度，可畫出變頻器頻率曲 線，如圖2-1所示。圖2-1中OA為重料車啟動加速段，加速時間為 3s； AB為料 車高速運行段，f1=50Hz為高速運行時所對應(yīng)的變頻器頻率，電動機(jī)轉(zhuǎn)速為 740r/min ,鋼繩速度s； BC為料

13、車的第一次減速段，由主令控制器發(fā)出第一次減 速信號給PLG由PLC控制變頻器MM440使頻率從20Hz下降到6Hz,電動機(jī)轉(zhuǎn) 速從296r/min下降到min,鋼纜速度從s下降到s； EF為料車降低速度運行段， 頻率為6Hz; FG為料車制動停車段，當(dāng)料車運行至高爐頂時，限位開關(guān)發(fā)出停車 命令，由PLC控制MM44況成停車。左右料車運行速度曲線一致。圖2-1左料車上行時變頻器頻率曲線 變頻器的端子功能變頻器端子功能如表2-2所示。表2-2變頻器端子功能表參數(shù)的設(shè)置值缺省的操作5P0701= 1正向運行6P0702= 12反向運行7P0703= 9故障確認(rèn)8P0704= 15固定頻率16P070

14、5= 15固定頻率17P0706= 15固定頻率變頻器的參數(shù)意義變頻器各項參數(shù)意義如表2-1所示表2-1 MM4410參數(shù)設(shè)置表參數(shù)號設(shè)置值缺省值P01000功率以KWg示，頻率為50HzP03001電動機(jī)類型選擇（異步電動機(jī)）P0304380電動機(jī)額定電壓（VP0305電動機(jī)額定電流（A）P030737電動機(jī)額定功率（kWP030991電動機(jī)額定效率（為P031050電動機(jī)額定頻率（Hz）P0311740定冬季額定轉(zhuǎn)速（r/min ）P07002命令源選擇“由端子排輸入”P07011ON接通止轉(zhuǎn)，OFF停止P07022ON接通反轉(zhuǎn)，OFF停止P070317選擇固定頻率（Hz）P070417選

15、擇固定頻率（Hz）P070517選擇固定頻率（Hz）P0731變頻器故障P10003選擇固定頻率設(shè)定值P100150選擇固定頻率f1=50HzP100220選擇周f2=20HzP10046選擇固定頻率f3=6HzP10800電動機(jī)運行的最低頻率（Hz）P108250電動機(jī)運行的最局頻率（Hz）P11203斜坡上升時間（s）P11213斜城下降時間（s）P130020變頻器為無速度反饋的矢量控制變頻器的參數(shù)設(shè)置操作方法復(fù)位為出廠設(shè)置1 .設(shè)置 P0010=302 .設(shè)置 P0970=1提示：復(fù)位過程約需三分鐘過程。常規(guī)操作控制面板操作：1. 變頻器沒有主電源開關(guān)，因此，當(dāng)電源電壓接通時變頻器就已

16、帶電。在 按下運行（RUN鍵，或者在數(shù)字輸入端5出現(xiàn)“ON信號（正向旋轉(zhuǎn)）之前，變 頻器的輸出一直被封鎖，處于等待狀態(tài)。2. 如果裝有BOP或AOP并且已選定要顯示輸出頻率（P0005=21）,那么，在 變頻器減速停車時，相應(yīng)的設(shè)定值大約每一秒鐘顯示一次。3. 變頻器出廠時已按相同額定功率的西門子四極標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)的常規(guī)應(yīng)用對象進(jìn)行編程。 如果用戶采用的是其它型號的電動機(jī)， 就必須輸入電動機(jī)銘牌上的規(guī)格數(shù)據(jù)。關(guān)于如何讀取電動機(jī)銘牌數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)。4. 除非 P0010 = 1 ，否則是不能修改電動機(jī)參數(shù)的。5. 為了使電動機(jī)開始運行，必須將P0010 返回“ 0 ”值。MM440空制面板示意圖如圖2-

17、3所示圖2-3 西門子MM440空制面板示意圖總上所述， 在卷揚級上料系統(tǒng)中，用變頻器對料車系統(tǒng)調(diào)速進(jìn)行控制，可降低系統(tǒng)能耗，做到節(jié)能、環(huán)保的作用，雖然料車系統(tǒng)不是風(fēng)機(jī)或泵類系統(tǒng)，但此系統(tǒng)功率大， 且長期連續(xù)運行， 所以用變頻器對其進(jìn)行調(diào)速控制可大大降低功率，減少能耗，達(dá)到環(huán)保的效果。第三章 硬件設(shè)計設(shè)備選擇交流電動機(jī)的選用煉鐵高爐主卷揚機(jī)變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)在選擇交流異步電動機(jī)時， 需要考慮以下問題： 應(yīng)注意低頻時有效轉(zhuǎn)矩必須滿足的要求； 電動機(jī)必須有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩來確保重載啟動。針對本系統(tǒng)100m3勺高爐，選用Y280S-8的三相交流感應(yīng)電 動機(jī)。Y280S-8三相交流感應(yīng)電動機(jī)的基本參數(shù)：

18、功率：37KW級數(shù)：8 級轉(zhuǎn)速：710 轉(zhuǎn)電壓：380V電流：效率：%功率因素：變頻器的選擇（ 1）變頻器的容量高爐卷揚系統(tǒng)具有恒轉(zhuǎn)矩的特性， 重載啟動時， 變頻器的容量應(yīng)按運行過程可能出現(xiàn)的最大工作電流來選擇，即：I nI Mmax式中，IN為變頻器的額定電流；I Mmax為電動機(jī)的最大工作電流。變頻器的過載能力通常為變頻器額定電流的倍， 這只對電動機(jī)的啟動或制動過程才有意義，不能作為變頻器選型時的最大電流。因此， 所選擇的變頻器容量應(yīng)比變頻器說明書中的“配用電動機(jī)容量” 大一擋至大二擋； 且應(yīng)具有無反饋矢量控制功能，使電動機(jī)在整個調(diào)速范圍內(nèi)， 具有真正的恒轉(zhuǎn)矩， 滿足負(fù)載特性要求。本系統(tǒng)選

19、用西門子 MM440額定功率55kW額定電流110A的變頻器。該變頻器采用高性能的矢量控制技術(shù)，具有超強的過載能力，能提供持續(xù)3s 的 200%過載能力，同時提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動態(tài)特性。（ 2）制動單元從上料卷揚運行速度曲線可以看出， 料車在減速或定位停車時， 應(yīng)選擇相應(yīng)的制動單元及制動電阻，使變頻器直流回路的泵升電壓UD呆持在允許范圍內(nèi)。（ 3）控制與保護(hù)料車卷揚系統(tǒng)是鋼鐵生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，拖動控制系統(tǒng)應(yīng)保證絕對安全可 靠。同時，高爐煉鐵生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣，所以，系統(tǒng)還應(yīng)具有必要的故障檢 測和診斷功能。I/O分配及PLC的選型I/O分配I/O分配見如3-1所示。表3-1 S7-20

20、0PLC I/O 地址分配表輸入輸出上電按鈕（SBD左車上行（KA1）急停按鈕（SB2右車上行（KA2）電磁抱閘啟動按鈕（SB3高速運行（KA3啟動按鈕（SB4中速運行（KA4停車按鈕（SB5低速運行（KA5左車點動按鈕（SB日電源指示燈（HL1）右車點動按鈕（SB7）故障指示燈（HL2）左車中速限位開關(guān)（SQ故障警鈴（BELL）右車中速限位開關(guān)（SQ2變頻器上電線圈（KM）左車低速限位開關(guān)（SQ3電磁抱閘保護(hù)線圈（KM2右車低速限位開關(guān)（SQ4左車到位限位開關(guān)（SQ5右車到位限位開關(guān)（SQ6正常/檢修狀態(tài)轉(zhuǎn)換（SB8故障心（SB9PLC的選型在滿足控制要求的前提下，選型時應(yīng)選擇最佳的性能價格

21、比，具體應(yīng)考慮到: 功能合理；PLC的處理速度應(yīng)滿足實時控制的要求；PLC應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、機(jī) 型系統(tǒng)應(yīng)統(tǒng)一；在線編程和離線編程的選擇等。本次設(shè)計所選用的可編程控制器是 S7-200系列。這種PLC是由西門子自動 化與驅(qū)動集團(tuán)開發(fā)、生產(chǎn)的小型模塊化 PLC系統(tǒng)。S7-200PLC除了能夠進(jìn)行傳統(tǒng) 的繼電器邏輯控制、計數(shù)和計時控制，還能進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算、處理模擬信號, 并可支持多種協(xié)議和形式的數(shù)據(jù)通信。S7-200系列產(chǎn)品具有高性能的中央處理器和種類繁多的擴(kuò)展模塊，因其模 塊化的靈活設(shè)計而具有廣泛的適用范圍，同時具有極高的性價比。 S7-200 無論 單機(jī)運行，還是互相或者與其他設(shè)備組成網(wǎng)絡(luò)，

22、都具有優(yōu)異的表現(xiàn)。（ 1） S7-200 的主要特性快速的中央處理運算能力。極豐富的編程指令集。響應(yīng)快速的數(shù)字量和模擬量輸入/ 輸出通道。操作便捷，易于掌握。強大的通信能力。豐富的擴(kuò)展模塊。（ 2） S7-200 的 CPUS7-200的核心部件是CPU實際的控制運算就在 CPUfr進(jìn)行。西門子生產(chǎn)幾 種型號的S7-200CPU每種CPU擁有不同的I/O點數(shù)和特殊功能。目前提供的 S7-200CPU有：CPU221 CPU222 CPU224 CPU224X體口 CPU226 本次課題選用 的 CPU號為 CPU226 CPU2261 圖 7-4圖 3-2 西門子 S7-200PLC CPU226（ 3） S7-200 擴(kuò)展模塊S7-200CPU了擴(kuò)展I/O點和執(zhí)行特殊的功能，可以連接擴(kuò)展模塊（CPU221 除外） 。擴(kuò)展模塊主要有如下幾類：數(shù)字量 I/O 擴(kuò)展模塊。數(shù)字量I/O擴(kuò)展模塊包括：數(shù)字量輸入擴(kuò)展模塊 EM221數(shù)字量輸出擴(kuò)展模 塊EM222數(shù)字量輸入/輸出模塊EM223模擬量 I/O 擴(kuò)展模塊。模擬量 I/O 擴(kuò)展模塊包括： 模擬量輸入模塊EM231、 模擬量輸出模塊EM232、模擬量輸入 / 輸出模塊EM235。通信模塊。通信模塊包括：PROFIBUS-D耿站通彳9模塊 EM227調(diào)制解調(diào)器通信模塊 EM241工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊 CP243-1/CP243-1IT