卷揚機自動控制系統(tǒng)

1、卷揚機自動控制系統(tǒng)前言1. 系統(tǒng)的背景和研究意義高爐上料卷揚機是高爐冶金系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，當前多數(shù)的高爐卷揚機的調(diào)速方式傳奇串電阻調(diào)速，但電阻容易燒毀，加上卷揚機鋼絲繩松緊程度不一，有時出現(xiàn)料車“掛頂”事故，嚴重影響了生產(chǎn)，因此需要此系統(tǒng)進行改造。本文給出了一種基于矢量控制的電機變頻調(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、定時、技術(shù)與計算

2、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械或生產(chǎn)過程。PLC 的發(fā)展20 世紀 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特征的工業(yè)控制裝置。此時的可編程邏輯控制器為微機技術(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 70 年代終末期，可編程邏輯控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生

3、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 80 年代初，可編程邏輯控制器在先進工業(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。 這標志著可編程控制器已步入成熟階段。20 世紀 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)治地位的 DCS系統(tǒng)。20 世紀末期

4、，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)展了大型機和超小型機、誕生了各種各樣的特殊功能單元、生產(chǎn)了各種人機界面單元、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，擴展容易，以開關(guān)量控制為其特長；也能進行連續(xù)過程的PID 回路控制；并能與上位機構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如DDC和 DCS等，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，可在線修改程序，改變控制方案而不拆動硬件。三、能適

5、應(yīng)各種惡劣的運行環(huán)境，抗干擾能力強，遠高于其他各種機型。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)，通過改變電機工作電源方式來控制交流電動機的電力控制設(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 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)速性能遠遠無法滿足需要。20 世紀 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 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 80 年代中后期，美、日、德、英等發(fā)達國家的變頻器技術(shù)實

6、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、水泵上應(yīng)用變頻器主要是為了節(jié)能。在風(fēng)機、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)機的轉(zhuǎn)速即可滿足要求。但在電機中使用變頻器是為了調(diào)速，并降低啟動電流。為了產(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

7、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/ 泵類負載；第二、裝置本身具有節(jié)電功能（軟件支持）；第三、長期連續(xù)運行。這是體現(xiàn)節(jié)電效

8、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：高速、中速、低速。具體的速度控制要求見圖 2-1 。而

9、速度的控制就需要變頻器對其進行調(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、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 PLC中的程序進行調(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， 一般把準備好的爐料從地面的貯礦槽運送到爐頂?shù)纳a(chǎn)機械為高爐上料設(shè)備。它主要包括料車坑、料車、斜橋、上料機。料車的機械傳動系統(tǒng)如

10、圖 1-1 所示。而料車卷揚機是料車上料機的拖動設(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 料車卷揚機示意圖冶金爐高 100m3，電動機容量 37kW，轉(zhuǎn)速 740r/min ，卷筒直徑 500mm，總減速比，最高鋼繩速度 s、料車全行程時間 40s 和鋼繩全行程 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，當裝滿爐料的料車上升時，空料車下行，空車重量相當于一個平衡錘，平衡了重料車的車箱自重。當上行或下行時，兩個料車由一個卷揚機拖動，不但節(jié)省了拖動電動機的功率，而且當電動機運轉(zhuǎn)時總有一個重料車上行，沒有空行程。這樣使拖動電動機總是處于電動狀態(tài)運行，

11、避免了電動機處于發(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達s。系統(tǒng)工作可靠。料車在進入曲線軌跡段和離開料坑時不能有

12、高速沖擊，重點位置能準確停車。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，電動機轉(zhuǎn)速為 740r/min ，鋼繩速度 s； BC為料車的第一次減速段，由主令控制器發(fā)出第一次減速信號給 PLC，由 P

13、LC控制變頻器 MM440，使頻率從 20Hz下降到 6Hz，電動機轉(zhuǎn)速從 296r/min 下降到 min，鋼繩速度從 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 MM440完成停車。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變頻器端子功能表端子號參數(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8P0704=15固定頻率16P0705=15固定頻率17P0706=1

14、5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 2-1MM4410 參數(shù)設(shè)置表參數(shù)號設(shè)置值缺省值P01000功率以 KW表示，頻率為 50HzP03001電動機類型選擇（異步電動機）P0304380電動機額定電壓（ V）P0305電動機額定電流（ A）P030737電動機額定功率（ kW）P030991電動機額定效率（ %）P031050電動機額定頻率（ 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接通正轉(zhuǎn)， OFF停止P07022ON接通反轉(zhuǎn)， OFF停止P070317選擇固定頻率（ Hz）P070417選擇固

15、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選擇固定頻率 f2=20HzP10046選擇固定頻率 f3=6HzP10800電動機運行的最低頻率（ Hz）P108250電動機運行的最高頻率（ Hz）P11203斜坡上升時間（ s）P11213斜坡下降時間（ 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，當電源

16、電壓接通時變頻器就已帶電。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準電動機的常規(guī)應(yīng)用對象進行編程。如果用戶采用的是其它型號的電動機，就必須輸入電動機銘牌上的規(guī)格數(shù)據(jù)。關(guān)于如何讀取電動機銘牌數(shù)據(jù)的細節(jié)。4. 除非 P0010 = 1 ，否則是不能修改電動機參數(shù)的。5. 為了使電動機開始運行，必須將 P0010 返回“

17、 0 ”值。MM440控制面板示意圖如圖2-3 所示圖 2-3西門子 MM440控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行調(diào)速控制可大大降低功率，減少能耗，達到環(huán)保的效果。第三章硬件設(shè)計設(shè)備選擇交流電動機的選用煉鐵高爐主卷揚機變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)在選擇交流異步電動機時，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的高爐，選用 Y280S-8 的三相交流感應(yīng)電動機。Y28

18、0S-8 三相交流感應(yīng)電動機的基本參數(shù)：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：IN>IMmax式中， IN 為變頻器的額定電流；IMmax為電動機的最大工作電流。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，使電動機在整個調(diào)速范圍內(nèi)，具有真正

19、的恒轉(zhuǎn)矩，滿足負載特性要求。本系統(tǒng)選用西門子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保持在允許范圍內(nèi)。（3）控制與保護料車卷揚系統(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

20、分配見如 3-1 所示。表 3-1 S7-200PLC I/O地址分配表輸入輸出上電按鈕（ SB1）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（ SB6）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)（ SQ1）故障警鈴 (BELL)右車中速限位開關(guān)（ SQ2）變頻器上電線圈（ KM1）左車低速限位開關(guān)（ SQ3）電磁抱閘保護線圈（ KM2）右車低速限位開關(guān)（ SQ4）左車到位限位開關(guān)（ SQ5）右車

21、到位限位開關(guān)（ SQ6）正常 / 檢修狀態(tài)轉(zhuǎn)換（ SB8）故障信號（ SB9）PLC 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)動集團開發(fā)、生產(chǎn)的小型模塊化PLC系統(tǒng)。 S7-200PLC除了能夠進行傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制、計數(shù)和計時控制，還能進行復(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

22、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 無論單機運行，還是互相或者與其他設(shè)備組成網(wǎng)絡(luò)，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CPU中進行。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、 CPU224

23、XP和 CPU226。本次課題選用的CPU型號為 CPU226。 CPU226見圖7-4圖 3-2西門子 S7-200PLC CPU226（3）S7-200 擴展模塊S7-200CPU為了擴展 I/O 點和執(zhí)行特殊的功能，可以連接擴展模塊（CPU221除外）。擴展模塊主要有如下幾類：數(shù)字量 I/O 擴展模塊。數(shù)字量 I/O 擴展模塊包括：數(shù)字量輸入擴展模塊 EM221、數(shù)字量輸出擴展模塊 EM222、數(shù)字量輸入 / 輸出模塊 EM223。模擬量 I/O 擴展模塊。模擬量 I/O 擴展模塊包括：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-DP從站通信模塊 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、AS-Interface 主站模塊 CP243-2。 特殊功能模塊。I/