高炉上料数字主令控制器的设计.docx
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高炉上料数字主令控制器的设计
论文题目:
高炉上料数字主令控制器的设计
摘要
高炉上料是炼铁生产的重要环节,可靠完美的上料自动控制及数据采集对于高炉的顺利稳产、降低焦比、提高产量质量起着重要的作用。
本文所要论述的是卷扬上料小车在运行过程中,是如何设计一个完备精确的控制系统——数字主令控制器,来对上料小车进行位置检测,以完成整个上料过程。
关键词:
PLC,数字主令控制器,上料自动控制
DesighofDigitalMasterController
Abstract
Theinputofblastfurnacestuffisanimportantsegmentinironworks,anditisboththereliableperfectauto-controlofstuffinputanddatagatheringthatplaysasignaficantroleintheblastfurnace’ssuccessfullysteadyproduction,cokingpropotionreductionandincreaseofthequalityandproduction.Whatthispaperdiscussesis,inthemotionofwindlassstuffinputcar,howthecarmeasuresthedisplacementtocompletetheprocessofthestuffinputthroughthedigitalmastercontroller.
KeyWords:
PLC,Digitalmastercontroller,Auto-controlofstuf
目录
1概况1
1.1工业背景1
1.2国内外发展状况2
1.2.1第一代主令开关2
1.2.2第二代主令开关3
2设计思想3
3硬件设计5
3.1控制系统的组成5
3.2可编程控制器5
3.3数字主令控制器6
3.4中央控制器7
3.5变频器7
3.5.1交流变频调速器的基本概念及原理7
3.5.2交流变频器的功能8
3.5.3交流变频器的控制9
3.6旋转编码器9
3.7工业现场措施10
4软件设计10
4.1控制系统的实现10
4.2软件编程中需解决的问题12
4.2.1编码转换12
4.2.2码器过圈12
4.2.3原点设定13
4.2.4物体位置的计算13
4.2.5限位输出13
4.2.6操作面板TD200编程组态13
4.2.7保护功能13
4.3软件控制设置13
5主要技术参数16
6结束语17
致谢17
参考文献18
附录PLC程序梯形图19
1概况
1.1工业背景
现今,高炉工艺设备相对落后,原料利用效率低,环境恶劣,设备很多还是采用七十年代的有料钟设备,备件庞大笨重,布料还是采用机械有机变速布料器。
故布料不理想,不能做到均匀布料。
卷扬上料小车是高炉及其他工业竖炉的主要设备之一,广泛应用于冶金、有色金属等行业。
该设备在整个系统中起着至关重要的作用,它能否正常运行直接影响高炉炉况、产品产量和质量。
高炉上料就是把各种料按工艺规定的重量比例,根据炉内冶炼的状况,以一定的顺序和速度从料仓送入到炉内。
图1是上料流程示意图。
图1上料流程示意图
下面按上料流程简要概述一下各部分设备的功能:
(1)料仓
各种原料经破碎后送入各自的料仓,料仓中的料种是确定的。
原料靠自重滑入振动给料器。
(2)振动给料器
原料从料仓口堆积到振动器上,由计算机发出进料信号,振动器振动,原料落入到称量斗中。
(3)称量斗
称量斗是整个控制系统的基础。
它是由三只压力传感器吊在支撑框架上。
传感器把重量变成线性的电信号,送入到放大器。
放大器向计算机送出标准信号。
计算机检测此信号,控制振动器进料或停止。
称量斗门由计算机控制开闭,把原料放到传输皮带上。
(4)翻板
翻板距离皮带终端10M,原料过翻板时,把翻板碰开,计算机以此信号检测原料在皮带上的位置。
原料过翻板后,运行5秒钟落入储料斗。
翻板回到闭合状态,表示该车料已全部过完。
(5)储料斗
用来承接皮带落料'待卷扬小车下到位后,计算机控制其开门,原料落至小车中。
(6)卷扬小车
待储料斗关门,计算机开动卷扬小车把原料送入炉顶,倒入布料器内。
(7)布料器
布料器是一个可旋转偏心漏斗,用来把每车倒入的原料分配到预定的角度。
(8)小钟
小钟是隔离炉内外的外闸门,每料车都由计算机控制开闭一次。
(9)大钟
大钟是隔离炉内外的内闸门。
这两道闸门防止炉内煤气向外泄露,保持炉内压力。
计算机根据装料制度来控制大钟的开闭。
“分装”为每批料(三车)开闭一次。
至此,上料流程完成。
(10)探尺
计算机控制其升降来检测炉内的料位。
探尺带动料位指示仪,把位移信号变换为标准信号送入计算机,计算机依此信号来确定是否上料。
[11]
本文就是要通过PLC算法使用编码器和变频器的控制,对上料小车过程进行精确的位置检测。
1.2国内外发展状况
1.2.1第一代主令开关
行程开关又称限位开关,用于控制机械设备的行程及限位保护。
在实际生产中,将行程开关安装在预先安排的位置,当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时,行程开关的触点动作,实现电路的切换。
因此,行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器,它的作用原理与按钮类似,广泛用于各类机床和起重机械,用以控制其行程、进行终端限位保护。
在电梯的控制电路中,还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位,轿厢的上、下限位保护。
按其结构可分为直动式、滚动式、微动式和组合式。
行程开关元件采用一对动合触头、一对动断触头和一个公共跳跃式接触桥。
在外力(撞块)的作用下,触头借助于弹簧的拉力,使动合、动断触头换接;当外力作用消失后,则借助于弹簧的复位力自动复位。
行程开关采用双触点动触桥,可靠性极高;具有精确开关能力;使用简便,接触电阻小,耐压能力强;适用于经济低端的应用解决方案。
但需接触碰撞、有磨损;响应速度低、精度差、接触检测容易损坏被检测物及寿命短等缺点;由于与运动机构直接接触,当运动机构出问题时非常容易撞坏或接触不良,影响PLC工作。
在高炉上料过程中,我们在各个加速减速点分别安装行程开关,通过上料小车对各个行程开关的撞击来完成小车的变速过程。
但行程开关处于十分恶劣的工业环境,一旦出现故障未被及时发现就会造成无法挽救的工业事故。
1.2.2第二代主令开关
为了克服行程开关的缺点,就顺势产生了机械主令开关,它通过转轴所转的角度来控制小车的位置,从而实现上料小车的变速过程。
机械主令开关是由机械凸轮和触点组成,其工作还比较稳定,但随着时间的变化,机械主令开关的缺点逐渐暴露出来:
触电氧化接触不好,主令凸轮转轴运转不灵活,造成料车上行速度不稳,甚至引起中途停车等现象,影响高炉上料的效率,而且机械主令开关触点部分故障较多,维护工作量大,调整不方便,控制精度低,寿命短。
2设计思想
于是,数字主令控制开关便应运而生,本文就是要设计一种能够克服前两种开关的种种缺陷并且能对小车上料过程进行精确检测的控制器——数字主令控制器。
数字主令控制器用程序逻辑代替机械凸轮的动作,以无触点代替有触点,这样就避免了许多机械故障,从而提高了系统的可靠性。
数字主令控制器在工作时,由受控设备通过传动机构带动编码器一起旋转,编码器产生一系列位置码并送到PLC的输入端,在PLC内部进行译码、运算、分析、累加等处理,同时与操作面板TD200中可调用的设定参数相比较,在合适的位置发出相应的控制信号,从而达到控制目的。
智能主令控制器通过编码器旋转产生的位置码实现对现场物体位移的检测,同时与操作面板TD200通讯,TD200实现数据显示、位置设定和报警。
数字主令控制器主要由现场变送单元、连接电缆、主控单元3部分组成。
现场变送单元由机座、传动机构和绝对型旋转编码器组成,主控单元由西门子PLCS7—200、西门子TD200操作面板、输出继电器、控制电源组成,现场变送单元通过连接电缆连接到主控单元组成数字主令控制器。
整个数字主令控制器的系统结构框图见图2。
图2数字主令系统结构图
数字主令控制器的特点:
(1)运行可靠。
该主令控制器设计思想是用弱电控制强电,用程序逻辑代替机械凸轮的动作,以无触点代替有触点,这样就避免了许多机械故障,从而提高了主令控制器运行的可靠性。
(2)反应速度快。
由于主令采用可编程控制器进行控制,因此其响应速度非常快,可达微秒级。
(3)分辨率高。
该主令控制器的分辨率由编码器的分辨率决定,可以达到毫米级,精度非常高,能够适应需要精确定位和精确限位控制的场合。
而老式主令控制器采用凸轮闭合、断开触点,其精度低,不能适应自动控制过程精确的需要。
(4)反应迅速。
该主令控制器的调节无需任何工具,仅需对TD200操作面板进行调节,即可达到调整的目的,与老式主令控制器相比,可以节约时间,减少职工的劳动强度,从而提高经济效益。
(5)运行中调整。
可在设备运行状态中进行调整,设备不必停车即可对控制信号的输出位置通过TD200操作面板进行微调。
(6)数字显示。
在被测物体运行期间可以方便地从操作面板TD200上观察出其所处的位置。
(7)远程通讯。
该主令控制器具有远程通讯功能,可以直接和其他控制系统(如PLC系统、工业控制网络系统)相连接。
[12]
高炉高度一般情况下超过40m,而料车轨道长通常也大于50m。
上料系统通过钢丝绳连将料车接到卷扬滚筒上。
根据高炉生产工艺要求,料车在上升或下降过程中,由于卷扬机工作功率在220kw左右,需要料车有个慢启动的过程,但料车速度一直较低也同时降低了系统的工作效率。
作为补偿,在料车启动一段路程后要将其加速。
在接近停车点的时候,为了保障系统安全性,要提前将料车减速,使其能够准确停在终点处。
这种情况下,整个卷扬机对上料小车的控制便需遵循由慢逐渐到快、再由快逐渐转慢的过程。
本文所要论述的是卷扬上料小车在运行过程中,是如何设计一个完备精确的控制系统——数字主令控制器,来对上料小车进行位置检测,以完成整个上料过程。
3硬件设计
3.1控制系统的组成
整个系统控制规模大、工业环境恶劣,不但要求有数据处理、变频控制、料车位置显示、故障报警、模糊控制(根据炉况和产量调整上料周期)等功能,而且控制精度要求较高,可充分利用PLC的软硬件资源。
系统配置包括数字主令器、中央控制器、变频器等,系统结构如图3所示。
图3料车控制系统结构图
3.2可编程控制器
可编程控制器(PLC)是一种为工业环境下应用而设计的计算机,它应用微电子技术,按照用户编制的程序实现控制和数据处理功能的组合器件,由于其可靠性高、编程简单、易于维护而广泛应用于各种控制系统。
系统可用PLC完成所有的过程控制、数据采集、自动调节、事故处理及报警等工作。
工控机负责监控和人机对话,具有工艺流程监控、模拟仪表显示、报警记录、报表打印、实时趋势、历史趋势等。
PLC和工控机通过动态数据交换,实现点对点通讯,控制与监控分开,可靠性高。
可实现高炉上料完全自动化,大大提高了高炉入炉矿成分稳定性,使炉温稳定、焦比降低,对高炉顺行稳产高产具有重要的作用。
其主要特点是:
(1)可编程序控制器具有较高的可靠性和很强的抗干扰能力,能够在恶劣的环境中可靠地工作,平均无故障时间长,故障修复时间短。
(2)可编程序控制器编程简单,使用方便,操作人员能够在较短的时间内掌握编程和使用技术;它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受,梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近。
(3)可编程序控制器具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与储存在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通讯功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。
(4)可编程序控制器具有较高的灵活性、较强的信息处理能力以及较多的功能。
(5)可编程序控制器具有能实现互相通信以及与其它智能设备间的通信。
正因为采用可编程序控制器控制方案具有一定的优越性,故我们决定对高炉生产线自动控制系统采用可编程序控制器控制方案。
[13]
3.3数字主令控制器
数字主令控制器由绝对值编码器、主控单元组成。
绝对值编码器安装在现场,与受控设备传动轴柔性连接。
主控单元由SIEMENS操作面板TD200、S7—200PLC等组成,安装在控制室或操作室内。
编码器和连接电缆将现场位置信号送至主控单元,共同构成数字主令控制器。
数字主令控制器系统示意图见图4。
图4数字主令控制器系统示意图
它是由西门子s7—200PLC控制的新一代装置,由主控单元、现场变送单元、连接电缆等主要部件组成,现场变送单元与卷扬电机传动轴钢性连接,通过旋转编码器和电缆将现场料车位置信号送至主控单元。
主控单元与现场变送单元通过连接电缆连接,共同组成智能主令控制器。
智能主令控制器的输出送给主控室内的中央控制器和变频器,从而实现对料车上料情况的控制和监视。
3.4中央控制器
中央控制器采用西门子S7-200PLC和工控机构成DCS系统。
S7-200PLC作为下位机来实现所有信号的采集、运算、调节,其特点是:
模块化、无排风结构、易于实现分散、运行可靠、性价比高。
CP5611卡为S7-200PLC与工控机的通信接口卡,即通过上位机键盘直接设计参数给PLC,同时PLC实时将由智能主令控制器传来的料车位置和状态信号传给上位机,通过上位机编程软件将信号以直观方式显示在终端显示屏CRT上,从而实现实时地、动态地观察料车在整个上料过程中的运行位置和状态,并实现对料车的在线控制。
3.5变频器
随着电子技术的飞速发展,在原有变极、滑差离合、串级及可控硅无级涮速等调速装置的基础上,又发展了新一代的大功率晶体管交流变频调速器,可实现对交流异步电动机无级调速。
3.5.1交流变频调速器的基本概念及原理
交流异步电动机的转速为:
(1)
式中:
f——电源频率
p——电动机极数
s——电动机转差率
从上式中得知:
异步电动机的调速,可以用改变电动机的极对数、转差率和电源频率三种方法来实现。
变极调速虽然简单可靠.但调速范围极为有限。
如双速、三速电动机。
电磁滑差离合器和串级调速均属于改变转差率调速,这类调速方法.前者的机械特性软(转速受负载的影响大),后者的功率因数低、污染电网,而且其调速方法都要更换原来的电动机。
可控硅无级调速,要更换直流电动机,低速特性比较软,而且还存在可控硅导通关断难等问题。
交流变频调速器可以不改变原有可靠耐用的交流异步电动机,安装、操作和维修都很简单,且具有机械特性硬、调速范围宽(2.4~50HZ)过载能力强,调速精度和效率高等优点。
因此,交流变频调速器是交流异步电动机的理想调速方法。
其原理是采用大功率晶体管(GTR),代替可控硅(SCR)作逆变器主元件,用交一直一交及大电容滤波组成主控电路。
当电动机在额定转速以下为恒转矩调速;在额定转速以上采用恒功率调速,因此调速范围很宽。
图5为全部调速范围内的特性曲线。
图5异步电动机变频调速时的机械特性
异步电动机在变频调速时,可以实现旧象限运行。
在连续提高频率欲使电动机加速运行时,如图6,频率由f1一f2变化时,电动机沿1—2—3曲线加速,转速为n1—n2—n3达到n3运行,加速时间为:
(2)
(其中
:
为电动机及其负载所折合到电机轴的总飞轮惯量,△n为转速变化节,T为加速转矩)。
当电动机下降运行时处在第二象限的再生发电状态,不但不消耗电能,同时还产生电能通过变频装置回馈给电网。
图6异步电动机变调速的加速过程
3.5.2交流变频器的功能
交流变频器分为变频单元(逆变侧)和供电单元(整流侧)两部分。
这里是用两个程序来实现对它们的分别控制。
通过PLC编程实现可编程控制器对交流变频单元的控制,要求如下:
可实现对变频器的命令发送和接送。
通过速度方向信号的接受和发送,可以控制变频器单元对电机的供电,从而使电机按照相应的方式运转。
具有速度给定功能。
可编程控制器与变频单元之间通过L2总线通信,对于速度给定可以是PLC给出也可以是人机界面设定的值。
具有故障检测、分析能力。
与外部检测信号结合,当查明有故障时,电机停止运转并给出故障报警信号。
可以提供状态查询功能。
通过使用对应的数据块,装置的状态信息要写入对应的数据字中,可以被其他程序或HMI设备使用。
可以进行速度高低限制。
通过设定最低和最高转速,通过对变频单元的控制实现对电机运转速度的控制。
3.5.3交流变频器的控制
高炉卷扬上料系统采用了施耐德公司生产的ATV68型变频器,以此来实现对卷扬电机速度的调节,其接线原理见图3。
变频器上由两个速度控制信号输入端子A、B,可设定4种运行状态即00、0l、10、11,从而可以实现前面提到的料车在上料过程中的运行特性,保证高炉生产工艺的要求。
卷扬电机拖动料车运行过程中,变频器可以通过接入的制动电阻实现快速稳步的停车,以确保设备安全。
变频器具体参数设定如表所示(表中频率值为高炉目前设定值,可根据高炉的生产工艺要求进行修改)。
[16]
图7变频器参数设定
本文所设计的主令控制器就是通过PLC的运算来控制变频器和编码器的运行,以达到控制上料小车速度的目的。
3.6旋转编码器
旋转编码器通过检测滚筒的旋转角度并进行编码,然后将编码信号输入到PLC。
PLC作为控制核心主要由CPU、开关量输入、输出等组成。
PLC通过接收编码信号,然后经CPU译码,将编码器输出的格雷码进行转换,计算出料车的上下行位移,即可判断料车在导轨所处的位置,并与操作面板中设定的参数相比较。
然后通过继电器控制DDC的输入达到控制料车减速、停车等目的。
安装数字主令控制器时,将编码器通过齿轮与滚筒齿轮相连,PLC与操作面板固定在控制器内,将控制箱安装在卷扬机房,用支架固定;将编码器信号输出通过屏蔽电缆连接到控制箱端子排,并将PLC继电器输出通过操作线连接到卷扬配电室内的继电器柜,再由继电器控制DDC的输入,这样就实现了弱电控制强电。
安装时应注意以下事项:
安装时避免敲击编码器轴,以免损坏;安装环境应通风,环境温度-lO—5O℃,避免尘埃及腐蚀性气体避免阳光直晒;控制线尽量避开高压线,以防干扰;钢丝绳老化拉伸后,各控制点位置编码对应的实际物理位置将相应发生变化,应随时微调;原点变化后,各控制点位置相对距离仍会保持,原点数值调整应慎重。
3.7工业现场措施
现场的工业干扰是十分严重的,尤其是大的设备诸如卷扬机的启停,造成电源电压大幅度下跌(220V电源可跌至160V)。
各类控制线、仪表线都交织在一起,电磁辐射干扰也很严重。
在这样的环境中,必须从各方面加强计算机的抗干扰能力,否则整个控制系统的功能再好,也没有实用意义。
我们主要采取以下措施:
(1)采用了STDBUS工业控制机;
(2)主机电源与接口电源分相;
(3)机内配置低通滤波器
(4)各通道接口均采取电器隔离措施;
(5)机壳可靠接地,利用机壳屏蔽;
(6)模拟量信号与开关量信号分离;
(7)模拟量信号用电流环传输。
传输屏蔽线与控制线分槽揍线;
(8)输出控制信号采用过零触发的固体继电器。
以上措施有力地保证了计算机的抗干扰能力。
在现场恶劣的环境中,不会发生因干扰而冲乱程序的现象。
4软件设计
4.1控制系统的实现
高炉卷扬上料系统主要工作过程:
各种原料经过槽下配料放入中间料斗,料车到料坑后,中间料斗把料放入料车,中间料斗闸门关到位,并且炉顶准备好后,料车启动,经过加速1——加速2——加速3——匀速——减速1——减速2——减速3,到达炉顶。
在工作过程中两个料车交替上料,当装满炉料的料车上行时空料车下行,空车质量相当于一个平衡锤,平衡了重料车的车箱自重,这样当上行或下行两个料车用一个卷扬机拖动时,不但节省了电动机的功率,而且电动机运行时,总有一个重料车上行,没有空行程,这样拖动电动机总是处于电动状态运行。
这种高炉卷扬上料系统有以下特点:
(1)能够频繁启动、制动、停车、反向,转速平稳过渡时间短。
(2)能够按一定的速度运行。
(3)能广泛的调速。
(4)系统工作可靠。
根据料车上料过程中速度曲线图,确定变频器的频率变化情况如图8所示。
图8变频器的频率变化情况
根据高炉生产工艺要求,料车在上升或下降过程中,由于卷扬机工作功率在220kw左右,需要料车有个慢启动的过程,但料车速度一直较低也同时降低了系统的工作效率。
作为补偿,在料车启动一段路程后要将其加速。
在接近停车点的时候,为了保障系统安全性,要提前将料车减速,使其能够准确停在终点处。
这种情况下,整个卷扬机对上料小车的控制便需遵循由慢逐渐到快、再由快逐渐转慢的过程。
确定智能主令控制器的改变速度信号的输出点(图3中的A—F点),即一加速、二加速、三加速、一减速、二减速、三减速等信号输出点。
相应的信号送给变频器,变频器根据这些信号改变频率来实现料车上料过程中由初态一I速一II速一III速一II速一I速一停车的变化过程。
PLC首先向变频器发出运行控制信号(图9中的Q0.0正转、Q0.1反转),变频器接收到运行信号后发出输出频率动作信号,接着打开抱闸,变频器开始起动。
主令控制器根据料车运行位置依次输出改变速度的信号,使变频器及时按图3特性曲线改变频率,从而控制料车按照图3特性运行。
其电气原理图如图9所示。
图9料车控制原理
根据炉况和产量要求,可以通过修改智能主令的速度变化信号输出点和变频器在不同阶段的频率设定值来改变料车的运行模式和速度,从而改变料车的上料周期,以达到不同情况下高炉生产工艺的要求。
为确保载料小车在生产过程及调试检修时的安全,在PLC中设置了料车到底(图4中的SQ1、SQ2)、钢丝绳未松开(图4中的Kx1、Kx2)、变频器无故障(图4中的KA5)等信号,只有这些条件都具备,才能开始启动系统,料车才能实现延时上料并按照要求对高炉上料。
否则,系统会发出故障报警信号,提醒维修人员解除故障。
4.2软件编程中需解决的问题
4.2.1编码转换
为提高抗干扰性,编码器选用格雷码输出。
而PLC只能识别二进制码,故需要用软件实现从格雷码到二进制码的转换。
4.2.2码器过圈
如果选用多圈编码器,则不存在此问题。
若选用单圈编码器,应选用软件检测编码器过圈时的编码变化,用计数器记圈,多圈码数=圈数×编码器分辨率+当前码数,于是可以得出多圈的实际位置码数。
4.2.3原点设定
原点是一个参考点,对应物体整个行程中一个具体的物理位置,在PLC中的编码为“0”,根据需要可以把物体在行程中任一位置的编码设定为原点。
被测物体的实际位置对应的编码称“当前位”,被测物体“当前位”及其设定的限位都以“原点”为参考点。
它反映了被测物体当前所在位置以参考点“原点”为坐标的位置(编码数)。
当原点所对应的实际物理位置发生变化时,
“当前位”及其他限位所反映的实际物理位置都会发生相应变化。
4.2.4物体位置的计算
被测物体在整个行程中任一位置都在PLC中有一个相对于“原点”的编码,这些编码按十进制整数连续排列(-32767至+32767),它们反映了物体当前位置与原点之间的距离关系(点数),也就是用数字反映了物体的实际位置,通过点数(m
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