淺談變頻器和主令開(kāi)關(guān)在石灰窯上料系統(tǒng)中的應(yīng)用

(中鹽青海昆侖堿業(yè)有限公司，青海 德令哈 817099)

1 石灰窯上料設(shè)備概況

石灰窯上料設(shè)備是石灰窯運(yùn)行的必要設(shè)備，該設(shè)備由上料小車、卷?yè)P(yáng)機(jī)、減速機(jī)、抱閘、電動(dòng)機(jī)組成，因?yàn)楸敬畏治龅氖菃涡≤嚿狭舷到y(tǒng)故還有一個(gè)配重小車，該配重小車的質(zhì)量基本維持在上料小車空車質(zhì)量和一半配料質(zhì)量的和，這樣才能維持卷?yè)P(yáng)電動(dòng)機(jī)的正反方向旋轉(zhuǎn)是在帶負(fù)載運(yùn)行，不至于影響卷?yè)P(yáng)機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)而使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。

1.1 石灰窯上料過(guò)程描述

首先由配料系統(tǒng)統(tǒng)一配料，在完成配料之后小車下行(同時(shí)配重小車上行)，當(dāng)小車下行至料坑后停止并打開(kāi)配料倉(cāng)軋板小車開(kāi)始配料，配料完成以后小車開(kāi)始上行(同時(shí)配重小車下行)；當(dāng)運(yùn)行至斜橋頂點(diǎn)開(kāi)始卸料(同時(shí)小車停止)，卸料大概停滯時(shí)間在5 s左右，之后小車開(kāi)始下行(下行運(yùn)行25 s后配料沒(méi)有完成則小車停止，25 s后配料已完成小車?yán)^續(xù)下行)。根據(jù)現(xiàn)有窯況設(shè)備運(yùn)行可知上料系統(tǒng)小車完成一個(gè)周期的時(shí)間為2 min左右，其工作特點(diǎn)是：

1)能夠頻繁起動(dòng)、制動(dòng)、停車、反向、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、過(guò)渡時(shí)間短;

2)能按照一定的速度運(yùn)行;

3)能夠廣泛地調(diào)速；

4)系統(tǒng)可靠工作，在進(jìn)入曲軌段及離開(kāi)料坑時(shí)不能有沖擊，確保終點(diǎn)位置準(zhǔn)確停車。

1.2 石灰窯上料小車的運(yùn)行故障分析

1)傳統(tǒng)的上下限位是機(jī)械限位或者是機(jī)械連鎖的光感元件測(cè)量的電信號(hào)去控制上料的小車的停止位，它不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的位置檢測(cè)；

2)傳統(tǒng)的限位它不能持續(xù)輸出測(cè)點(diǎn)狀態(tài)，在只有極限限位相互接觸或光感元件持續(xù)接觸才能使小車停止運(yùn)行；

3)傳統(tǒng)的限位無(wú)法檢測(cè)電動(dòng)機(jī)之后的設(shè)備運(yùn)行情況，比如溜車、斷軸等。

2 控制系統(tǒng)選擇

1)PLC控制器選用西門子S7-200SMART系列PLC，該CPU具有1個(gè)Profibus-DP接口和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RJ45工業(yè)以太網(wǎng)接口主要用來(lái)觸摸屏通信。

2)因?yàn)榭紤]到的小車在中間位置的啟動(dòng)，變頻器[1]傳動(dòng)采用施耐德的ATV950變頻器，帶有專用的提升功能，采用提升控制方式，在零速具有滿轉(zhuǎn)矩的特性，可避免遛車現(xiàn)象。

3)旋轉(zhuǎn)編碼器采用歐姆龍絕對(duì)值型旋轉(zhuǎn)編碼器E6CP-AG5C，該編碼器在單圈范圍內(nèi)的編碼是絕對(duì)值[12]。

4)為了維護(hù)方便，設(shè)一臺(tái)上位機(jī)，上位選用西門子SMART LIN700觸摸屏可實(shí)時(shí)監(jiān)視卷?yè)P(yáng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行記錄，以方便故障分析查找。

2.1 控制系統(tǒng)軟硬件配置與網(wǎng)絡(luò)配置[11]

系統(tǒng)采用PLC控制[3]，通過(guò)上位機(jī)完成系統(tǒng)監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集記錄等功能;采用西門子S7-200SMART組成基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng);采用wincc監(jiān)控軟件，編程軟件采用STEP 7-MicroWIN SMART(中文版)，西門子SMART LIN700觸摸屏作為系統(tǒng)平臺(tái)界面，組成計(jì)算機(jī)化的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)通信。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2 主令開(kāi)關(guān)[16]

由網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D可知該系統(tǒng)是由上位界面、PLC及編碼器組成，是由編碼器鏈接至卷?yè)P(yáng)機(jī)軸上，通過(guò)PLC來(lái)計(jì)算卷?yè)P(yáng)機(jī)帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)的數(shù)值來(lái)判斷卷?yè)P(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)及位置并通過(guò)PLC發(fā)出位置信號(hào)和停止信號(hào)。通過(guò)觸摸屏可方便快捷的更改位置信號(hào)和停機(jī)信號(hào)的輸出位置。因?yàn)橛行盘?hào)位置的指令和控制故稱這個(gè)系統(tǒng)為主令開(kāi)關(guān)。

3 主令開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的分析

3.1 主令開(kāi)關(guān)PLC控制原理[3][8]

圖2 PLC原理圖

PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理邏輯關(guān)系，首先要將PLC讀取到的輸入的編碼器格雷碼源碼轉(zhuǎn)換成方便我們計(jì)算的整數(shù)類型，然后以這個(gè)整數(shù)和我們的整定值作比較，比較出來(lái)的結(jié)果通過(guò)PLC輸出來(lái)控制變頻啟?；芈?，成為上料系統(tǒng)的控制部分。

3.2 格雷碼[13][14]

典型的二進(jìn)制格雷碼(Binary Gray Code)簡(jiǎn)稱格雷碼[13]

在一組數(shù)的編碼中，若任意兩個(gè)相鄰的代碼只有一位二進(jìn)制數(shù)不同，則稱這種編碼為格雷碼(Gray Code)，另外由于最大數(shù)與最小數(shù)之間也僅一位數(shù)不同，即“首尾相連”，因此又稱循環(huán)碼或反射碼。在數(shù)字系統(tǒng)中，常要求代碼按一定順序變化。例如，按自然數(shù)遞增計(jì)數(shù)，若采用8421碼，則數(shù)0111變到1000時(shí)四位均要變化，而在實(shí)際電路中，4位的變化不可能絕對(duì)同時(shí)發(fā)生，則計(jì)數(shù)中可能出現(xiàn)短暫的其它代碼(1100、1111等)。在特定情況下可能導(dǎo)致電路狀態(tài)錯(cuò)誤或輸入錯(cuò)誤。使用格雷碼可以避免這種錯(cuò)誤。

3.3 格雷碼解碼

格雷碼→二進(jìn)制碼(解碼)：

從左邊第二位起，將每位與左邊一位解碼后的值異或，作為該位解碼后的值(最左邊一位依然不變)。依次異或，直到最低位。依次異或轉(zhuǎn)換后的值(二進(jìn)制數(shù))就是格雷碼轉(zhuǎn)換后二進(jìn)制碼的值。

公式表示：

Bi=Gi?Bi+1(n-1≥i≥0) (G：格雷碼，B：二進(jìn)制碼)

原碼：p[n:0]；格雷碼：c[n:0](n∈N)；編碼：c=G(p)；解碼：p=F(c)

書(shū)寫時(shí)按從左向右標(biāo)號(hào)依次減小，即MSB->LSB，編解碼也按此順序進(jìn)行。

...................c[n]=p[n]。

3.4 按照格雷碼轉(zhuǎn)二進(jìn)制原理PLC編程

以上程序先將格雷碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)儲(chǔ)存于MB3這字節(jié)，八位格雷碼轉(zhuǎn)換成八位二進(jìn)制數(shù)；為了方便整數(shù)計(jì)算，把八位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為16位整數(shù)，根據(jù)PLC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換后的值存入MW2中。因?yàn)檫x用的編碼器為單圈絕對(duì)值編碼器，八位最大數(shù)值為整數(shù)256。

3.5 PLC數(shù)據(jù)處理

因?yàn)槲覀儾捎玫氖菃稳^對(duì)值編碼器，以下為多圈時(shí)的數(shù)據(jù)處理。

以圖4程序處理編碼器圈數(shù)及實(shí)際編碼器讀數(shù)，當(dāng)編碼器圈數(shù)超過(guò)一圈時(shí)即為+256編碼器單圈絕對(duì)值，當(dāng)編碼器方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)為實(shí)際編碼器讀數(shù)-256，最終編碼器實(shí)際數(shù)值存入VD10中。下限設(shè)定值存入VD100,上限設(shè)定值存入VD104，上極限設(shè)定值存入VD108。

圖3 按照格雷碼轉(zhuǎn)二進(jìn)制原理PLC編程

圖4 編碼器多圈數(shù)據(jù)處理

3.6 通過(guò)編碼器數(shù)據(jù)計(jì)算輸出下限、上限、上極限

圖5 通過(guò)編碼器數(shù)據(jù)計(jì)算輸出下限、上限、上極限

以上程序當(dāng)編碼器數(shù)值VD10小于等于下限設(shè)定值VD100時(shí)輸出Q0.0(即為下限)，當(dāng)編碼器數(shù)值VD10大于等于上限設(shè)定值VD104時(shí)輸出Q0.01(即為上限)，當(dāng)編碼器數(shù)值VD10大于等于上極限設(shè)定值VD108時(shí)輸出Q0.02(即為上限)。

下限設(shè)定值、上限設(shè)定值、上極限設(shè)定值是觸摸屏畫面給定，由用戶通過(guò)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)定。

3.7 卷?yè)P(yáng)機(jī)電氣控制回路分析

電氣控制回路圖如圖6。[5]

圖6 控制回路原理圖

圖7 變頻器控制原理圖

變頻器控制原理圖，如圖7。

以圖7可知KA為自動(dòng)繼電器、KA1為變頻器故障繼電器、KA2為上限繼電器、KA3為上極限繼電器、KA4為下限繼電器、KA5為小車上行運(yùn)行繼電器、KA6為小車下行運(yùn)行繼電器。

運(yùn)行方式如下：

當(dāng)小車上行運(yùn)行時(shí)到達(dá)上限位置或者上極限位置時(shí)，上限繼電器KA2或者上極限繼電器KA3觸發(fā)，小車停止運(yùn)行；當(dāng)小車下行運(yùn)行時(shí)到達(dá)下限位置時(shí)，下限繼電器KA4觸發(fā)，小車停止運(yùn)行。

當(dāng)小車自動(dòng)位置時(shí)，通過(guò)DCS給定小車上行或者下行運(yùn)行，到小車到達(dá)下限或者上限、上極限時(shí)DCS接收到相對(duì)應(yīng)的信號(hào)并作出停止小車上行或者下行。

當(dāng)小車在手動(dòng)位置時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作按鈕實(shí)現(xiàn)小車上行或者下行，在運(yùn)行中途可通過(guò)停止按鈕實(shí)現(xiàn)停車，也可通過(guò)上限、上極限或者下限自動(dòng)停車。

4 主令開(kāi)關(guān)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析

該系統(tǒng)中的編碼數(shù)值是個(gè)連續(xù)變化的數(shù)值，該數(shù)值是一個(gè)和工程數(shù)值等價(jià)的整數(shù)數(shù)值，在和這個(gè)整數(shù)比較的設(shè)定值是由上位系統(tǒng)設(shè)定的，通過(guò)與開(kāi)放的設(shè)定值比較得出所需要的指令輸出。同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以判斷小車在實(shí)際軌道當(dāng)中的位置信息，該位置信息可通過(guò)西門子模擬量擴(kuò)展模塊通過(guò)4～20 mA的電流信號(hào)發(fā)送出來(lái)。再由將卷?yè)P(yáng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)接入主令開(kāi)關(guān)中可通過(guò)數(shù)據(jù)分析判斷出編碼器斷軸、損壞及丟碼，卷?yè)P(yáng)機(jī)是否遛車，卷?yè)P(yáng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行而卷?yè)P(yáng)機(jī)未動(dòng)等故障。

該系統(tǒng)的缺點(diǎn)在絕對(duì)值編碼器是一個(gè)要求安裝精度高、環(huán)境要求高并且防震動(dòng)的設(shè)備，所以在主令開(kāi)關(guān)的使用當(dāng)中進(jìn)行了封閉式的齒對(duì)齒的1∶1減速機(jī)，提高編碼器工作的精度和環(huán)境；并且在轉(zhuǎn)動(dòng)軸和編碼器之間安裝柔性連接器，提高編碼器因?yàn)檎饎?dòng)而造成的跳碼。

該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)就在于，系統(tǒng)本身是一個(gè)可編程控制器PLC，通過(guò)PLC內(nèi)部計(jì)算使得整個(gè)主令開(kāi)關(guān)具備一個(gè)通用型的可編程指令輸出，通過(guò)人機(jī)界面參數(shù)調(diào)整方便，能實(shí)現(xiàn)厘米甚至是毫米的微調(diào)整。

5 結(jié) 論

該石灰窯卷?yè)P(yáng)控制系統(tǒng)采用主令開(kāi)關(guān)控制施耐德ATV950變頻器相結(jié)合的技術(shù)，達(dá)到較高的精確控制要求，可以滿足石灰窯正常生產(chǎn)對(duì)設(shè)備無(wú)故障運(yùn)行指標(biāo)的嚴(yán)格要求，提高石灰窯的產(chǎn)能。變頻器和主令開(kāi)關(guān)的結(jié)合有很好的可靠性，并且主令開(kāi)關(guān)有著很好的開(kāi)發(fā)性，通過(guò)PLC模擬量輸出還可在上位畫面直觀的顯示小車的位置。

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