卷扬机自动控制系统

1、卷扬机自动控制系统1. 系统的背景和研究意义 高炉上料卷扬机是高炉冶金系统的关键设备之一， 当前多数的高 炉卷扬机的调速方式传奇串电阻调速， 但电阻容易烧毁， 加上卷扬机 钢丝绳松紧程度不一， 有时出现料车 “挂顶”事故，严重影响了生产， 因此需要此系统进行改造。 本文给出了一种基于矢量控制的电机变频 调速系统实现方案，使系统具有较好的工作性能。同时采用PLC控制 保证调速控制精度，考虑控制电路的空干扰措施，对硬、软件进行了 优化设计，从而保证了系统控制的可靠性和安全性。技术的发展及工作特点PLC 的概述可编程逻辑控制器，及PLC是一种可编程的存储器，用于其内 部存储程序，执行逻辑运算、顺序控

2、制、定时、技术与计算操作等面 向用户的指令，并通过数字或模拟式输入 / 输出控制各种类型的机械 或生产过程。PLC 的发展20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程逻 辑控制器，可使编程逻辑控制器增加了运算、 数据传送及处理等功能， 完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。 此时的可编程逻辑控制 器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 个人计算机噶站 起来后， 为了方便和反映可编程控制器的功能特点， 可编程逻辑控制 器定名为 P LC( Programmable Logic Controller )。20 世纪 70 年代终末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，

3、 计算机技术已全面引入可编程控制器中， 使其功能发生了飞跃。 更高 的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、 PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得 广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多， 产量日益上升。 这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20 世纪 80 年代至 90 年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快 的时期，年增长率一直保持为 30 40%在这时期，PLC在处理模模 拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高， 可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域， 在某些

4、应用上取代了在过 程控制领域处于统治地位的 DCS系统。20 世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代 工业的需要。 这个时期发展了大型机和超小型机、 诞生了各种各样的 特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程 逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。PLC的工作特点可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。一、系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进 行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统， 如 DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。二、适用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表 等编程语言，而无需计算机知识，因此系统

5、开发周期短，现场调试容 易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。三、能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，远高于其他各 种机型。3. 变频器技术的发展及应用变频器的概述变频器是应用变频技术与微电子技术， 通过改变电机工作电源方 式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器的发展变频器技术诞生背景是交流电机无极调速的广泛需求。 传统的直 流调速技术因体积大的故障效高而应用受限。20 世纪 60 年代后，电力电子器件普遍应用了晶闸管及其升级产 品。但其调速性能远远无法满足需要。20 世纪 70 年代开始，脉宽调速变压变频调速的研究得到突破，20 世纪 80年代以后微处理器技术的完善使得各

6、种优化算法得以容易 的实现。20 世纪 80 年代中后期，美、日、德、英等发达国家的变频器技 术实用化，商品投入市场，得到了广发应用。最早的变频器可能是日 本人买了英国专利研制的。 不过美国和德国凭借电子元件生产和电子 技术的优势，高端产品迅速抢占市场。步入 21 世纪后，国产变频器逐步崛起， 现已逐渐抢占高端市场。 变频器的应用在风机、水泵上应用变频器主要是为了节能。在风机、泵类设备 的传统调速方法是通过调节入口或出口的挡板、 阀门开度来调节给风 量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流 过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机 的转速即可满足要求。但

7、在电机中使用变频器是为了调速， 并降低启动电流。 为了产生 可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电， 这个过程叫整流。把直流电变换为交流电的装置，其科学术语为 逆变器。一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定 电压的逆变电源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们 称为变频器。变频器主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变 频调速器。变频不是处处可以省电的，有不少场合用变频并不一定能省电。 作为电子电路， 变频器本身也要耗电 （约额定功率的 3-5%）。 一台匹的空调自身耗电算下来也有20-30W,相当于一盏长明灯。变频器在工频下运行，具有节电功能，是事实。但是他的前

8、提条 件是：第一、大功率并且为风机 / 泵类负载； 第二、装置本身具有节电功能（软件支持） ； 第三、长期连续运行。这是体现节电效果的三个条件。 除此之外， 无所谓节不节电， 没有什么意义。如果不加前提条件的说变频器工频运行节能，就 是夸大或是商业炒作。4. 课题设计的内容概述本课题的设计内容主要分为以下几点：1. 上网查找资料。2. 翻阅详细资料。3. 确定设计方案。4. 软件设计和系统调试。5. 论文的编写。5. 论文安排内容本论文的安排内容如下：第一章 系统概述所谓系统概述就是对冶金高炉上料系统做了一个， 让大家对整个 上料系统的构成、工艺流程和控制要求有一个大概的了解。第二章 料车高、

9、中、低速运行参数设置 也就是卷扬机上料系统中要求的速度控制， 本课题中， 要求用三 段速控制，分为：高速、中速、低速。具体的速度控制要求见图 2-1 。 而速度的控制就需要变频器对其进行调速， 也就需要知道变频器的参 数意义、 端子的具体功能与参数设置方法。 本章节对这些方面做了具 体的介绍。第三章 硬件设计顾名思义， 本章节具体介绍了系统的硬件设计， 比如：交流电机、 变频器与PLC的选择，硬件的接线图等。第四章 软件设计介绍卷扬机上料系统的程序设计。第五章 调试运行于注意事项很简单，输入进PLC中的程序进行调试，把调试的结果以图片和 视频的形式呈现出来。并把调试中需要注意的方面做一个介绍。

10、第一章系统概述系统构成在冶金高炉炼铁生产线上，一般把准备好的炉料从地面的贮 矿槽运送到炉顶的生产机械为高炉上料设备。它主要包括料车坑、 料车、斜桥、上料机。料车的机械传动系统如图1-1所示。而料车卷扬机是料车上料机的拖动设备，结构如图1-2所示。图1-1料车传动系统示意图71书动机：2连轴节：3抱闸：4减速机；5-祥筒齿轮传动机构；6-卷筒：7-断电抱闸器图1-2料车卷扬机示意图冶金炉高100m3电动机容量 37kW 转速740r/min，卷筒直径 500mm总减速比，最高钢绳速度 s、料车全行程时间40s和钢绳全 行程51m等。系统工艺流程与控制要求在工作过程中，两个料车交替上料，当装满炉料

11、的料车上升时， 空料车下行，空车重量相当于一个平衡锤， 平衡了重料车的车箱自重。 当上行或下行时， 两个料车由一个卷扬机拖动， 不但节省了拖动电动 机的功率，而且当电动机运转时总有一个重料车上行，没有空行程。 这样使拖动电动机总是处于电动状态运行， 避免了电动机处于发电运 行状态所带来的一些问题。料车运行分析： 料车分为正常运行状态与检修状态。 在正常运行状态中斜桥上 的运行分为启动、加速、稳定运行、减速、倾翻和制动共6 个阶段，在整个过程中包括一次加速、两次减速。检修状态中，左右料车可点 动运行。 系统可单程运行和连续运行。 系统设有急停按钮与电磁抱闸装置以应付突发状况。 系统工艺 流程图如

12、图 1-3 所示。根据料车的工艺流程，卷扬机的工作特点主要有以下几点。 能够频繁启动、制动、停车、反向运行，转速平稳，过渡时间 短。 能按照一定的速度曲线运行。 调速范围广，一般调速范围为s,目前料车最高线速度可达s。 系统工作可靠。 料车在进入曲线轨迹段和离开料坑时不能有高速冲击，重点位置能准确停车图1-3 卷扬上料系统工艺流程图第二章料车高、中、低速运行参数设置料车速度控制要求根据料车运行素的要求，电动机在高速、中速、低速段的速度曲 线采用变频器设定的固定频率，按速度切换主令控制器发出的信号由 PLC输出端控制转速的切换。而速度的改变由变频器控制实现。 根据料车运行速度，可画出变 频器频率

13、曲线，如图2-1所示。图2-1中0A为重料车启动加速段， 加速时间为3s; AB为料车高速运行段，f1=50Hz为高速运行时所对 应的变频器频率，电动机转速为 740r/min，钢绳速度s； BC为料车 的第一次减速段，由主令控制器发出第一次减速信号给PLC,由PLC控制变频器MM440使频率从20Hz下降到6Hz,电动机转速从296r/min 下降到min,钢绳速度从s下降到s； EF为料车降低速度运行段，频 率为6Hz; FG为料车制动停车段，当料车运行至高炉顶时，限位开关 发出停车命令，由PLC控制MM44完成停车。左右料车运行速度曲线f1HZ iA f1BCDt1左车上行抱闸打开咼速控

14、制中速控制低速控制tFG :EI5-图2-1左料车上行时变频器频率曲线 变频器的端子功能变频器端子功能如表2-2所示表2-2变频器端子功能表端子号参数的设置值缺省的操作5P0701二1正向运行6P0702二12反向运行7P0703二9故障确认8P0704二 15固定频率16P0705二 15固定频率17P0706二 15固定频率变频器的参数意义变频器各项参数意义如表2-1所示表2-1 MM4410参数设置表参数号设置值缺省值P01000功率以KW表示，频率为50HzP03001电动机类型选择（异步电动机）P0304380电动机额定电压（V）P0305电动机额定电流（A）P030737电动机额定

15、功率（kWP030991电动机额定效率（%P031050电动机额定频率（Hz）P0311740定冬季额定转速（r/mi n ）P07002命令源选择“由端子排输入”P07011ON接通正转，OFF停止P07022ON接通反转，OFF停止P070317选择固定频率（Hz）P070417选择固定频率（Hz）P070517选择固定频率（Hz）P0731变频器故障P10003选择固定频率设定值P100150选择固定频率f1=50HzP100220选择固定频率f2=20HzP10046选择固定频率f3=6HzP10800电动机运行的最低频率（Hz）P108250电动机运行的最咼频率（Hz）P11203斜

16、坡上升时间（s）P11213斜坡下降时间（s）P130020变频器为无速度反馈的矢量控制变频器的参数设置操作方法复位为出厂设置1. 设置 P0010=302. 设置 P0970=1提示：复位过程约需三分钟过程。常规操作控制面板操作：1. 变频器没有主电源开关，因此，当电源电压接通时变频器就 已带电。在按下运行（RUN键，或者在数字输入端5出现“ON信 号（正向旋转）之前，变频器的输出一直被封锁，处于等待状态。2. 如果装有BOP或AOP并且已选定要显示输出频率 （P0005=21），那么，在变频器减速停车时，相应的设定值大约每一秒 钟显示一次。3. 变频器出厂时已按相同额定功率的西门子四极标准

17、电动机的常规应用对象进行编程。如果用户采用的是其它型号的电动机，就必须输入电动机铭牌上的规格数据。关于如何读取电动机铭牌数据的细 节。4. 除非P0010 = 1，否则是不能修改电动机参数的。5. 为了使电动机开始运行，必须将 P0010返回“ 0 ”值。 MM440空制面板示意图如图2-3所示图2-3 西门子MM44空制面板示意图总上所述，在卷扬级上料系统中，用变频器对料车系统调速进行 控制，可降低系统能耗，做到节能、环保的作用，虽然料车系统不是 风机或泵类系统，但此系统功率大，且长期连续运行，所以用变频器 对其进行调速控制可大大降低功率，减少能耗，达到环保的效果。第三章 硬件设计 设备选择

18、交流电动机的选用 炼铁高炉主卷扬机变频调速拖动系统在选择交流异步电动机时， 需要考虑以下问题： 应注意低频时有效转矩必须满足的要求； 电动机 必须有足够大的启动转矩来确保重载启动。针对本系统100m3 的高炉，选用Y280S-8的三相交流感应电动机。Y280S-8三相交流感应电动机的基本参数:功率37KW8级710 转380V %功率因素:变频器的选择（1）变频器的容量高炉卷扬系统具有恒转矩的特性， 重载启动时， 变频器的容量应 按运行过程可能出现的最大工作电流来选择，即:INIMmax式中，IN为变频器的额定电流；IMmax为电动机的最大工作电流。 变频器的过载能力通常为变频器额定电流的倍，

19、 这只对电动机的 启动或制动过程才有意义， 不能作为变频器选型时的最大电流。 因此， 所选择的变频器容量应比变频器说明书中的 “配用电动机容量” 大一 挡至大二挡； 且应具有无反馈矢量控制功能， 使电动机在整个调速范 围内，具有真正的恒转矩，满足负载特性要求。本系统选用西门子 MM440额定功率55kW额定电流110A的变 频器。该变频器采用高性能的矢量控制技术，具有超强的过载能力， 能提供持续 3s 的 200%过载能力，同时提供低速高转矩输出和良好的 动态特性。（2）制动单元 从上料卷扬运行速度曲线可以看出，料车在减速或定位停车时，应选择相应的制动单元及制动电阻，使变频器直流回路的泵升电压

20、UD保持在允许范围内。（3）控制与保护料车卷扬系统是钢铁生产中的重要环节，拖动控制系统应保证绝对安全可靠。同时，高炉炼铁生产现场环境较为恶劣，所以，系统还 应具有必要的故障检测和诊断功能。I/O分配及PLC的选型I/O分配I/O分配见如3-1所示。表3-1 S7-200PLC I/O 地址分配表输入输出上电按钮（SB1）左车上行（KA1）急停按钮（SB2右车上行（KA2）电磁抱闸启动按钮（SB3高速运行（KA3）启动按钮（SB4中速运行（KA4）停车按钮（SB5低速运行（KA5左车点动按钮（SB6电源指示灯（HL1）右车点动按钮（SB7故障指示灯（HL2）左车中速限位开关（SQ1故障警铃（BE

21、LL）右车中速限位开关（SQ2变频器上电线圈（KM1左车低速限位开关（SQ3电磁抱闸保护线圈（KM2右车低速限位开关(SQ4左车到位限位开关(SQ5右车到位限位开关(SQ6正常/检修状态转换(SB8故障信号(SB9PLC的选型在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比， 具 体应考虑到：功能合理；PLC的处理速度应满足实时控制的要求；PLC 应用系统结构合理、机型系统应统一；在线编程和离线编程的选择等。本次设计所选用的可编程控制器是 S7-200系列。这种PLC是由 西门子自动化与驱动集团开发、生产的小型模块化PLC系统。S7-200PLC除了能够进行传统的继电器逻辑控制、计数和计时

22、控制， 还能进行复杂的数学计算、处理模拟信号，并可支持多种协议和形式 的数据通信。S7-200系列产品具有高性能的中央处理器和种类繁多的扩展模 块，因其模块化的灵活设计而具有广泛的适用范围，同时具有极高的性价比。S7-200无论单机运行，还是互相或者与其他设备组成网络， 都具有优异的表现。(1) S7-200的主要特性快速的中央处理运算能力。极丰富的编程指令集。响应快速的数字量和模拟量输入/输出通道。操作便捷，易于掌握。强大的通信能力。丰富的扩展模块。（2）S7-200 的 CPUS7-200的核心部件是CPU实际的控制运算就在 CPU中进行。西 门子生产几种型号的S7-200CPU每种CPU

23、拥有不同的I/O点数和特 殊功能。目前提供的 S7-200CPU有：CPU221CPU222CPU224CPU224XP 和CPU226本次课题选用的 CPU型号为CPU226 CPU226S图7-4图 3-2 西门子 S7-200PLC CPU226（3）S7-200扩展模块S7-200CPU为了扩展I/O点和执行特殊的功能，可以连接扩展模 块（CPU221除外）。扩展模块主要有如下几类：数字量I/O扩展模块。数字量I/O扩展模块包括：数字量输入扩展模块 EM221数字量 输出扩展模块EM222数字量输入/输出模块EM223模拟量I/O扩展模块。模拟量I/O扩展模块包括：模拟量输入模块 EM

24、231模拟量输出 模块EM232模拟量输入/输出模块EM235通信模块。通信模块包括：PROFIBUS-D从站通信模块EM227调制解调器 通 信模块 EM241 工业以太网通 信模块 CP243-1/CP243-1IT、 AS-Inteface 主站模块 CP243-2。特殊功能模块。I/O接线图接线图如图3-1所示。QFQ0.5KA2Q0.6KA3Q0.7KA4Q1.0KA5Q1.1HLiQ1.2HL2Q1.3riBEIIQ1.4KM1Q1.5KM2Q0.4 _ KA162ZUEU 002 pbNLIJ 1FSB1I0.0SB2 亠 I0.1SB3 二 I0.2ySB4 亠 I0.3SB5

25、 亠 I0.4SB6 工 I0.5SB7 二 I0.6SQ1 丄 I0.7SQ2I1.0SQ3 “ 11.1SQ4 宀 I1.2SQ5I1.3SQ6I1.4SB8I1.5SB9 亠 I1.6+24V0L+M+2M380VL1 L2 L3QFKM1KA1KA2KA3KA4KA524V5678169B+B-0V28KM2DZx第四章软件设计S7-200PLC程序设计本课题利用西门子 STEP 7 MicroWIN SP3软件编写。本软件采 用了主程序与子程序的方法编写。主程序主程序是由：电源（ Power）、指示灯（Lights ）、电磁抱闸（Electromagnetic brake ）、正常运

26、行（Nomal）和检修状态 （Maintenance）五个子程序组成，主程序起到一个组织与控制这五 个子程序的功能和作用。网络1PowerPower址址连释sb a11.5正常堆修状态转抚SB 911.G故障信号网络3SMO.OSB.3SB-9ElecUomagneticENElectroFault符号SB_3SOI地址10.2TL6网络4SB-2|E.StopSB-5Stopjn主释LO.OPtiwerBOOLCOCUCTUCOR2SB_3sb e变量类型IN数据类型BOOL子程序注澤网络1网谿标題电源（Power）电源子程序负责系统的上电上电粧齟ttPonwT卜MaintenanceENL

27、eftFlight存号地处|连鏗SB 210.1急偉披凶SB 410.3启动那妞SB 510 i偉车按迢SB 911.5正常堪怨状态搖枚SQ 110.7乏车中速运行鼻笑SQ.211.0舌车中遽眼位开关SQ 311.1秦牴速阻位开关SQJ11.2石车低建限位开关SQ 511.3左车到莅限位开关sa e11/右车到f立限位开关滞地扯注释SB 610.5左车点动扭钮SB 7I0.6右车点动按钮SB 311.5止常伽状态转擴FW21coM1nMO.O；)t )1地扯I曲1KM1Q1.4賁频器上电线圈coM I1cMC.0；H)KK11:R )n 地扯I注躊KM1Q1 4賁坝器上电绞匿指示灯（Light

28、s ）指示灯子程序在系统中控制所有的灯Q 讨T数据粪型注释ENINBOOLLO.OFaiAINBOOL故瑋信号L0.1NINBOOLIE當一检値植式切换开关|JlL子瑕序注釋网錯1 网鉛标题 网络住释 MO.DHL1r IBELLS )她扯1注軽BELLQ1WitHL2Q1.2I故陣指不灯网络MttN MBELLI _l ” H)变重类型数据拱型ENINBOOLLDOElectrom agnetiqbrakeINBOOL电磕抱闸启动按钮L0.1FaultINBOOL故瑋信号ININ.OUT子程偉逹释电磁抱闸子程序用来控制系统中的电磁抱闸装置正常运行（Noma）3- 4 h ! 5 i a 6 ! | p7 1 S 1 Jg i 10 i 11 - i 12- i 13 14- 1 15 1 16 1 -17- 1 1B苻是1娈量类型數锯粪型捧IENINBOOLLO.OStaitIMSOOLL0 1iLMedbumINBOOL左车中谨眠俭开关L0.2LLowINBOOL左车柢谨眼位开关LD.3ISlcpINBOOL左车停止限位开关LD.4R MediuiinINBOOL右车中速隔位幵未L0.5Ft LowINBOOL右车低速限位开关L0.6R StopINBOOL右车停止限位开关L0.7E StopINBOOL急停技辺L1 nStop lnINBOOL停止技齟I IR)K