【正文】 期運(yùn)料小車電氣控制系統(tǒng)多為繼電器接觸器組成的復(fù)雜系統(tǒng)，這種系統(tǒng)存在設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、體積大、成本高等缺陷，幾乎無數(shù)據(jù)處理和通信功能，必須有專人負(fù)責(zé)操作。將 PLC 應(yīng)用到運(yùn)料小車電氣控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)料小車的自動(dòng)化控制，降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。PLC 運(yùn)料小車電氣控制系統(tǒng)具有連線簡(jiǎn)單，控制速度快，精度高，可靠性和可維護(hù)性好，安裝、維修和改造方便等優(yōu)點(diǎn)。 變頻器調(diào)速技術(shù)簡(jiǎn)介本課題中變頻器作為連接 PLC 和運(yùn)料小車的中介也起到很重要的作用。變頻調(diào)速是集自動(dòng)控制、微電子、電力電子、通信技術(shù)于一體的高科技技術(shù)。它本身具有故障率低、調(diào)速精度高、保護(hù)功能多、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，在各行業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。作為強(qiáng)弱電混合、機(jī)電一體的綜合性技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換(整流、逆變)又要處理信息的收集、變換和傳輸，因此它的共性技術(shù)必定分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問題，后者要 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 2 頁解決的軟硬件開發(fā)問題，此部分作為與本課題相結(jié)合的 PLC 控制技術(shù)將在后面的章節(jié)里作系統(tǒng)的分析。 論文的主要工作本文以西門子 S7400PLC 定位控制為主線，主要討論了運(yùn)料小車的定位控制系統(tǒng)的構(gòu)建，定位控制程序的編寫，PLC 與變頻器的結(jié)合及運(yùn)料小車定位控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)等問題。全文共分四章，下面簡(jiǎn)要介紹各章的主要工作：綜述了定位控制系統(tǒng)的背景資料及國(guó)內(nèi)國(guó)外現(xiàn)狀，同時(shí)對(duì)與本課題緊密相關(guān)的運(yùn)料小車和變頻器調(diào)速技術(shù)作了簡(jiǎn)要的介紹。西門子 S7400PLC 是貫穿本課題的主線，本章對(duì)其軟硬件方面的知識(shí)作了基本的介紹。同時(shí)也對(duì)變頻調(diào)速的歷史及原理作了扼要的說明。在本章中將對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的組成作了系統(tǒng)的闡述，切實(shí)的提出一套運(yùn)料小車的精確定位的設(shè)計(jì)方案。作為全文的結(jié)尾，總結(jié)了本文的主要工作，取得的成果及有待改進(jìn)的地方，并進(jìn)一步展望了定位控制系統(tǒng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 3 頁2 西門子 S7400 的組成與變頻調(diào)速原理可編程序控制器(PLC)是應(yīng)用十分廣泛的通用微機(jī)控制裝置，是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。西門子公司的 S7300/400 在大中型 PLC 中應(yīng)用最廣，市場(chǎng)占有率最高。而其強(qiáng)大的編程軟件 STEP7 和通信網(wǎng)絡(luò)的功能也使其在各行各業(yè)得到了廣泛的使用 [3]。作為本論文的主控設(shè)備，現(xiàn)將其系列的組成作如下介紹： S7400 系列 PLC 的基本結(jié)構(gòu)S7400 由機(jī)架、電源模塊(PS)、中央處理單元(CPU)、數(shù)字量輸入/ 輸出(DI/DO)模塊、模擬量輸入/輸出(AI/AO) 模塊、通信處理器(CP)、功能模塊(FM)和接口模塊(IM)組成。DI/DO 模塊和 AI/AO 模塊統(tǒng)稱為信號(hào)模塊(SM)。S7400 的模塊插座焊在機(jī)架中的總縣連接板上，模塊插在模塊插座上，有不同槽數(shù)的機(jī)架供用戶選用，如果一個(gè)機(jī)架容納不下所有的模塊，可以增設(shè)一個(gè)或數(shù)個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，各機(jī)架之間用接口模塊和通信電纜交換信息。中央機(jī)架(或稱中央控制器，CC)必須配置 CPU 模塊和一個(gè)電源模塊，可以安裝除用于接受和 IM(接口模塊)外的所有 S7400 模塊。如果有擴(kuò)展機(jī)架，中央機(jī)架和擴(kuò)展都需要安裝接口模塊。集中式擴(kuò)展適用于小型配置或一個(gè)控制柜中的系統(tǒng)。CC 和 EU 的最大距離為(帶 5V 電源 )或 3m(不帶 5V 電源) 。分布式擴(kuò)展適用于分布范圍廣的場(chǎng)合，CC 與最后一個(gè) EU 的最大距離為 100m(S7 EU)或 600m(S5 EU)。CC 最多插 6 塊發(fā)送 IM，最多只有 2 個(gè) IM 可以提供 5V 電源。通過 C 總線(通信總線)的數(shù)據(jù)交換僅限于 CC 和 6 個(gè) EU 之間。用 ET 200 分布式 I/O 可以進(jìn)行遠(yuǎn)程擴(kuò)展，用于分布范圍很廣的系統(tǒng)。通過 CPU 中的 PROFIBUSDP 接口，最多連接 125 個(gè)總線節(jié)點(diǎn)。使用光纜時(shí) CC 和最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離為 23km。電源模塊應(yīng)安裝在機(jī)架的最左邊(第 1 槽)，有冗余功能的電源模塊是一個(gè)例外。中央機(jī)架，最多能連接 21 個(gè)擴(kuò)展機(jī)架。中央機(jī)架中同時(shí)傳送電源的發(fā)送接口模塊(IM 4601)不能超過兩塊， IM4611 的每個(gè)接口只能帶一個(gè)擴(kuò)展機(jī)架。擴(kuò)展機(jī)架中的借口模塊只能安裝在最右邊的槽(第 18 槽或第 19 槽)。通信處理器CP 只能安裝在編號(hào)不大于 6 的擴(kuò)展機(jī)架中。 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 4 頁 STEP7 的編程語言 STEP 7 是 S7300/400 系列 PLC 的編程軟件。梯形圖、語句表和功能塊圖是標(biāo)準(zhǔn)的 STEP 7 軟件包配備的 3 種基本編程語言，這 3 種語言可以在 STEP 7 中相互轉(zhuǎn)換。STEP 7 還有多種編程語言可供用戶選用，但由于本系統(tǒng)中未曾涉及，在本文里就不作介紹了。梯形圖(LAD)梯形圖是使用得最多的 PLC 圖形編程語言。梯形圖與繼電器電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，很容易被工廠熟悉繼電器控制的電氣人員掌握，特別適合于數(shù)字邏輯控制。有時(shí)把梯形圖稱為電路或程序。語句表(STL)S7 系列 PLC 將指令表稱為語句表(Statement List)，它是一種類似于微機(jī)的匯編語言中的文本語言，多條語句組成一個(gè)程序段。語句表比較適合經(jīng)驗(yàn)豐富的程序員使用，可以實(shí)現(xiàn)某些不能用梯形圖或功能塊表示的功能。功能塊圖(FBD)功能塊圖用類似于與門、或門的方框來表示邏輯運(yùn)算關(guān)系，方框的左側(cè)為邏輯運(yùn)算的輸入變量，右側(cè)為輸出變量，輸入、輸出端的小圓圈表示“非” 運(yùn)算，方框被“導(dǎo)線”連接在一起，信號(hào)自左向右流動(dòng)。 變頻調(diào)速的原理變頻調(diào)速的基本控制方式：異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為1=60 1/ p ()nf式中 1——同步轉(zhuǎn)速 (r/min)；n1——定子頻率(Hz)；fp——磁極對(duì)數(shù)；而異步電動(dòng)機(jī)的軸轉(zhuǎn)速為1( ) 1( )/ p ()n?s?f60sn式中 ——異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率， 其中s( 1 )/ 1 ()s 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 5 頁改變異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率，可以改變其同步轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行 [4]。 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 6 頁3 運(yùn)料小車的精確定位的設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)的產(chǎn)生背景在工業(yè)生產(chǎn)工程控制中，有不少定位、定量的控制任務(wù)而且這些定位的問題是其過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)。正如本文提出的運(yùn)料小車的精確定位控制，在煤炭焦化工藝中，運(yùn)料車在爐口定位與裝卸是其工藝工程自動(dòng)化的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它要求運(yùn)料車定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位、可靠運(yùn)行，且定位誤差不得超過177。8mm。由于焦化的運(yùn)料車質(zhì)量大，行走慣性大，從運(yùn)料小車行走狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥Ｖ範(fàn)顟B(tài)要求平穩(wěn)過度。為了完成上述控制要求的行車運(yùn)行，采用 PLC 和變頻器的結(jié)合將是一個(gè)很好的選擇。 小車運(yùn)行設(shè)計(jì)運(yùn)行圖按照上述要求可以歸納出行車運(yùn)行圖如(圖 )。假設(shè)縱坐標(biāo)為速度，橫坐標(biāo)為距離，從原位出發(fā)，先以勻加速運(yùn)行；當(dāng)速度達(dá)到高速時(shí)，再以勻速運(yùn)行；當(dāng)?shù)竭_(dá) A 點(diǎn)時(shí)，改為勻減速運(yùn)行，到達(dá)爐口 B 點(diǎn)時(shí)，運(yùn)料車立即停止運(yùn)行，準(zhǔn)備卸煤于爐中。 圖 在圖 中，當(dāng)行車從原位出發(fā)后，先以勻加速運(yùn)行，加速度的選擇主要考慮下面兩種因素：1) 在加速過程中，必須保持運(yùn)料車運(yùn)行平穩(wěn)，不發(fā)生劇烈的晃動(dòng)。2) 在滿足上述條件的情況下，盡可能地選擇較大的加速度，以提高生產(chǎn)效率。 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 7 頁當(dāng)行車運(yùn)行到 B 點(diǎn)時(shí)，接近開關(guān)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，使行車立即停止運(yùn)行，準(zhǔn)備卸料。根據(jù)以上的系統(tǒng)功能要求，我們決定使用 PLC 系統(tǒng)以分布式總線結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)控制系的全部功能。其中主 PLC 系統(tǒng)安裝在中央控制室內(nèi)，子 PLC 系統(tǒng)安裝在運(yùn)料小車上，它們之間通過 PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線通訊。硬件選擇(1) 主站的 PLC 系統(tǒng)采用西門子的 S7400 系列。S7400 的 DI、DO 部分連接于控制柜內(nèi)，用于開關(guān)系統(tǒng)和電源監(jiān)視，一部分連接小車運(yùn)行軌道上，用于軌道的狀態(tài)監(jiān)視和控制。子站采用西門子的 ET200S 遠(yuǎn)程 I/O 系統(tǒng)。ET200S 是專門的小型 PLC 控制器，用于小車控制的最大特點(diǎn)是：1) M1517CPU，可以控制小車完成所有動(dòng)作，處理大量細(xì)節(jié)問題。主站只需要發(fā)送命令即可，減輕了主站 PLC 的負(fù)擔(dān)。而且使整個(gè)系統(tǒng)易于維護(hù)。2) 有專用的柔性電機(jī)啟動(dòng)器，用于小車卸煤開關(guān)電機(jī)的控制。主站和子站分工合作，運(yùn)料小車的動(dòng)作控制功能由其上安裝的 ET200S 來完成，而主站只負(fù)責(zé)發(fā)送命令信號(hào)。例如，操作員在現(xiàn)場(chǎng)安下起動(dòng)按鈕，主站接收到 DI 輸入，并轉(zhuǎn)化成起動(dòng)命令，傳遞給子站。子站接收到起動(dòng)命令后，向變頻器發(fā)出控制字和頻率字，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使小車運(yùn)動(dòng)。ET200S 還負(fù)責(zé)控制小車的前進(jìn)，后退，在裝卸煤的精確定位等動(dòng)作的執(zhí)行，以及一些錯(cuò)誤狀態(tài)的自動(dòng)復(fù)位等。主站通過在小車軌道上設(shè)置電壓信號(hào)讓小車讀取，或者直接通過軟件設(shè)置的通訊區(qū)傳達(dá)命令字來控制小車的運(yùn)行。S7400 除了控制小車的運(yùn)行，還負(fù)責(zé)系統(tǒng)的開關(guān)、狀態(tài)的顯示以及錯(cuò)誤狀態(tài)的手動(dòng)復(fù)位等。主站的 S7400 和子站的 ET200S 上都安裝有 PROFIBUSDP 接口模塊，這樣它們就可以通過 PROFOBUSDP 總線傳遞信息，相互通訊。(2) 變頻器我們選用 Siemens 的 MicroMaster 440 變頻器來控制小車的行走。MicroMaster 440變頻器采用模塊化設(shè)計(jì)。因此只需插入 PROFIBUSDP 通訊模塊，即可通 PROFIBUS總線與子站 PLC 通訊?？梢院芊奖愕膶?shí)現(xiàn)控制功能和狀態(tài)反饋。 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 8 頁MicroMaster 440 變頻器在控制運(yùn)料小車時(shí)因?yàn)槠涔β瘦^小，采用 V/F 控制方式。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的情況，選擇適當(dāng)?shù)募铀俣群蜏p速度。假設(shè)變頻器的輸出頻率從 增加到 50Hz、從 50Hz 降至 的時(shí)間設(shè)定為 1s 時(shí)，小車所獲得加速度和減速度都可以滿足要求。另外，為了保證定位精度，要求小車到達(dá) B 點(diǎn)時(shí)，其速度已經(jīng)降到足夠小，又為了提高生產(chǎn)效率，最好的運(yùn)行情況是：到達(dá) B 點(diǎn)時(shí)，恰好減速過程結(jié)束，這就要求正確的選擇 A 點(diǎn)的位置與減速度的一致配合。假設(shè)變頻器的輸出頻率從最高頻率 50Hz 下降到所指定的頻率 期間，小車處于勻減速運(yùn)行，當(dāng)變頻器輸出頻率為 50Hz 時(shí)，測(cè)得小車速度為 vmax；當(dāng)變頻器輸出頻率為 時(shí)，測(cè)得小車的速度為 vmin；則小車的減速度 a 為： a=(vmin—vmax)/t ()式中 為減速過程所需的時(shí)間，為預(yù)先設(shè)定時(shí)間，然后根據(jù)勻減速運(yùn)行方程，可以求得tA 點(diǎn)到 B 點(diǎn)的距離 為：s s=at2/2 ()軟件組態(tài)(1) 使用的組態(tài)軟件為了能使用編程器對(duì)選定的硬件進(jìn)行編程，并且必須在編程器中先對(duì)硬件進(jìn)行組態(tài)，并將組態(tài)好的信息通過編程設(shè)備電纜下載到 PLC 中。我們使用 Siemens 的 S7 Step 7 來完成硬件組態(tài)。為了識(shí)別 ET200S 遠(yuǎn)程 I/O站和 MicroMaster 440 變頻器，還必須加裝 S7 Step 7 SP1 軟件包。(2) 主站 PLC 系統(tǒng)的組態(tài)主站 S7400 系統(tǒng)由 S7 4174DP CPU，PROFIBUSDP 接口模塊，電源模塊，數(shù)字量/模擬量輸入輸出模塊等部分組成，存儲(chǔ)卡使用 S7 MMC 64Kbyte。(3) 子站 PLC 系統(tǒng)的組態(tài)一套 ET200S 系統(tǒng)包括 IM1517 CPU，PROFIBUSDP 接口模塊，電源模塊，數(shù)字量/模擬量輸入輸出模塊，電機(jī)啟動(dòng)器等部分。存儲(chǔ)卡使用 S7 MMC 64kbyte。(4) 分布式結(jié)構(gòu)的組態(tài)和通訊區(qū)設(shè)置主站和子站之間是一對(duì)多的關(guān)系，一臺(tái)主站與所有子站通過 PROFIBUSDP 通訊。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也需要進(jìn)行組態(tài)，并下載到 PLC 中。可以使用 Net Pro 程序進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組態(tài)和下載。為了將命令傳遞給子站，還應(yīng)該在主站和子站系統(tǒng)上分別開辟用于通訊的虛擬 I/O 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 9 頁區(qū)。主站上的虛擬 I/O 區(qū)對(duì)應(yīng)于小車上的虛擬 I/O 區(qū)。這樣主站程序只要按一定的格式輸出虛擬 DO，子站的虛擬 DI 就會(huì)接收到信號(hào)。同樣的，子站可以通過虛擬 DO 將自身的狀態(tài)返回到主站，以供主站監(jiān)視和判斷?？梢栽谟布M態(tài)過程中通過 HW config程序設(shè)置通訊區(qū)，因?yàn)樘摂M I/O 并不是硬件上真實(shí)存在的，因此可以設(shè)置得很大，只要不超出存儲(chǔ)單元的容量就行。(5) 組態(tài)信息的下載HW config 程序和 Net