【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 器控制系統(tǒng)，使 電氣控制系統(tǒng)的工作更加可靠、更容易維修、更能適應(yīng)經(jīng)常變動(dòng)的工藝條件，可編程序控制器正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的?？删幊炭刂破鞯耐茝V應(yīng)用在我國(guó)得到了迅猛的發(fā)展，它已經(jīng)大量地應(yīng)用在各種新設(shè)備中，各行各業(yè)也涌現(xiàn)出大批應(yīng)用可編程控制器改造設(shè)備的成果。了解可編程控制器的工作原理，設(shè)備設(shè)計(jì)，調(diào)試和維護(hù)可編程控制器控制系統(tǒng)的能力，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)對(duì)電氣技術(shù)人員和工科學(xué)生的基本要求。 PLC 的硬件組成結(jié)構(gòu) (1) 基本結(jié)構(gòu) 可編程序控制其主要由 CPU 模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成如圖 31所示： 可 編 程 序 控 制 器C P U 模 塊輸入模塊輸出模塊編 程 裝 置 按 鈕選 擇 開 關(guān)限 位 開 關(guān)電 源接 觸 器電 磁 閥指 示 燈電 源 圖 31 PLC硬件組成結(jié)構(gòu)圖 (2) CPU 模塊 在可編程控制器控制系統(tǒng)中， CPU 模塊相當(dāng)于人的電腦，它不斷地采集輸入信 9 號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出。 (3) I/O 模塊 輸入模塊和輸出模塊簡(jiǎn)稱為 I/O 模塊，他們是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)和 CPU 模塊的橋梁。 輸入模塊用來接收和采集輸入信號(hào)。數(shù)字量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、壓力繼電器等來的數(shù)字量輸入信號(hào)；模擬量輸入模塊用來接受電位器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和各種變送器提供的 連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號(hào)。數(shù)字量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等輸出設(shè)備，模擬量輸出模塊用來控制調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 (4) 編程裝置 編程軟件用來生成用戶程序，并對(duì)它進(jìn)行編輯、檢查和修改。使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、指令表、功能圖塊和順序功能圖程序，并可以實(shí)現(xiàn)不同編程語言的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯后下載到可編程控制器，也可以將可編程控制器中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡(luò)，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送。給 S7200 編程時(shí)，應(yīng)配備一臺(tái)安裝 有 STEP7MICRO/WIN32 編程軟件的計(jì)算機(jī)和一根連接計(jì)算機(jī)和可編程控制器的 PC/PPI 通信電纜。 (5) 電源 可編程控制器使用 220V 交流電源或 24V 直流電源。內(nèi)部開關(guān)電源為各模塊提供DC 5V、 177。12V 、 177。24V 等直流電源。小型可編程控制器一般都可以為輸入電路和外部的電子傳感器提供 24V 直流電源，驅(qū)動(dòng)可編程控制器負(fù)載的直流電源一般由用戶提供。 (6) 工作原理 PLC是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，其工作原理是建立在計(jì)算機(jī)工作原理基礎(chǔ)之上，即通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)的。 CPU是以分時(shí)操作方式來處理各項(xiàng)任務(wù)的，計(jì)算機(jī)在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執(zhí)行時(shí)按程序順序依次完成相應(yīng)各電器的動(dòng)作，所以它屬于串行工作方式。 PLC按集中采樣、集中輸出，按順序周期性循環(huán)掃描用戶程序的方式工作。當(dāng) PLC處于正常運(yùn)行時(shí)，它將不斷重復(fù)掃描過程，其工作過程的中心內(nèi)容由輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段組成。 I/ O 點(diǎn)分配 10 輸入信號(hào)有設(shè)備位置信號(hào)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)、各種主令和工作方式選擇信號(hào)、自動(dòng)配料信號(hào)等 ,輸入點(diǎn)約 19點(diǎn)。輸出信號(hào)有設(shè)備運(yùn)行信號(hào)、設(shè)備聯(lián)鎖信號(hào)、自動(dòng)配料程序輸出信號(hào)、指示燈信號(hào)等 ,輸出點(diǎn)約 17點(diǎn)。 詳細(xì) 分配點(diǎn)見表 32所示： 表 32 PLC 的 I/O詳細(xì)分配點(diǎn) 名稱 地址編號(hào) 代碼 名稱 地址編號(hào) 代碼 探尺 SB1 布料器 QA1 大鐘開啟 SB2 均壓閥 YA1 大鐘停止 SB3 大鐘 QA2 小鐘開啟 SB4 小鐘 QA3 小鐘停止 SB5 小車上行 QA4 小車開啟 SB6 小車下行 QA5 小車停止 SB7 小車上行指示燈 PG1 小車上行 SB8 小車下行指示燈 PG2 小車下行 SB9 中間倉(cāng)開 QA6 小車上行限位 BG1 中間倉(cāng)關(guān) 小車下行限位 BG2 大鐘開指示 PG3 中間倉(cāng)開啟 SB10 小鐘開指示 PG4 中間倉(cāng)停止 SB11 報(bào)警電鈴 PB 中間倉(cāng)開啟限位 BG3 中間倉(cāng)未開到位報(bào)警燈 PG5 中間倉(cāng)停止限位 BG4 中間倉(cāng) 未關(guān)到位報(bào)警燈 PG6 消鈴按鈕 SB12 缺料指示 PG7 自動(dòng) /手動(dòng) 11 PLC 控制電路的設(shè)計(jì) PLC 控制器選型及硬件配置 120 m179。高爐是煉鐵的大型裝備 ,一般地處偏僻地區(qū) ,控制特點(diǎn)如下 : (1) 電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定 ,電壓波動(dòng)達(dá)177。 15 % ,灰塵多 ,工業(yè)環(huán)境差 。 (2) 系統(tǒng)工藝復(fù)雜 ,輸入輸出點(diǎn)數(shù)多 ,安全性、可靠性要求特別高 。 (3) 控制信號(hào)有開關(guān)、數(shù)字和模擬信號(hào) 。 (4) 控制器應(yīng)具有順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、邏輯 判斷、算術(shù)運(yùn)算等功能 。 (5) 工藝配方 程序要求自動(dòng)控制、靈活設(shè)定 。 (6) 為防止自動(dòng)系統(tǒng)失效 ,保留手動(dòng)控制。 考慮到工業(yè)環(huán)境差 ,灰塵多 ,為確保 I/ O接點(diǎn)的可靠接通 ,室內(nèi)設(shè)備采用電壓類型為DC24V的 I/ O接點(diǎn) ,室外設(shè)備采用 AC220V的 I/ O接點(diǎn)。 根據(jù)控制要求 ,I/ O點(diǎn)數(shù)以及電壓類型 ,必須選用性能卓越 ,高可靠性 ,配置靈活的PLC 控制器 ,考慮供貨和備件情況 ,選擇 德國(guó)西門子公司的 S7200系列中 CPU224型PLC，其本機(jī) I/O點(diǎn)數(shù)為 14入 /10出，可擴(kuò)展 7個(gè)模塊數(shù)量。 再擴(kuò)展一個(gè) EM223（ 8入 /8出），可滿足系統(tǒng)要求，如需增加點(diǎn)數(shù)可自行擴(kuò) 展。 其控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖 33所示： 開 關(guān) 量 信 號(hào)C P U 2 2 4E M 2 2 3繼 電 器手 動(dòng) / 自 動(dòng) 接 觸 器 電 動(dòng) 機(jī) 圖 33 控制系統(tǒng)構(gòu)成框圖 料車上料系統(tǒng) 高爐料車 上料 系統(tǒng)是料車按生產(chǎn)要求將槽下各種物料，由料車卷揚(yáng)機(jī)提升到爐頂 。 高爐上料主要有上料小車和上料皮帶兩種方式；由于小車的上料能力有限，大型高爐一般使用上料皮帶的方式上料。下面簡(jiǎn)單談一下上料小車和上料皮帶的優(yōu)缺點(diǎn)： 12 上料小車 的 優(yōu)點(diǎn) 是 適合料倉(cāng)與高爐距離較近 ，占地面積小，節(jié)省廠區(qū)面積，適于中小型高爐；缺點(diǎn)是上料能 力有限。上料大皮帶 優(yōu)點(diǎn) 是適合料倉(cāng)與高爐距離較遠(yuǎn)，能連續(xù)供料，適于大型高爐；缺點(diǎn)是 占地面積較大 。本設(shè)計(jì)主要考慮的是小型高爐的自動(dòng)上料系統(tǒng)，為節(jié)約成本，采用 上料小車 的上料方式。 料車的主要控制步驟 (1) 料制由操作人員編制完成； (2) 槽下中間倉(cāng)料滿； (3) 卷揚(yáng)機(jī)開動(dòng)料車到料坑底； (4) 開啟中間倉(cāng)閘門； (5) 中間倉(cāng)放料至料車顯示料滿信號(hào) ； (6) 關(guān)閉中間倉(cāng)閘門； (7) 卷揚(yáng)機(jī)開動(dòng)料車到爐頂； (8) 料車到爐頂后延時(shí) 5 秒顯示料車料空，并下行； (9) 上料過程中可加入“焦碳越位”、“空車”調(diào)整料制，但不記入上料料制中。 循環(huán)執(zhí)行以上步驟。其主電路如圖 34 所 示： M3 M3 Q A 6Q A 4Q A 5Q A 1 0Q A 2 0B B 1B B 2NL 1L 2L 3F A 1F A 2 圖 34 主電路原理圖 13 高爐料鐘裝料系統(tǒng) 爐頂裝料系統(tǒng)，它由旋轉(zhuǎn)布料器、小鐘、大鐘以及探尺組成。原料由料車送上爐頂后，先裝入小鐘。小鐘下降時(shí)，原料裝入大鐘內(nèi)，大鐘每下降一次，布料器即旋轉(zhuǎn)一次，布料器旋轉(zhuǎn)一定角度（一般采用六點(diǎn)布料，間隔六十度），這樣可使進(jìn)入爐內(nèi)的料分布均勻。小料鐘經(jīng)過幾次下降一批料裝入大料斗后，關(guān)閉小鐘，然后打開大鐘，經(jīng)布料器原料便裝入爐內(nèi)，采用雙鐘的目的在于裝料時(shí)交替關(guān)閉 ，以防煤氣逸出。 而雙鐘的控制如圖 35 所示： M3 M3 B B 4Q A 4 0Q A 3大 鐘 小 鐘F A 4Y A 1NL 1L 2L 3F A 3Q A 3 0B B 3Q A 2 圖 35 雙鐘的控制原理圖 為使?fàn)t內(nèi)物料均勻的分布 ， 旋轉(zhuǎn)布料器 采用步進(jìn)電機(jī)控制， 步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制 , 并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于受脈沖的控制 ,其轉(zhuǎn)子的角位移量和速度嚴(yán)格地與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比 , 通過控制脈沖數(shù)量來控制角位移量 , 從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的 。 通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度 , 從而達(dá)到調(diào)速的目的 。 通過改變通電順 序 , 從而達(dá)到改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的目的。 設(shè)計(jì)中 , 步進(jìn)電機(jī) PLC 控制方案其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 36 所示。系統(tǒng)硬件部分由 PLC控制器、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)等組成。控制器 PLC發(fā)出脈沖、方向信號(hào) , 通過驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中要求手動(dòng)盤車功能 , 在驅(qū)動(dòng)器不 14 斷電的情況下要求直接轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸 , 這時(shí)要利用驅(qū)動(dòng)器的脫機(jī)信號(hào)功能 , 使電機(jī)脫機(jī) , 進(jìn)行手動(dòng)操作或調(diào)節(jié) 。 手動(dòng)完成后 , 再將脫機(jī)信號(hào)去除 , 以繼續(xù)自動(dòng)控制。 PLC驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電機(jī) 負(fù)載脈沖方向脫機(jī) 圖 36 步進(jìn)電機(jī) PLC控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu) 步進(jìn)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來了。 (1) 步距角的選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有 /（五相電機(jī)）、 /（二、四相電機(jī)）、 /3度（三相電機(jī)）等。 (2) 靜力矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確 定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的 23倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來（幾何尺寸） 。 (3) 電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓） 。 (4) 力矩與功率換算 步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下： 15 P= Ω?M Ω=2π?n/60 P=2πnM/60 其 P為功率單位為瓦， Ω為每秒角速度，單位為弧度， n為每分鐘轉(zhuǎn)速 ， M為力矩單位為牛頓?米 P=2πfM/400(半步工作） 其中 f為每秒脈沖數(shù)（簡(jiǎn)稱 PPS) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源基本上由脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和脈沖放大器（也稱功率放大器）三部分組成，如圖 37所示。 驅(qū)動(dòng)器選型原則遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原則 , 電機(jī)的相數(shù)、電流大小是驅(qū)動(dòng)器選擇 的決定性因素 。 在選型中 , 還要根據(jù) PLC 輸出信號(hào)的極性來決定驅(qū)動(dòng)器輸入信號(hào)是共陽極或共陰極。為了改善電機(jī)的運(yùn)行性能和提高控制精度 , 通常通過選擇帶細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn) , 目前驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分等級(jí)有 8倍、 16倍、 32倍、 64倍等 , 最高可達(dá) 256倍細(xì)分。在實(shí)際應(yīng)用中 , 應(yīng)根據(jù)控制要和步進(jìn)電機(jī)的特性選擇合適的細(xì)分倍數(shù) , 以達(dá)到更高的速度和更大的高速轉(zhuǎn)矩 , 使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)精度更高 , 振動(dòng)更小 。 脈 沖 發(fā) 生 器 脈 沖 分 配 器 脈 沖 放 大 器 步 行 電 動(dòng) 機(jī) 工 作 機(jī) 構(gòu)指 令 圖 37 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源方框圖 在設(shè)計(jì)中，有 PLC的 CPU產(chǎn)生脈沖，通過驅(qū)動(dòng)器來控制步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的工作方式為 二相八拍 ， 步距角為 。其控制原理圖如圖 38所示： 步 進(jìn) 電 機(jī)C P +D +C P D A +A B +B C O M Q 0 . 1Q 0 . 2PLCR 1R 2 圖 38 步進(jìn)電機(jī) PLC 控制原理圖 探尺系統(tǒng) 16 高爐在冶煉的過程中，利用探尺探明爐內(nèi)料面高低的情況。探尺是一個(gè)鑄鋼圓柱體重錘，由卷揚(yáng)機(jī)通過鋼繩牽引經(jīng)滑輪和鏈條將探尺伸入高爐爐膛內(nèi)。 值班室根據(jù)爐內(nèi)冶煉要求，例如定出料線 米，即料長(zhǎng)下降到 米時(shí)就要往爐內(nèi)裝料。假如由于裝料機(jī)械故障或 者其它環(huán)節(jié)出毛病沒有及時(shí)裝料而使實(shí)際料面繼續(xù)下降，出現(xiàn)“虧料”現(xiàn)象，當(dāng)實(shí)際料虧低于選擇的料線 米時(shí)發(fā)出