1、卷揚機自動控制系統1. 系統的背景和研究意義高爐上料卷揚機是高爐冶金系統的關鍵設備之一， 當前多數的高爐卷揚機的 調速方式傳奇串電阻調速，但電阻容易燒毀，加上卷揚機鋼絲繩松緊程度不一， 有時出現料車“掛頂”事故，嚴重影響了生產，因此需要此系統進行改造。本文 給出了一種基于矢量控制的電機變頻調速系統實現方案， 使系統具有較好的工作 性能。同時采用PLC控制保證調速控制精度，考慮控制電路的空干擾措施，對硬、 軟件進行了優化設計，從而保證了系統控制的可靠性和安全性。2. PLC 技術的發展及工作特點2.1 PLC 的概述可編程邏輯控制器，及PLC是一種可編程的存儲器，用于其內部存儲程序， 執行邏輯運

2、算、順序控制、定時、技術與計算操作等面向用戶的指令，并通過數 字或模擬式輸入 / 輸出控制各種類型的機械或生產過程。2.2 PLC 的發展20世紀 70年代初出現了微處理器。人們很快將其引入可編程邏輯控制器， 可使編程邏輯控制器增加了運算、 數據傳送及處理等功能， 完成了真正具有計算 機特征的工業控制裝置。 此時的可編程邏輯控制器為微機技術和繼電器常規控制 概念相結合的產物。 個人計算機噶站起來后， 為了方便和反映可編程控制器的功 能特點，可編程邏輯控制器定名為 P LC( Programmable Logic Controller )。20世紀 70年代終末期，可編程邏輯控制器進入實用化發展

3、階段，計算機技 術已全面引入可編程控制器中，使其功能發生了飛躍。更高的運算速度、 超小型 體積、更可靠的工業抗干擾設計、模擬量運算、PID 功能及極高的性價比奠定了它在現代工業中的地位。20世紀 80年代初，可編程邏輯控制器在先進工業國家中已獲得廣泛應用。 世界上生產可編程控制器的國家日益增多， 產量日益上升。 這標志著可編程控制 器已步入成熟階段。20 世紀 80年代至 90 年代中期，是可編程邏輯控制器發展最快的時期，年 增長率一直保持為30 40%在這時期，PLC在處理模模擬量能力、數字運算能 力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高， 可編程邏輯控制器逐漸進入過程 控制領域，在某些應用

4、上取代了在過程控制領域處于統治地位的DCS系統。20 世紀末期，可編程邏輯控制器的發展特點是更加適應于現代工業的需要。 這個時期發展了大型機和超小型機、 誕生了各種各樣的特殊功能單元、 生產了各 種人機界面單元、 通信單元， 使應用可編程邏輯控制器的工業控制設備的配套更 加容易。2.3 PLC 的工作特點可編程邏輯控制器具有以下鮮明的特點。一、系統構成靈活，擴展容易，以開關量控制為其特長；也能進行連續過程的PID回路控制；并能與上位機構成復雜的控制系統，如 DDC和DCS等,實現生 產過程的綜合自動化。二、適用方便，編程簡單， 采用簡明的梯形圖、 邏輯圖或語句表等編程語言， 而無需計算機知識，

5、因此系統開發周期短，現場調試容易。另外，可在線修改程 序，改變控制方案而不拆動硬件。三、能適應各種惡劣的運行環境，抗干擾能力強，遠高于其他各種機型。3. 變頻器技術的發展及應用3.1 變頻器的概述變頻器是應用變頻技術與微電子技術， 通過改變電機工作電源方式來控制交 流電動機的電力控制設備。3.2 變頻器的發展變頻器技術誕生背景是交流電機無極調速的廣泛需求。 傳統的直流調速技術 因體積大的故障效高而應用受限。20世紀 60年代后，電力電子器件普遍應用了晶閘管及其升級產品。但其調 速性能遠遠無法滿足需要。20 世紀 70年代開始，脈寬調速變壓變頻調速的研究得到突破， 20 世紀 80 年代以后微處

6、理器技術的完善使得各種優化算法得以容易的實現。20世紀 80年代中后期，美、日、德、英等發達國家的變頻器技術實用化， 商品投入市場， 得到了廣發應用。 最早的變頻器可能是日本人買了英國專利研制 的。不過美國和德國憑借電子元件生產和電子技術的優勢， 高端產品迅速搶占市 場。步入 21 世紀后，國產變頻器逐步崛起，現已逐漸搶占高端市場。3.3 變頻器的應用在風機、水泵上應用變頻器主要是為了節能。在風機、泵類設備的傳統調速 方法是通過調節入口或出口的擋板、 閥門開度來調節給風量和給水量， 其輸入功 率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當使用變頻調速時，如果 流量要求減小，通過降低泵或風機

7、的轉速即可滿足要求。但在電機中使用變頻器是為了調速， 并降低啟動電流。 為了產生可變的電壓 和頻率，該設備首先要把電源的交流電變換為直流電，這個過程叫整流。把 直流電變換為交流電的裝置，其科學術語為逆變器。一般逆變器是把直流 電源逆變為一定的固定頻率和一定電壓的逆變電源。對于逆變為頻率可調、 電壓可調的逆變器我們稱為變頻器。變頻器主要是用在三相異步電動機調 速用，又叫變頻調速器。變頻不是處處可以省電的，有不少場合用變頻并不一定能省電。 作為 電子電路，變頻器本身也要耗電（約額定功率的3-5% ）。一臺 1.5 匹的空調自身耗電算下來也有 20-30W ，相當于一盞長明燈。變頻器在工頻下運行，

8、具有節電功能，是事實。但是他的前提條件是：第一、大功率并且為風機 /泵類負載； 第二、裝置本身具有節電功能（軟件支持） ； 第三、長期連續運行。這是體現節電效果的三個條件。除此之外，無所謂節不節電，沒有什 么意義。如果不加前提條件的說變頻器工頻運行節能，就是夸大或是商業 炒作。4. 課題設計的內容概述本課題的設計內容主要分為以下幾點：1. 上網查找資料。2. 翻閱詳細資料。3. 確定設計方案。4. 軟件設計和系統調試。5. 論文的編寫。5. 論文安排內容本論文的安排內容如下：第一章 系統概述所謂系統概述就是對冶金高爐上料系統做了一個， 讓大家對整個上料系統的 構成、工藝流程和控制要求有一個大概

9、的了解。第二章 料車高、中、低速運行參數設置也就是卷揚機上料系統中要求的速度控制，本課題中，要求用三段速控制， 分為：高速、中速、低速。具體的速度控制要求見圖 2-1 。而速度的控制就需要 變頻器對其進行調速， 也就需要知道變頻器的參數意義、 端子的具體功能與參數 設置方法。本章節對這些方面做了具體的介紹。第三章 硬件設計顧名思義，本章節具體介紹了系統的硬件設計，比如：交流電機、變頻器與PLC的選擇，硬件的接線圖等。第四章 軟件設計介紹卷揚機上料系統的程序設計。第五章 調試運行于注意事項很簡單，輸入進PLC中的程序進行調試，把調試的結果以圖片和視頻的形式 呈現出來。并把調試中需要注意的方面做一

10、個介紹。第一章 系統概述1.1 系統構成 在冶金高爐煉鐵生產線上，一般把準備好的爐料從地面的貯礦槽運送到 爐頂的生產機械為高爐上料設備。它主要包括料車坑、料車、斜橋、上料機。 料車的機械傳動系統如圖 1-1 所示。而料車卷揚機是料車上料機的拖動設備， 結構如圖 1-2 所示。圖 1-1 料車傳動系統示意圖圖 1-2 料車卷揚機示意圖冶金爐高100m3,電動機容量37kW，轉速740r/min,卷筒直徑500mm,總 減速比15.75,最高鋼繩速度1.5m/s、料車全行程時間40s和鋼繩全行程51m等。1.2 系統工藝流程與控制要求在工作過程中, 兩個料車交替上料, 當裝滿爐料的料車上升時, 空

11、料車下行, 空車重量相當于一個平衡錘,平衡了重料車的車箱自重。當上行或下行時, 兩個 料車由一個卷揚機拖動, 不但節省了拖動電動機的功率, 而且當電動機運轉時總 有一個重料車上行,沒有空行程。 這樣使拖動電動機總是處于電動狀態運行, 避 免了電動機處于發電運行狀態所帶來的一些問題。料車運行分析： 料車分為正常運行狀態與檢修狀態。 在正常運行狀態中斜橋上的運行分為 啟動、加速、穩定運行、減速、傾翻和制動共 6 個階段,在整個過程中包括一次 加速、兩次減速。檢修狀態中,左右料車可點動運行。 系統可單程運行和連續運行。 系統設有急停按鈕與電磁抱閘裝置以應付突發狀況。 系統工藝流程圖如圖1-3 所示。

12、 根據料車的工藝流程,卷揚機的工作特點主要有以下幾點。 能夠頻繁啟動、制動、停車、反向運行,轉速平穩,過渡時間短。 能按照一定的速度曲線運行。 調速范圍廣，一般調速范圍為0.53.5m/s，目前料車最高線速度可達3.8m/s。系統工作可靠。 料車在進入曲線軌跡段和離開料坑時不能有高速沖擊， 重點 位置能準確停車。圖 1-3 卷揚上料系統工藝流程圖第二章 料車高、中、低速運行參數設置2.1料車速度控制要求根據料車運行素的要求，電動機在高速、中速、低速段的速度曲線采用變頻 器設定的固定頻率，按速度切換主令控制器發出的信號由 PLC輸出端控制轉速的 切換。而速度的改變由變頻器控制實現。 根據料車運行

13、速度，可畫出變頻器頻率曲 線，如圖2-1所示。圖2-1中0A為重料車啟動加速段，加速時間為 3s； AB為料 車高速運行段，f仁50Hz為高速運行時所對應的變頻器頻率，電動機轉速為 740r/min，鋼繩速度1.5m/s ； BC為料車的第一次減速段，由主令控制器發出第 一次減速信號給PLC由PLC控制變頻器MM440使頻率從20Hz下降到6Hz,電 動機轉速從296r/min下降到88.8r/min，鋼繩速度從0.6m/s下降到0.18m/s ； EF為料車降低速度運行段，頻率為 6Hz； FG為料車制動停車段，當料車運行至 高爐頂時，限位開關發出停車命令，由PLC控制MM44完成停車。左右

14、料車運行 速度曲線一致。圖2-1左料車上行時變頻器頻率曲線2.2變頻器的端子功能變頻器端子功能如表2-2所示。表2-2變頻器端子功能表端子號參數的設置值缺省的操作5P0701= '1'正向運行6P0702= ' 12'反向運行7P0703= ' 9'故障確認8P0704= ' 15'固疋頻率16P0705= ' 15'固定頻率17P0706= ' 15'固疋頻率2.3變頻器的參數意義變頻器各項參數意義如表2-1所示表2-1MM4410參數設置表參數號設置值缺省值P01000功率以KW表示，頻率為50

15、HzP03001電動機類型選擇（異步電動機）P0304380電動機額定電壓（V）P030578.2電動機額定電流（A）P030737電動機額定功率（kW）P030991電動機額定效率（%）P031050電動機額定頻率（Hz）P0311740定冬季額定轉速（r/min）P07002命令源選擇“由端子排輸入”P07011ON接通正轉，OFF停止P07022ON接通反轉，OFF停止P070317選擇固疋頻率（Hz）P070417選擇固疋頻率（Hz）P070517選擇固疋頻率（Hz）P073152.3變頻器故障P10003選擇固定頻率設定值P100150選擇固定頻率f1=50HzP100220選擇固定

16、頻率f2=20HzP10046選擇固定頻率f3=6HzP10800電動機運行的最低頻率（Hz）P108250電動機運行的最咼頻率（Hz）P11203斜坡上升時間（s）P11213斜坡下降時間（s）P130020變頻器為無速度反饋的矢量控制2.4變頻器的參數設置操作方法2.4.1復位為出廠設置1. 設置 P0010=302. 設置 P0970=1提示：復位過程約需三分鐘過程2.4.2 常規操作控制面板操作：1. 變頻器沒有主電源開關，因此，當電源電壓接通時變頻器就已帶電。在 按下運行（RUN鍵，或者在數字輸入端5出現“ON信號（正向旋轉）之前，變 頻器的輸出一直被封鎖，處于等待狀態。2. 如果裝

17、有BOP或AOP并且已選定要顯示輸出頻率（P0005=21），那么，在 變頻器減速停車時，相應的設定值大約每一秒鐘顯示一次。3. 變頻器出廠時已按相同額定功率的西門子四極標準電動機的常規應用對 象進行編程。 如果用戶采用的是其它型號的電動機， 就必須輸入電動機銘牌上的 規格數據。關于如何讀取電動機銘牌數據的細節。4. 除非 P0010 = 1 ，否則是不能修改電動機參數的。5. 為了使電動機開始運行，必須將 P0010 返回“ 0 ”值。MM440空制面板示意圖如圖2-3所示圖2-3 西門子MM440空制面板示意圖總上所述， 在卷揚級上料系統中，用變頻器對料車系統調速進行控制，可降 低系統能耗

18、，做到節能、環保的作用，雖然料車系統不是風機或泵類系統，但此 系統功率大，且長期連續運行，所以用變頻器對其進行調速控制可大大降低功率， 減少能耗，達到環保的效果。第三章 硬件設計3.1 設備選擇3.1.1 交流電動機的選用 煉鐵高爐主卷揚機變頻調速拖動系統在選擇交流異步電動機時， 需要考慮以 下問題：應注意低頻時有效轉矩必須滿足的要求； 電動機必須有足夠大的啟動轉 矩來確保重載啟動。針對本系統100m3勺高爐，選用丫280S-8的三相交流感應電 動機。Y280S-8三相交流感應電動機的基本參數：功率： 37KW級數： 8 級轉速： 710 轉電壓： 380V電流： 76.1A效率： 91.0%

19、功率因素： 0.79COS3.1.2 變頻器的選擇（1）變頻器的容量高爐卷揚系統具有恒轉矩的特性， 重載啟動時， 變頻器的容量應按運行過程 可能出現的最大工作電流來選擇，即：I N>I Mmax式中，IN為變頻器的額定電流；iMmax為電動機的最大工作電流。變頻器的過載能力通常為變頻器額定電流的 1.5 倍，這只對電動機的啟動或 制動過程才有意義，不能作為變頻器選型時的最大電流。因此， 所選擇的變頻器 容量應比變頻器說明書中的“配用電動機容量” 大一擋至大二擋； 且應具有無反 饋矢量控制功能，使電動機在整個調速范圍內， 具有真正的恒轉矩， 滿足負載特 性要求。本系統選用西門子 MM440

20、額定功率55kW額定電流110A的變頻器。該變 頻器采用高性能的矢量控制技術，具有超強的過載能力，能提供持續 3s 的 200% 過載能力，同時提供低速高轉矩輸出和良好的動態特性。（2）制動單元從上料卷揚運行速度曲線可以看出， 料車在減速或定位停車時， 應選擇相應 的制動單元及制動電阻，使變頻器直流回路的泵升電壓UD保持在允許范圍內。（3）控制與保護料車卷揚系統是鋼鐵生產中的重要環節，拖動控制系統應保證絕對安全可 靠。同時，高爐煉鐵生產現場環境較為惡劣，所以，系統還應具有必要的故障檢 測和診斷功能。3.2 I/O 分配及PLC的選型3.2.1 I/O 分配I/O分配見如3-1所示。表3-1 S

21、7-200PLC I/O 地址分配表輸入輸出上電按鈕（SB1）I0.0左車上行（KA1）Q0.4急停按鈕（SB2）I0.1右車上行（KA2）Q0.5電磁抱閘啟動按鈕（SB3）I0.2高速運行（KA3）Q0.6啟動按鈕（SB4）I0.3中速運行（KA4）Q0.7停車按鈕（SB5）I0.4低速運行（KA5）Q1.0左車點動按鈕（SB6）I0.5電源指示燈（HL1）Q1.1右車點動按鈕（SB7）I0.6故障指示燈（HL2）Q1.2左車中速限位開關（SQ1）I0.7故障警鈴（BELL）Q1.3右車中速限位開關（SQ2）I1.0變頻器上電線圈（KM1）Q1.4左車低速限位開關（SQ3）I1.1電磁抱閘保

22、護線圈（KM2）Q1.5右車低速限位開關（SQ4）I1.2左車到位限位開關（SQ5）I1.3右車到位限位開關（SQ6）I1.4正常/檢修狀態轉換（SB8）I1.5故障信號（SB9）I1.63.2.2 PLC 的選型在滿足控制要求的前提下，選型時應選擇最佳的性能價格比，具體應考慮到: 功能合理；PLC的處理速度應滿足實時控制的要求；PLC應用系統結構合理、機 型系統應統一；在線編程和離線編程的選擇等。本次設計所選用的可編程控制器是 S7-200系列。這種PLC是由西門子自動 化與驅動集團開發、生產的小型模塊化 PLC系統。S7-200PLC除了能夠進行傳統 的繼電器邏輯控制、計數和計時控制，還能

23、進行復雜的數學計算、處理模擬信號, 并可支持多種協議和形式的數據通信。S7-200系列產品具有高性能的中央處理器和種類繁多的擴展模塊，因其模 塊化的靈活設計而具有廣泛的適用范圍，同時具有極高的性價比。 S7-200 無論 單機運行，還是互相或者與其他設備組成網絡，都具有優異的表現。（1）S7-200 的主要特性快速的中央處理運算能力。極豐富的編程指令集。響應快速的數字量和模擬量輸入 / 輸出通道。操作便捷，易于掌握。強大的通信能力。豐富的擴展模塊。（2）S7-200 的 CPUS7-200的核心部件是CPU實際的控制運算就在 CPU中進行。西門子生產幾 種型號的S7-200CPU每種CPU擁有不同的I/O點數和特殊功能。目前提供的 S7-200CPU有：CPU221 CPU222 CPU224 CPU224X味口 CPU226 本次課題選用 的 CPU®號為 CPU226 CPU22觀圖 7-4圖 3-2 西門子 S7-200PLC CPU226（3）S7-200 擴展模塊S7-200CPU為了擴展I/O點和執行特殊的功能，可以連接擴展模塊（CPU221 除外）。擴展模塊主要有如下幾類：數字量 I/O 擴展模塊。數字量I/O擴展模塊包括：數字量輸入擴展模塊 EM221數字量輸出擴展模 塊EM222數字量輸入/輸出模塊EM223模擬量 I/O 擴展模塊。模擬量I