李戰(zhàn)勝，李 智，秦 嶺

(武漢工業(yè)學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430023)

武漢某硅鋼廠DA3生產(chǎn)線原設(shè)計(jì)采用電磁測距方式測量帶鋼在作業(yè)線爐內(nèi)的微張力大小，由于該測量方式的先天性缺陷，因板厚、材質(zhì)的差別所形成的導(dǎo)磁率不同，導(dǎo)致測量誤差大，在變換鋼種時(shí)不能有效地對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行適時(shí)調(diào)節(jié)，造成張力控制失控，使帶鋼在爐內(nèi)拉斷或堆帶，產(chǎn)生大量廢品，每年出現(xiàn)故障達(dá)8次以上，還造成加熱爐內(nèi)燃燒環(huán)境的波動(dòng)變化，影響爐體壽命。由此而造成的設(shè)備損耗，加熱爐空燒造成的能源損耗等，年損失在200萬元以上。為保證帶鋼的平穩(wěn)運(yùn)行，經(jīng)過改進(jìn)采用激光測距代替原有的電磁測距方法并加入PLC控制系統(tǒng)，此方法不但能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)測控，而且不受板厚、材質(zhì)的影響，根據(jù)測量信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置，有效地保證帶鋼運(yùn)行平穩(wěn)，避免事故的發(fā)生［1-2］。

1 激光測距的原理

激光測距無論在軍事應(yīng)用方面，還是在科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)建設(shè)方面，都起著重要作用。激光測距儀的測距原理是：由激光器對(duì)被測目標(biāo)發(fā)射一個(gè)光信號(hào)，然后接受目標(biāo)反射回來的光信號(hào)，通過測量光信號(hào)往返經(jīng)過的時(shí)間，計(jì)算出目標(biāo)的距離。根據(jù)所采用技術(shù)途徑的不同，激光測距的方式可分為脈沖式、相位式和干涉法幾種測距方法［3］。

圖1 相位測距原理圖

傳統(tǒng)的光電測距儀需要合作目標(biāo)(即反射鏡)才能獲得返回光，而考慮到帶鋼所處環(huán)境的特殊性，也可采用非合作目標(biāo)，即利用被測物(帶鋼)自身的反射特性獲得返回光。為此本次新的方案中采用的就是相位式測距方法。激光相位測距的原理如圖1所示，激光測距儀的發(fā)射器發(fā)出的調(diào)制頻率fm的正弦調(diào)幅波，發(fā)射到被測點(diǎn)P上，在物體表面發(fā)生漫反射，其中與發(fā)射波同軸(或成一定角度)的反射波被激光測距儀的反射器接受，由于被測距d的存在，發(fā)射波與接受波之間產(chǎn)生相位差φm，則被測距離與相位差之間的關(guān)系為：

式中c為光速，fm是調(diào)制光頻率。測出相位角φm，就可計(jì)算出被測距離。相位測量采用差頻法，如圖2所示。

圖2 差頻原理圖

圖2中主振信號(hào)ed=Asin ωdt，它發(fā)射到外光路，經(jīng)過距離2d后，相位變化了φm，該信號(hào)被光電接受放大后，為ems=Bsin(ωdt+φm)，加本地振蕩信號(hào)e1=Csin ω1t，它分別在混頻器Ⅰ、Ⅱ上與ed、ems混頻，在混頻器Ⅰ的差頻信號(hào)eτ=Dsin(ωd-ω1)t，在 混 頻 器 Ⅱ 的 差 頻 信 號(hào) ef=Esin[(ωd-ω1)+φm]，混頻后得到的差頻信號(hào)eτ，ef保留原反射信號(hào)的相位信息，頻率比所加的原信號(hào)降低，即差頻后得到了低頻信號(hào)，信號(hào)頻率越低，相位變化2π需要的時(shí)間越長，這樣也就便于測量，經(jīng)差頻后的低頻信號(hào)輸入相位檢波器進(jìn)行比較，可測出相位差φm［4］。

2 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)硅鋼廠DA3生產(chǎn)線整個(gè)工藝流程的分析，其中的技術(shù)關(guān)鍵之處有以下幾個(gè)方面：首先最重要的是如何能夠非常精確的測出帶鋼與測距儀器之間的距離，當(dāng)然測量的精確度取決于測量儀器的性能，硅鋼廠原采用的是電磁測距的方式，由于受各種因素(如因板厚、材質(zhì)的差別而形成不同的導(dǎo)磁率)的影響其性能較差，而本文所介紹的系統(tǒng)采用的激光測距儀完全不受這些因素的影響，測量非常精確，而且激光測距儀結(jié)構(gòu)小巧，安裝調(diào)整方便，實(shí)時(shí)性也非常高;其次是如何去識(shí)別激光測距儀所測到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息，該系統(tǒng)采用的德國西門子公司的S7-200PLC系列中的 CPU226，以及其擴(kuò)展通訊模塊EM-277和A/D轉(zhuǎn)換模塊EM-235對(duì)激光測距儀所采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理;然后利用PROFIBUS現(xiàn)場總線與工控機(jī)進(jìn)行通訊，最后用組態(tài)軟件WinCC進(jìn)行現(xiàn)場信號(hào)的監(jiān)控。

根據(jù)工藝要求，本系統(tǒng)的電控系統(tǒng)采用以工控機(jī)顯示工藝流程控制為上位機(jī)，可編程控制器(PLC)控制為下位機(jī)，激光測距儀、相位傳感器等設(shè)備為現(xiàn)場控制單元的三級(jí)分布式控制系統(tǒng)，如圖3所示。上位機(jī)為通用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，主要功能為顯示工藝流程、電機(jī)等電器的遠(yuǎn)行狀態(tài)及控制，顯示激光測距儀到帶鋼之間的距離等模擬量，其數(shù)據(jù)存入硬盤，設(shè)計(jì)保存期暫定為一年，供定時(shí)及隨時(shí)打印。下位機(jī)采用可編程控制器(PLC)，主要用于實(shí)現(xiàn)工藝邏輯控制以及控制算法;并可直接控制電動(dòng)機(jī)。同時(shí)通過A/D轉(zhuǎn)換器采集現(xiàn)場采集單元的輸入信號(hào)。現(xiàn)場采集單元為激光測距儀和相位傳感器，主要完成從現(xiàn)場采集模擬信號(hào)，變送為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)行數(shù)字PID調(diào)節(jié)運(yùn)算后，控制各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。PLC和工控機(jī)之間通過現(xiàn)場總線相連。

圖3 系統(tǒng)硬件組成框圖

2.2 分部模塊的設(shè)計(jì)

2.2.1 激光測距儀的選用和設(shè)計(jì)

首先是光源的選用，激光器的種類很多，主要以固體激光器、氣體激光器和半導(dǎo)體激光器應(yīng)用最廣泛，不同光源在單色性、發(fā)散角、輸出功率、相干性等主要特性上有差異，根據(jù)硅鋼廠的實(shí)際情況所測量的距離較小，因此選用半導(dǎo)體激光器(GaAs)，它的特點(diǎn)是超小型、質(zhì)量輕、成本低，且能量轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、易于調(diào)制。

通過所選用的激光器，利用相位測距的原理對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)(帶鋼到激光測距儀的距離)進(jìn)行采集，同時(shí)該數(shù)據(jù)經(jīng)過相位檢波器后能夠測出相應(yīng)的相位差φm。利用式(1)即可得到被測距離。激光測距儀設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。因此，該部分尤為重要，測量是如果采用非合作目標(biāo)測距，接受光功率將大大降低，為此對(duì)接受光功率進(jìn)行測定，根據(jù)非合作目標(biāo)相位測距的接受光功率表達(dá)式為：

式中d為被測距離，ρ為被測表面反射率，θ為測量方向與被測點(diǎn)法線夾角，Aτ為有效接受面積，P1為激光發(fā)射功率，M1為調(diào)制度，K1為發(fā)射系統(tǒng)光學(xué)透過率，Kτ為接受系統(tǒng)光學(xué)透過率［5］。

由于測量的距離小，忽略空氣衰減量，即可計(jì)算出反射功率。

2.2.2 PLC部分設(shè)計(jì)

激光測距儀所測量到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)過相位檢波器后，輸出的是相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，而計(jì)算機(jī)所能接受和處理的數(shù)據(jù)為數(shù)字信號(hào)，因此，現(xiàn)場信號(hào)經(jīng)過相位檢波器后，還要進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換即A/D轉(zhuǎn)換。

本系統(tǒng)可編程控制器(PLC)選用西門子SIMATIC S7-300通用型PLC，它具有循環(huán)周期短、處理速度高、指令集功能強(qiáng)大、產(chǎn)品設(shè)計(jì)緊湊、模塊化結(jié)構(gòu)等顯著特點(diǎn)，能適合自動(dòng)化工程中的各種應(yīng)用場合。

2.2.3 工控機(jī)與PLC接口的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中PLC和工控機(jī)之間采用的是PROFIBUS總線。采用 S7-300(CPU為315—2DP)作為PROFIBUS一類主站。配有CP5613(PROFIBUS網(wǎng)卡)的PC機(jī)作為二類主站，同時(shí)作為WinCC服務(wù)器，PROFIBUS從站包括變頻器 CT(通過UD73PROFIBUS—DP接口與 PROFIBUS相連)，ABB(ACS600S配置有PROFIBUS接口模塊NPBNA12)，S7-300(通過 EM277與 PROFIBUS相連)，ET200M(遠(yuǎn)程堅(jiān)固式分布 I/O)，觸摸屏TP270、以及通過以太網(wǎng)與 WinCC服務(wù)器相連的WinCC客戶機(jī)(上位機(jī))。

主站S7-300(CPU為315—2DP)，它本身具有DP接口可直接與PROFIBUS相連作為一類DP主站，其負(fù)責(zé)在預(yù)定的信息周期內(nèi)，循環(huán)與從站交換信息包括發(fā)送控制信息和讀取從站的狀態(tài)，并且通過程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)從站的診斷和各種I/O信息的處理。PC Station PC1(插有CP5613PROFIBUS網(wǎng)卡)作為PROFIBUS二類主站及WINCC服務(wù)器。在PC中裝有 STEP7 Basis，SIMITIC NET，Protool/pro 和 WINCC等軟件。通過STEP7 Basis軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC程序的編寫、下載，對(duì)總線上的各站的硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，監(jiān)控，數(shù)據(jù)診斷，總線參數(shù)的設(shè)置等。通過WinCC視窗控制中心組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)畫面進(jìn)行組態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控和控制。本系統(tǒng)采用PROFIBUS S7協(xié)議，并且在SetPG—PC Interface接口選擇窗口中選擇CP5613_5614(PROFIBUS)＜Active作為PC與總線的接口［6］。

2.2.4 上位監(jiān)控機(jī)的設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)采用組態(tài)軟件WinCC，因?yàn)樗蓪I(yè)公司開發(fā)，經(jīng)過正規(guī)嚴(yán)格的測試，可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、適用范圍廣、界面設(shè)計(jì)方便，通過更換不同的驅(qū)動(dòng)程序，可以方便地采用不同廠家生產(chǎn)的硬件設(shè)備組成監(jiān)控系統(tǒng);同時(shí)，WinCC是目前所有組態(tài)軟件中，在圖形及組態(tài)功能、數(shù)據(jù)點(diǎn)管理、網(wǎng)絡(luò)及通信功能等都比較強(qiáng)大的一種;另外，本系統(tǒng)下位機(jī)選用的是S7—300系列 CPU及其編程工具 STEP7，與WinCC同為德國SIEMENS公司的產(chǎn)品，WinCC本身提供S7-300的驅(qū)動(dòng)軟件，因此使PLC與上位機(jī)的連接可以變得非常容易。

3 結(jié)束語

基于激光測距的帶鋼爐內(nèi)微張力控制系統(tǒng)投入使用三年多來，該硅鋼廠DA3線甚至整個(gè)硅鋼廠的帶鋼生產(chǎn)線運(yùn)行情況良好，設(shè)備自動(dòng)化程度提高，系統(tǒng)的可靠性加強(qiáng)，幾乎沒有發(fā)生什么影響生產(chǎn)的設(shè)備事故，有效地保證了生產(chǎn)的安全運(yùn)行。

［1］ 彭孝祥，張興敏.一種改進(jìn)的脈沖式激光測距儀的設(shè)計(jì)［J］.電子測量技術(shù)，2008，31(6)：133-135.

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［6］ 湯以范.電氣與可編程控制器技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.