章小慶, 胡瑞義

江西新能源科技職業(yè)學(xué)院, 江西 新余 338000

0 引言

鋼包車是煉鋼廠運(yùn)送鋼包專用的速度可調(diào)的電動(dòng)平車,通常情況下,多采用常規(guī)電氣控制方式。部分鋼包車控制系統(tǒng)會(huì)引入PLC技術(shù),但缺乏對(duì)鋼包車在出鋼位、灌砂位、吊包位之間運(yùn)送鋼包間距的精準(zhǔn)控制,容易導(dǎo)致出鋼時(shí)鋼包沖擊點(diǎn)不穩(wěn),造成鋼水沖擊灌砂口,不僅容易降低鋼包自開率,還會(huì)由于鋼水外濺引發(fā)安全事故。基于此,綜合采用PLC、變頻調(diào)速、激光測(cè)距技術(shù)設(shè)計(jì)鋼包車控制系統(tǒng),意在提升鋼包車設(shè)備自動(dòng)化操控水平和鋼水質(zhì)量,降低鋼包運(yùn)送安全事故的發(fā)生率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為解決常規(guī)電氣控制方式設(shè)計(jì)的鋼包車控制系統(tǒng)存在精度不足、安全性較差等問(wèn)題,基于PLC設(shè)計(jì)鋼包車自動(dòng)控制系統(tǒng)。圖1為該系統(tǒng)所控鋼包車的外形圖,設(shè)計(jì)的額定載重100 t,整車長(zhǎng)6 000 cm、高3 000 cm、寬4 000 cm,鋼包車停位精度±10 mm,軌距4 500 mm,自重小于60 t。鋼包車自帶1個(gè)YZR225M-822 kW電機(jī),由電液進(jìn)行制動(dòng)控制,并帶有稱重功能,采用電纜滑車供氬,使用電纜滑車供電。整車運(yùn)行由PLC控制,最高速度為50 r/s,出鋼位至吊包位間距約20 m。

圖1 系統(tǒng)外形圖

此外,鋼包車采用2組主動(dòng)車輪組和2組從動(dòng)車輪組構(gòu)成車輪系統(tǒng),為實(shí)現(xiàn)鋼包車的全自動(dòng)、高精度和安全控制,設(shè)計(jì)時(shí)引入激光測(cè)距模塊、氬氣智能控制模塊、變頻調(diào)速模塊,氬氣接頭采用自動(dòng)插拔接頭。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 電氣原理設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電氣原理如圖2所示,包含主電路(a)和控制電路(b)。

圖2 系統(tǒng)電氣原理圖

1)主電路。三相電源從L1～L3輸出經(jīng)過(guò)總開關(guān)QF1和熔斷器FU1接入西門子MM440變頻器的輸入端L1～L3,變頻器的輸出端U、V、W分別與驅(qū)動(dòng)鋼包車運(yùn)動(dòng)的三相異步電機(jī)的相應(yīng)輸入端子連接。實(shí)際工作時(shí),可以將變頻器設(shè)置為外部端子工作模式,變頻器可根據(jù)PLC的輸入指令控制鋼包車啟停。

2)控制電路?？刂齐娐凡糠钟蒘7-200型PLC、輸入開關(guān)、輸出繼電器、激光測(cè)距儀、系統(tǒng)工作指示燈等組成。其中SB1為啟動(dòng)按鈕,SB2為停止按鈕,用于啟動(dòng)和停止本系統(tǒng)。激光測(cè)距儀采集鋼包車實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),并通過(guò)I0.0傳輸給PLC,PLC接收數(shù)據(jù)后根據(jù)鋼包車的位移狀態(tài)自動(dòng)控制其啟動(dòng)、停止、加速或減速,以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、穩(wěn)定、安全的鋼包車運(yùn)動(dòng)作業(yè)控制。

2.1.2 硬件模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由電源、模塊、變頻驅(qū)動(dòng)模塊、激光測(cè)距模塊、輸入控制模塊、輸出指示模塊組成。

1)電源模塊由交流電源模塊和直流電源模塊2部分組成,其中,交流電源用于給MM440變頻器和鋼包車驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電,采用AC380 V輸入;直流電源用于給S7-200型PLC、輸入開關(guān)、激光測(cè)距儀、輸出繼電器、輸出指示燈等供電,采用DC+24 V規(guī)格。

2)變頻驅(qū)動(dòng)模塊以西門子MM440變頻器為硬件核心,其中,引腳9、5、6、7分別與PLC的1L、Q0.0、Q0.1和Q0.2連接,用于接收PLC輸出的控制信號(hào)。實(shí)際工作時(shí),將變頻器設(shè)置為外部端子控制模式,可直接接收PLC輸出端子的信號(hào)。

3)在鋼包車體安裝1個(gè)MDE5000-112型激光測(cè)距儀,用于實(shí)時(shí)采集鋼包車的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。該測(cè)距儀自帶profibus通信功能,有效監(jiān)測(cè)距離達(dá)70 m,精度達(dá)到±0.1 m。另外,在灌砂位和吊包位分別安裝2個(gè)測(cè)距激光反射板。實(shí)際工作中,以激光測(cè)距儀為機(jī)電配置出鋼位、灌砂位和吊包位的距離,可解決常規(guī)鋼包車運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)使用限位傳感器存在的故障多、定位精度差、誤操作率高等問(wèn)題,有效避免安全隱患。

4)輸入控制模塊由輕觸按鈕開關(guān)SB1和SB2構(gòu)成,用于啟動(dòng)和停止系統(tǒng)工作。

5)輸出指示模塊由HL指示燈構(gòu)成,外接FU3熔斷器和DC+24 V直流電源,可對(duì)系統(tǒng)啟停狀態(tài)進(jìn)行指示。

2.1.3 PLC輸入輸出地址分配

以鋼包車運(yùn)動(dòng)控制的要求為依據(jù),對(duì)S7-200型PLC的輸入和輸出地址進(jìn)行分配,以確定具體的裝配接線方案,包含輸入分配地址和輸出分配地址。

1)輸入分配地址及功能:系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕SB1,占用I0.4地址位;停止按鈕SB2,占用I0.5地址位;激光測(cè)距采集信號(hào)輸入位,占用I0.0地址位。

2)輸出分配地址及功能:鋼包車驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常速度運(yùn)動(dòng)控制端,占用Q0.0地址位;鋼包車驅(qū)動(dòng)電機(jī)低速運(yùn)動(dòng)控制端,占用Q0.1地址位;鋼包車驅(qū)動(dòng)電機(jī)高速運(yùn)動(dòng)控制端,占用Q0.2地址位;鋼包車驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)指示燈端,占用Q0.4地址位。

在實(shí)際的裝配接線中,技術(shù)人員可根據(jù)PLC輸入輸出端子的空閑情況,以達(dá)到控制功能、合理分配端子資源的目的,適時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的輸入輸出端子分配。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件編譯思路

系統(tǒng)的程序編譯流程(見(jiàn)圖3),具體包含3個(gè)部分。

圖3 系統(tǒng)程序編譯流程

1)啟停控制部分:按下啟動(dòng)按鈕SB1后,系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行,HL指示燈點(diǎn)亮;在系統(tǒng)正常運(yùn)行的任意時(shí)段,只要技術(shù)人員按下停止按鈕SB2,系統(tǒng)將會(huì)停止運(yùn)行。

2)鋼包車單次運(yùn)動(dòng)控制部分:系統(tǒng)啟動(dòng)后,激光測(cè)距儀開始進(jìn)行自檢,若自檢通過(guò),鋼包車以低速起步,之后激光測(cè)距儀便開始實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋼包車的位移數(shù)據(jù)。當(dāng)鋼包車運(yùn)行至灌砂位時(shí),變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速運(yùn)行;當(dāng)鋼包車運(yùn)行接近吊包位時(shí),變頻器再次驅(qū)動(dòng)電機(jī)低速運(yùn)行直至鋼包車平穩(wěn)停車。

3)鋼包車循環(huán)作業(yè)控制部分:當(dāng)激光測(cè)距儀監(jiān)測(cè)到鋼包車平穩(wěn)停車在吊包位時(shí),變頻器再次驅(qū)動(dòng)電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn),鋼包車自動(dòng)返回出鋼位,之后進(jìn)行下一次作業(yè)。

2.2.2 系統(tǒng)主程序

圖4為系統(tǒng)主程序,圖中對(duì)各網(wǎng)絡(luò)程序涵義進(jìn)行了闡述。

圖4 系統(tǒng)主程序

1)網(wǎng)絡(luò)1。按下I0.4啟動(dòng)按鈕,Q0.0和Q0.4被置1,鋼包車啟動(dòng),HL指示燈點(diǎn)亮。

2)網(wǎng)絡(luò)2。Q0.0置1后,HSC0高速計(jì)數(shù)器被初始化,激光測(cè)距儀自檢后無(wú)誤,開始實(shí)時(shí)收集鋼包車位移數(shù)據(jù),并在HSC0子程序中驅(qū)動(dòng)鋼包車運(yùn)動(dòng)作業(yè)。

3)網(wǎng)絡(luò)3。按下I0.5停止按鈕,若Q0.2為1,說(shuō)明鋼包車在高速運(yùn)行,之后Q0.1為1,Q0.2為0,M0.0為1,變頻器驅(qū)動(dòng)鋼包車進(jìn)入低速運(yùn)行狀態(tài)。

4)網(wǎng)絡(luò)4。M0.0為1,T37延時(shí)5 S,作為鋼包車停穩(wěn)的緩沖時(shí)間。

5)網(wǎng)絡(luò)5。T37計(jì)時(shí)到,Q0.0和Q0.4為0,鋼包車停穩(wěn),同時(shí)MO.0為0,使T37復(fù)位。

3 系統(tǒng)測(cè)試效果

鋼包車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)單周期作業(yè)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖5所示,其中T0～T3為系統(tǒng)啟動(dòng)后緩慢低速運(yùn)行至灌砂位階段,這個(gè)階段中,鋼包車運(yùn)行速率由0 r/min緩慢上升至20 r/min;T3～T6為鋼包車在變頻器驅(qū)動(dòng)下開始加速運(yùn)行至接近吊包位階段,這個(gè)階段中,鋼包車運(yùn)行速率由20 r/min加速上升至50r/min;T6～T11為鋼包車低速運(yùn)行,最后平穩(wěn)停在吊包位階段,這個(gè)階段中,鋼包車運(yùn)行速率由50 r/min逐漸降至0 r/min。由測(cè)試數(shù)據(jù)曲線可知,整個(gè)運(yùn)行作業(yè)中,鋼包車實(shí)現(xiàn)了速率無(wú)縫切換,定位準(zhǔn)確率、控制響應(yīng)時(shí)間均較優(yōu)越。此外,在100次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中,故障次數(shù)為0,達(dá)到了既定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖5 鋼包車單周期運(yùn)動(dòng)控制測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

基于PLC技術(shù),使用激光測(cè)距儀是解決鋼包車定位最精準(zhǔn)和最有效的方法。系統(tǒng)通過(guò)合理地分配PLC硬件和軟件資源,實(shí)現(xiàn)了鋼包車全自動(dòng)、安全、高效控制。