常建国高炉探尺控制系统的设计直流控制.docx

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常建国高炉探尺控制系统的设计直流控制

河南科技学院

2009届本科毕业论文（设计）

论文题目：

高炉探尺控制系统的设计（直流控制）

学生姓名：

常建国

所在院系：

机电学院

所学专业：

应用电子技术教育

导师姓名：

杨青杰

完成时间：

2009年5月20日

摘要

本文介绍了由全数字直流调速器组成的高炉探尺控制系统的工作原理，手动调节的过程和工作特性，并通过实际的调速电路定性的分析了高炉探尺控制系统运行时的状态变化及解决途径。

介绍了西门子SIMOREGDC-MASTER6RA70直流调速装置的使用方法，系统的设计思路，以及全数字控制系统的优越性。

关键词：

直流调速系统,直流电动机,高炉探尺

blastfurnacegagerodthedesignofcontrolsystems（DCcontrol）

Abstract

Thispaperintroducestheall-digitalDCspeedcontrolsystem,workingprinciple,self-adjustingprocessandtheoperatingcharacteristicsandtheactualspeedcontrolcircuitthroughthequalitativeanalysisofautomaticcontrolsystems.SiemensintroducedtheSIMOREGDC-MASTER6RA70DCconvertertouse,systemdesign,andalltheadvantagesofdigitalcontrolsystem.

Keywords:

DCSpeedRegulationSystem,DCMotor,BlastFurnaceGageRod

目录

1绪论…………………………………………………………………………………1

2控制系统的工作原理………………………………………………………………1

2.1直流调速系统的原理………………………………………………………2

2.2高炉探尺系统的工作原理…………………………………………………4

3硬件选择……………………………………………………………………………6

3.1直流电机的选型……………………………………………………………6

3.2PLC的选型…………………………………………………………………9

3.3直流调速装置的选型………………………………………………………12

3.4编码器的选型………………………………………………………………16

3.5硬件接线图…………………………………………………………………20

4软件设计…………………………………………………………………………20

4.1I/O口的选择………………………………………………………………21

4.2程序流程图…………………………………………………………………21

4.3PLC控制程序………………………………………………………………22

5高炉探尺的调试…………………………………………………………………24

致谢………………………………………………………………………………25

参考文献

1绪论

探尺是炼铁厂上料系统的重要组成部分。

在工作过程中，它能准确地指示料面高度和分布状况，因此对整个高炉系统的高效安全运行起着重要作用。

探尺是利用电动机拖动重锤来探测料面高度，高炉探尺系统是对高炉内料面的高低进行测量，并实时显示料线和料速,给出是否加料的信号。

探尺多为铸钢圆柱重锤，长约700mm，由电动机拖动卷筒，通过缠绕在卷筒上的钢丝绳，经滑轮和链索将重锤伸入炉膛内。

现在很多钢铁公司炼铁厂所用探尺传动采用传统的空开、接触器和接触调压器驱动形式。

工作过程为：

提尺时电机定子接入电网额定电压，电机正转；放尺时通过接触调压器使电机定子接入几十伏左右的电压，改变供电相序，电机反转，重锤下放。

老式探尺存在问题：

（1）放尺不畅，电压波动时，放尺速度波动，经常需手动干预。

（2）放尺过程采用小电压且使电机向下转，易松绳，乱绳和倒锤，烧锤。

（3）不能很好跟踪料面，影响及时向炉内布料。

（4）更换重锤时，调试时间相对长。

（5）对重锤重量偏差要求较严。

（6）需经常维护，控制精度低,调试难度大，故障率高维护工作量比较大。

针对老系统的这些缺点，我们运用新兴的工业产品设计出新型高炉探尺工艺控制：

高炉探尺采用直流电机传动，高性能全数字直流调速装置SIMOREGDC-MASTER6RA70驱动控制。

高炉探尺作为监视和控制高炉内料位的重要设备，其控制的关键点在于准确地进行料面跟踪。

新型高炉探尺工艺特点如下：

（1）放尺速度均恒。

（2）准确探测料面。

（3）跟随料面下降。

（4）提尺速度快，停的位置准确。

（5）到达上限位置自动停止。

2控制系统的工作原理

2.1直流调速系统原理

改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：

（1）旋转变流机组。

用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。

（2）静止可控整流器。

用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。

（3）直流斩波器或脉宽调制变换器。

用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。

下面分别对各种可控直流电源以及由它供电的直流调速系统作概括性介绍。

静止可控整流器：

从20世纪50年代开始，采用汞弧整流器和闸流管这样的静止变流装置来代替旋转变流机组，形成所谓的离子拖动系统。

离子拖动系统克服旋转变流机组的许多缺点，而且缩短了响应时间，但是由于汞弧整流器造价较高，体积仍然很大，维护麻烦，尤其是水银如果泄漏，将会污染环境，严重危害身体健康。

因此应用时间不长，到了20世纪60年代又让位给更为经济可靠的晶闸管整流器。

2.2高炉探尺工作原理

准确测量料位是保证高炉正常工作的重要条件，工作过程如下，电机运行时带动重锤上升或是下降，通过采集编码器的脉冲换算出探尺的位置，其系统图如下探尺为铸钢圆柱重锤,由电动机拖动卷筒，通过缠绕在卷筒上的钢丝绳,经滑轮和链索将重锤伸入炉膛内。

图1系统图

探尺系统有三种工作状态：

提尺、放尺和跟随料面。

其系统图如上图。

下面分别就这三种状态说明探尺的控制原理。

要求在直流电机轴端安装增量码盘作为位置检测元件。

电机机轴端接多圈绝对值码盘，信号经高速计数器接口进PLC，由PLC进行处理读出探尺的高度，作为检测探尺位置的信号。

提尺：

探尺处于提尺状态时,电动机正转，如图2所示。

Md为电动机电磁力矩,Mg为重锤重力矩，Mf为系统静摩擦力矩，v为提尺速度。

当重锤以v匀速上升时，电动机电磁转矩Md=Mg+Mf,电动机电磁力矩和电动机转向相同,为驱动转矩，可控硅处于整流工作状态，如图1所示。

图2　提尺状态

放尺:

探尺处于放尺状态时,电动机反转,如图3所示。

当重锤以v匀速下放时，电动机电磁转矩Md=Mg-Mf,电磁转距与电动机转向相反，为制动转矩,电动机处于制动状态，可控硅处于逆变工作状态。

图3　放尺状态

跟随料面:

当重锤下放至料面时,被料面挡住,停在料面上，如图4所示.电动机电磁转矩Md=Mg-Mz，Mz为料面对重锤的支持力矩。

电动机处于堵转状态，可控硅处于整流工作状态。

当料面下降，Mz减小甚至为0时，在Mg的作用下，电动机反转，可控硅又进入逆变工作状态。

图4　跟随料面

重锤下降直到重新停在料面上，这个过程就是重锤跟随料面。

此时，可控硅处于整流和逆变频繁转换过程中。

探尺的跟随性是判断探尺系统好坏的一个重要因素。

如Md太小，Mz偏大，重锤容易发生倾倒现象,探尺就不能反映料面的真实高度。

如Md太大，Mz偏小，重锤就不易完全跟随料面，发生重锤悬浮现象,探尺也不能反映料面的真实高度。

实际应用中,这两种情况都是不允许出现的。

3硬件设备的选型

3.1直流电动机的选型

根据工艺要求，直流电动机参数

型号：

Z4-112/2-1

额定电压440V

电枢电流8.6A

额定转速1500

最高转速3000

励磁电压220V

励磁电流0.75A

功率3kw

效率72.8

3.2PLC的选型

PLC是以微处理器为核心的一种特殊的工业用计算机，其结构与一般的计算机相类似，由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM、EPROM、EEPROM等）、输入接口、输出接口、I/O扩展接口、外部设备接口以及电源等组成。

CPU单元由微处理器、系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器等组成，它是PLC的核心部件，是由大规模或超大规模的集成电路微处理芯片构成，主要完成运算和控制任务，可以接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。

进入运行状态后，用扫描的方式接收输入装置的状态或数据，从内存逐条读取用户程序，通过解释后按指令的规定产生控制信号。

分时、分渠道地执行数据的存取、传送、比较和变换等处理过程，完成用户程序所设计的逻辑或算术运算任务，并根据运算结果控制输出设备。

存储器单元按照物理性能分为两类，随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

随机存储器由一系列寄存器阵组成，每位寄存器可以代表一个二进制数，在刚开始工作时，它的状态是随机的，只有经过置“1”或清“0”的操作后，它的状态才确定。

若关断电源，状态丢失。

这种存储器可以进行读、写操作，主要用来存储输入输出状态和计数器、定时器以及系统组态的参数。

为防止断电后数据丢失，可采用后备电池进行数据保护，一般可以保存5年，当电池电压降低时，欠电压指示灯发光，提醒用户更换电池。

只读存储器在两种，一种是不可擦除ROM，这种ROM只能写入一次，不能改写。

另一种是可擦除ROM，这种ROM经过擦除以抂这可以重写。

其中EPROM只能用紫外线探险内部信息，E2PROM可以用电擦除内部信息，这两种存储器的信息可以保留10年左右。

输入输出单元由输入模块、输出模块和功能模块构成，是PLC与现场输入输出设备或其他外部设备之间的连接部件。

PLC通过输入模块把工业设备或生产过程的状态或信息读入中央处理单元，通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出模块输出给执行单元。

输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC外部，输出模块具有隔离PLC内部电路和外部执行单元的作用，还具有功率放大的作用。

输出模块有晶体管输出模块、晶闸管输出模块和继电器输出模块。

接口单元包括扩展接口、编程器接口、存储器接口和通信接口。

扩展接口是用于扩展输入输出单元。

它使PLC的控制规模配置得更加灵活。

这种接口为总线形式，可以配置开关量的I/O单元，也可以配置如模拟量、高速计数等特殊I/O单元及通信适配器等。

编程器接口是连接编程器的，PLC本体通常是不带编程器的。

为了能对PLC编程及监控，PLC上专门设置有编程器接口。

通过这个接口可以接各种形式的编程装置，还可以利用此接口做通信、监控工作。

存储器接口是为了扩展存储器而设置的。

用于扩展用户程序存储区和用户数据参数存储区，可以根据使用的需要扩展存储器。

其内部也是接到总线上的。

通信接口是为了在微机与PLC、PLC与PLC之间建立通信网络而建立的接口。

PLC选用西门子的小型PLC：

S7-200。

CPU选用226，S7-200是SIEMENS公司推出的一种小型PLC，具有如下特点：

（1）它结构紧凑

（2）扩展性良好

（3）指令功能强大

（4）价格低廉

S7-200PLC的产品：

（1）集成一定数字I/O点的CPU：

CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM

（2）扩展模块：

主要有数字量扩展模块：

EM221、EM222、EM223，模拟量扩展模块：

EM231、EM232、EM235。

（3）通讯模块：

EM277、EM241等其它模块：

特殊功能模块可以十分方便地组成不同规模的控制器。

其控制规模可以从几点到几百点。

S7-200PLC可以方便地组成PLC-PLC网络和微机-PLC网络，从而完成规模更大的工程。

S7-200的编程软件：

STEP7-Micro/WIN32。

该编程软件可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控。

使得PLC的编程更加方便、快捷。

可以说，S7-200可以完美地满足各种小规模控制系统的要求。

表1CPU226技术指标

程序存储器

4096字

用户存储器

2560字

存储器类型

EEPROM

存储卡

EEPROM

数据后备（超级电容）

190h

编程语言

LAD、FBD和STL

程序组织

1个组织块（可以包含子程序和中断程序）

本机I/O

24点输入/16点输出

扩展模块数量

7个模块

数字量I/O映像区

256点（128点输入/128点输出）

数字量I/O物理区

248点（128点输入/240点输出）

模拟量I/O映像区

32路畭32路输出

模拟量I/O物理区

35路（28路畭7路输出）或14路输出

布尔指令执行速度

0.37μs/指令

计数器/定时器

256/256个

顺序控制继电器

256个

基本运算指令

11项

增强功能指令

8项

FOR/NEXT循环

有

整数运算（算术运算）

有

实数运算（算术运算）

有

内置高速计数器

6个（30kHz）

内置模拟电位器

2个（8位分辩率）

脉冲输出

2个高速输出（20kHz）

通信中断

1发送器/2接收器

定时中断

2个（1～255ms）

输入中断

4个

口令保护

3级口令保护

通信

2个2个RS-485通信接口可用作PPI接口、MPI从站接口和自由口

3.3直流调速装置的选用

为了更好的与西门子PLC配合使用，直流调速装置选用西门子公司生产的6ra70直流调速柜.6RA70直流调速装置简介如下：

6RA70SIMOREGDCMASTER系列整流器为全数字紧凑型整流器，输入为三相电源，可向变速直流驱动用的电枢和励磁供电，额定电枢电流从15A至2200A。

紧凑型整流器可以并联使用，提供高至12000A的电流，励磁电路可以提供最大85A的电流（此电流取决于电枢额定电流）。

根据需要整流器可以单象限和四象限工作。

它具有性能可靠，操作舒适和运行平稳等优点。

因此，由于某些技术和经济的因素直流传动应用于许多工业领域：

－成本较低的四象限运行

－转速较低时持续运转

－既使在转速较低时也能提供全部转矩

－较高的启动转矩

－在恒功率时有较大的调速范围

－较小的占地面积

－可靠性。

SIMOREGDC-MASTER家族包括各种型号－功率范围.3kW~1900kW，用于电枢和励磁馈电，单/双或四象限传动。

并且SIMOREGDC-MASTER具有高动态性能：

电流或转矩上升时间大大低于10ms。

功率部分和冷却SIMOREG6RA70系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其结构紧凑，用于可调速直流电机电枢和励磁供电，装置额定电流范围为15～2200A，并可通过并联SIMOREG整流装置进行扩展。

根据不同的应用场合，可选择单象限或四象限工作的装置，装置本身带有参数设定单元，不需要其它的任何附加设备即可完成参数的设定。

所有的控制、调节、监视及附加功能都由微处理器来实现。

可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量。

SIMOREG6RA70系列整流装置特点为体积小，结构紧凑。

装置的门内装有一个电子箱，箱内装入调节板，电子箱内可装用于技术扩展和串行接口的附加板。

各个单元很容易拆装使装置维修服务变得简单、易行。

外部信号的连接（开关量输入/输出，模拟量输入/输出，脉冲编码器等）通过插接端子排实现。

装置软件存放在快闪（Flash）EPROM中，使用基本装置的串行接口可以方便地使软件升级。

功率部分：

电枢和励磁回路电枢回路为三相桥式电路。

单象限工作装置的功率部分电路为三相全控桥B6C。

四象限工作装置的功率部分为两个三相全控桥（B6）A，（B6）C。

励磁回路采用单相半控桥B2HZ。

额定电流15～1200A的装置，电枢和励磁回路的功率部分为电绝缘晶闸管模块，所以其散热器不带电。

电流≥1500A的装置，电枢回路的功率部分为平板式晶闸管。

这时散热器是带电的。

功率部分的所有接线端子都在前面。

冷却额定电流≤125A的装置为自然。

风冷，额定电流≥210A的装置为强迫风冷（风机）。

6RA70SIMOREGDCMASTER系列整流器以其紧凑和节省空间的结构为特色，由于各个的部件容易接近，其紧凑式设计使他们特别容易保养与维护，电子板箱包含基本电子板和任何附加板。

所有SIMOREGDCMASTER装置均配备一个安装在整流器门上的简易操作面板PMU，面板由一个5位，7段显示，作为状态显示三个LED和三个参数设置键组成。

PMU还具有根据RS232或RS485标准同USS接口的连接器X300。

操作面板提供了为了启动整流器所需进行的调整和设定及测量值显示的所有工具。

OP1S整流器选件操作面板既可以安装在整流器门上，又可外部安装，例如在柜门上。

因此，他可以通过一根5米长电缆连接。

如果有一个独立的5V电源可以使用，则电缆可长至50米。

OP1S通过X300连接到SIMOREG。

OP1S可以作为一个经济的测量仪器安装在控制柜，用来显示一定数量的物理测量值。

OP1S提供一个4×16字符的LCD以简单文字显示参数名称，可以选择德语，英语，法语，西班牙语和意大利语作为显示语种。

为了容易地下载参数到其他装置，OP1S可以存储参数组。

通过基本单元上的串行接口，应用适当的软件，标准的PC机也可以对整流器进行参数设置。

这个PC接口可用在启动、停机维护和运行诊断过程中。

此外，整流器的软件升级可通过这个接口，装载存储到闪存中。

单象限工作的整流器，电枢由三相全控桥B6C供电，四象限工作整流器通过两个三相全控桥（B6）A（B6）C无环流反并联连接电路供电。

励磁供电采用2脉冲单相半控桥方案B2Hz。

电枢和励磁的供电频率可以不相同（在45~65Hz范围之内），工作在扩大的频率范围23Hz~110Hz需询问。

电枢回路的供电相序不要求。

对于额定直流电流为15~850A（在400V电源电压时1200A）的整流器，电枢和励磁的功率单元采用独立晶闸管模块结构，散热器是绝缘的。

对于高于上述额定电流的整流器，电枢回路的功率单元由平板式晶闸管和散热器构成（晶闸管组件），其外部是带电的。

机箱和电源联接处的端子盖为在附近工作的操作人员提供意外触电保护，所有的接线均位于正面。

功率单元的冷却系统通过温度传感器来监控。

为了通过PC启动装置和诊断：

可以通过相应的软件。

通过基本装置的USS接口实现PC与SIMOREG的连接。

软件提供下列功能：

菜单索引的参数存取。

参数组读及写。

将现有的参数组复制到同系列的其它装置上。

打印参数组。

通过控制字进行操作（开关量命令，如开/关命令）及施加给定值。

通过状态字进行监控（整流器工作状态反馈信号）及读出实际值。

读出故障信号和报警信号。

读出跟踪缓冲存储器中的内容（SIMOREG中的示波器功能）。

软件结构：

两台高效能的微处理器（C163和C167）承担电枢和励磁回路所有的调节和传动控制功能。

调节功能在软件中通过参数构成的程序模块来实现。

连接器：

调节系统中所有重要的量可用连接器来存取。

经连接器获得的量与测量点相对应并作为可存取的数字值。

连接器的标准标定为每100%14位（16384级）。

该值可在装置内部被使用，如控制给定值或改变限幅。

还可通过操作面板，模拟量输出及串行接口输出。

下列量可通过连接器被访问：

模拟输入/输出实际值传感回路的输入斜坡函数发生器、限幅电路、触发装置、调节器、自由软件模块的输入和输出数字量固定给定值常用值如运行状态，电机温度，晶闸管温度，报警存储器，故障存储器，运行时间，处理器容量利用等。

开关量连接器：

开关量连接器是能采用数值为“0”或“1”的数字控制信号，主要用于接入一个给定值或执行控制功能。

开关量连接器也能通过操作面板，开关量输出或经串行接口被输出。

下列状态可经开关量连接器进行访问：

关量输入状态固定控制位调节器、限幅电路、故障、斜坡函数发生器、控制字，状态字的状态。

结合点：

结合点由软件模块的输入通过相应的参数决定。

在相应参数连接器信号的结合点上对所希望的信号引入连接器编号，以便确定哪些信号被作为输入量。

这样，不仅模拟输入和接口信号，而且内部量都可用做给定值，附加给定值，极限值等等。

在开关量连接器信号结合点上引入作为输入量的开关量连接器编号，以便通过开关量输入，串行接口的控制位，或调节中生成的控制位，执行控制功能或输出一个控制位。

参数组的转换参数号为P100～P599的参数及其它几个参数共分为4组，通过开关量连接器可选择哪一组参数有效。

这样一台装置最多便可交替地控制4台不同的电机。

也即实现了传动转换。

这时下列功能的设定值可转换：

•电机和脉冲编码器的定义调节系统的优化电流和转矩限幅转速调节器-实际值-处理•转速调节器励磁电流调节•EMF-调节斜坡函数发生器转速极限监控和极限值•数字给定值•工艺调节器•电动电位计摩擦补偿惯性力矩补偿转速调节的适配。

BICO数据组的转换：

BICO数据组可通过控制字（输入开关量连接器）进行转换。

这时即可选择在结合点哪些连接器量值或开关量连接器量值有效。

这样就可使调节器结构或控制量灵活匹配。

电动电位计：

电动电位计通过控制功能“增大”，“减小”，“顺时针/逆时针”，“手动/自动”发挥作用，且本身带有加减速时间可分别设定及一个可调节的圆弧的斜坡函数发生器。

通过参数对调节区域（最小和最大输出量）进行设定。

通过开关量连接器施加控制功能。

在自动状态时（在“Auto”位置）电动电位计的输入由一个可自由选择量（连接器编号）确定。

这时可以选择斜坡函数发生器的时间是否有效，或输入是否可直接加到输出。

在“手动”位置时，给定值的调整借助“增大”“减小”功能。

此外，还可选择，掉电时输出是否回零或最后一个数值是否被存储。

该输出量通过一个连接器可任意使用。

例如，作为主给定值，附加给定值或极限值__电枢回路中的调节功能。

转速给定值：

转速给定值和附加给定值的给定源可通过参数设定自由选择，模拟量给定0～±10V0～±20mA4～20mA通过内装的电动电位计给定通过具有固定给定值，点动，爬行功能的开关量连接器给定•通过基本装置的串行接口给定•通过附加板给定一般情况下100％给定值（主给定值和附加给定值之和）对应电机最大转速。

给定值可由参数设定或连接器限制其最大值和最小值。

此外，软件中还有加法点，比如，为了能在斜坡函数发生器之前或之后输入附加给定值。

通过开关量连接器可选择“给定值释放”功能，经过可参数设定的滤波（PT1-滤波器）以后，总的给定值作用于转速调节器的给定值输入端，这时斜坡函数发生器有效。

入或串行接口被输入。

限幅器作用于励磁电流给定值。

励磁电流的最大和最小给定值可分别限定。

通过一个参数或一个连接器进行限幅。

这时，最小值作为上限，最大值作为下限。

励磁电流调节器：

励磁电流调节器是一个PI-调节器，KP和Tn可分别设定。

此外尚可作为纯粹的P-调节器和I-调节器来使用。

与励磁电流调节器