焦炉电机车控制系统的设计.docx
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焦炉电机车控制系统的设计
焦炉电机车控制系统的设计
摘要
随着工业控制过程中控制要求的不断提高，系统的性能也在不断的进行完善。
现今，工业控制系统的设计不仅注重其实用性，更加趋向于向着安全性、可靠性、直观性而发展。
本文对于焦炉电机车控制系统的设计，采用了以变频器连接电源、电机，构成焦炉电机车的拖动系统，实现其基本的控制功能，避免了以往其复杂的运行及调速、复位等环节。
对于电机车的操作系统，设计了与电机车相对应的触摸屏来实现人机交流，使其操作更加的灵活、安全、可靠、直观。
本文首先介绍了焦炉电机车的基本组成及工作原理，然后介绍了在本次设计中变频器的选择，并阐述了如何按照设计思想应用变频器对电机车进行连接与控制，最后详细的阐述了本设计中的整个拖动系统是如何通过操作系统来实现控制的。
关键词：
焦炉电机车，变频器，触摸屏
TheCokeOvenElectricLocomotiveControlSystemDesign
Abstract
Withtheunceasingenhancementofcontrolrequestsinindustrycontrolledprocess,thesystemperformancehasalsobeenimproved.Nowadays,notonlytheindustrycontrolsystemdesignpaysgreatattentiontoitsuse,evenmoretendstothedevelopmentofthesecurity,thereliability,theintuition.Regardingthecokeovenelectriclocomotivecontrolsystemdesign,thisarticlehasusedtheconvertertoconnectthepowersourceandtheelectricalmachinery,constitutedthecokeovenelectriclocomotivecontrolsystem,realizeditsbasiccontrolfunction,hasavoidedformerlycomplexlinksofmovementandvelocitymodulationreplacement.Regardingtheelectriclocomotiveoperatingsystem,thisarticlehasdesignedthetouchscreenwhichcorrespondswiththeelectriclocomotivetorealizetheman-machineexchange;evenmorecauseditsoperationtobenimble,tobesafe,tobereliable,tobedirect-viewing.
Thisarticlehasfirstintroducedthecokeovenelectriclocomotive'sbasiccompositionandtheprincipleofwork,thenintroducedthechoiceoftheconverterinthisdesign,andelaboratedhowtousethedesignconcepttocarryontheconnectionandthecontrolfortheelectriclocomotivebytheconverter,finally,ithasdetailedelaboratedhowthedrivensystemisrealizedthroughtheoperatingsysteminthisdesign.
Keywords：
cokeovenelectriclocomotive,converter,touchscreen
1绪论
1.1焦炉电机车的发展过程
焦炉电机车是焦炉四大车之一，在炼焦工艺生产中，电机车是红焦装入设备的重要组成部分，它运行在焦侧的熄焦轨道上，用于牵引、制动焦罐台车，控制圆形旋转焦罐的旋转动作和完成接送红焦的任务。
焦炉电机车的发展大致经历了三个阶段：
第一阶段：
最原始的焦炉电机车是一种简单的操作人员手动控制机车，它只能实现简单、基本的控制要求及控制任务。
它没有完善的预警、报警以及故障检测装置，只能够简单的由操作人员控制行驶，完成最基本的接送红焦的任务。
并且由于当时技术的不完善，原始的焦炉电机车有很明显的缺点：
设备体积大，可靠性差，准确性差，功能少，难以实现较复杂的控制。
此时的焦炉电机车只是一种基本的运输工具，通用性和灵活性较差。
第二阶段：
随着控制系统的基本发展，焦炉电机车控制系统也在随着技术的进步而不断地完善。
在这一阶段，首先对焦炉电机车的车体进行了改进，将其设计为由机器室、操作室、平台、走梯及栏杆等结构件组成。
机器室分为机械室和电气室，上部开有检修孔。
对整车而言，机器室顶部为一平台。
机械室内设空压机，电气室为整体隔热式，内设电气柜和气阀站、冷风机等。
操作室由平台支撑，置于车外侧，为整体隔热式，室内设操作台、控制箱、信号联络装置及冷风机等。
冷风机用压缩机置于司机室外。
靠炉侧设有风包及电源滑触线支架。
电机车两端设有刚性板钩插销连接，用于连接焦罐运载车。
其次对车体的走行装置进行了改进，将其设计为由传动机构、车架、车钩和碟簧等组成。
并且将原来的一套传动机构改进为两套，每套均由电机通过齿轮联轴器连接二级减速机。
此时的焦炉电机车已经能够完成一些较复杂的控制任务，并且在调速方面以及故障检测方面都有了明显的提高。
同时焦炉电机车也具有较高的灵活性、通用性，并且设备功能比较完善，在实际的炼焦工艺生产中得到了广泛的应用。
第三阶段：
在现代工业控制过程中，不仅要求其控制系统的实用性，更加趋向于安全性、灵活性、可靠性、直观性而发展。
在这些多方面的控制要求下，国内外许多研究中心都在不断的对焦炉电机车进行创新与改进，研制出了多种焦炉电机车的控制方案，并且已经将其研究成果全面的投入到实际生产过程中。
目前所生产的焦炉电机车具有十分完善的设备功能，主要由车体、走行装置、制动装置、气路系统、空调系统及电气系统组成。
在制动方面电机车采用三种制动方式：
电机车采用变频器控制的制动电阻能耗制动；圆盘制动器气动制动；焦罐台车由电机车气路系统控制其气动闸瓦制动。
在调速方面多采用变频器调速，手动控制，设有“左低、左中、左高、停止、右低、右中和右高”七个档位，分别控制电机车的停止、左右方向的高、中和低速运行，这样避免了以往复杂的调速环节且具有良好的节能性。
在实现其控制的直观性方面，同时将PLC与电机车相结合，实现了全方位的故障检测及报警功能。
1.2PLC的发展与应用
20世纪80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了惊人的发展，使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用等方面都有了新的突破。
不仅控制功能增强，功耗、体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且远程I/O和通信网络、数据处理以及图像显示也有了长足的发展，所以这些已经使PLC应用于连续生产的控制系统，使之成为今天自动化技术的三大支柱之一。
PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使其应用受到限制。
但最近十多年来，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：
一方面由于微处理器芯片及有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大加强，它也能解决复杂的计算机和通信问题。
目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。
在本次设计中，PLC主要用来构成操作系统的一部分，它与人机界面通过DH+端口相连，构成整个焦炉电机车的操作系统，用此操作系统来实现对焦炉电机车的监控，从而实现人机交流。
1.3论文的主要内容
在炼焦工艺生产中，焦炉电机车起着十分重要的作用，因此对于焦炉电机车的改进具有很大的意义。
针对于这方面，在本次设计中我选用了焦炉电机车控制系统对其进行设计。
目前，对于焦炉电机车控制系统的设计，国内外一些相关院所进行了多种尝试与研究，并将设计广泛应用于焦炉接、送焦的工作中，并且已经取得了很好的效果。
对于本次设计的焦炉电机车，本文分两部分进行论述。
其中包括焦炉电机车拖动系统的设计以及焦炉电机车操作系统的设计。
对于焦炉电机车的拖动系统本次设计采用变频器来完成，这样避免了其以往复杂的运行及调速、复位等环节，使系统的性能更加完善，使其更加趋向于安全性、灵活性、可靠性而发展。
对于焦炉电机车操作系统的设计采用触摸屏来实现人机交流，用这种方法可以使对电机车的控制更加安全、直观。
2拖动系统的设计
拖动系统的设计是焦炉电机车整个设计中的及其关键的一部分，它是电机车性能的主要决定因素。
下面将具体介绍对于焦炉电机车拖动系统的设计方法。
2.1焦炉电机车拖动系统的工作过程
对于焦炉电机车拖动系统的工作过程，本文主要从工作流程图及具体的动作过程两方面进行论诉。
2.1.1焦炉电机车的工作流程图
图2.1电机车的工作流程图
2.1.2焦炉电机车拖动系统的工作过程
电机车位于焦侧的熄焦轨道上，等待接焦信号的发出。
当电机车收到接焦信号时，操作人员接通主电源，此时，电机保护继电器接通。
随即操作人员控制走行风机、变频器风机开关使其闭合，电机车走行风机以及变频器风机开始工作。
准备工作完成之后，操作人员将启动开关扳向左行或者右行端，电机车启动，牵引焦罐台车开始向接焦信号走行。
当电机车刚开始走行时，操作人员闭合低速控制开关，电机车处于低速运行状态。
行驶一定距离后，同样可通过闭合中、高速控制开关，调节电机车的速度，使其从低速上升到中、高速。
当电机车接近熄焦信号时，再次调节电机车的速度，令其低速稳定运行，这样有利于电机车的正常、安全停止与对位。
（在走行的过程中，操作人员也可以根据具体的情况与要求来控制电机车的高、中、低速度）
当电机车到达预定的焦炉时，操作人员扳动开关，使电机车停止，接着电机车牵引的焦罐台车与拦焦车对位，接焦。
接焦工作结束后，控制人员解除联锁，电机车再次允许走行。
接着按上述的启动过程将电机车启动，电机车牵引焦罐台车向熄焦站走行，同样在走行的过程中可以控制电机车进行高、中、低速度的切换。
在电机车到达熄焦站后，提升机向焦罐台车上送空罐，司机发出抱闸指令。
整个接空罐的动作过程结束后，电机车继续走行，随即进行满罐的提升。
当整个的工作过程结束后，操作人员按下总的停止开关，电机车停止，一定的延时之后，风机也停止工作。
断开电源，控制系统所有的部分都停止工作，等待下一个接焦信号的发出。
控制系统在整个工作过程中，主要进行走行、调速、制动等操作。
而要使这些操作过程更加的简单、安全、灵活则可以通过变频器所实现。
综合焦炉电机车的整个工作过程以及所要实现的控制要求，本设计决定采用变频器来实现整个控制功能，通过变频器的输入输出端子，将控制部分与电机车的电动机相连，从而构成整个拖动系统。
下面将具体介绍一下每一个控制部分是如何来设计的。
2.2拖动系统的设计
对于所要设计的整个电机车拖动系统来说，首先要考虑如何通过变频器将电源与电机车相连，从而实现初步的控制愿望。
那么根据所构思的控制框架，将拖动系统的简单轮廓设计如下图2.2所示：
变频器的主电源输入端子R、S、T连接外部输入电源。
由走行开关—QF21及走行变频器接触器—KM21控制。
变频器的输出端子U、V、W连接电机，用来控制电机的动作。
由于焦炉电机车是用来接送红焦的装置，因此必须装有风机。
在设计中，主要设置了走行风机以及变频器风机。
走行风机随着电机的启动与停止来进行动作，而变频器风机则有其自己的动作控制。
当电机车左行或者右行的时候，变频器风机开始启动。
而当电机车停止运行时，变频器风机则要延时关断，防止红焦过热对装置造成伤害。
变频器风机的启动与停止由开关—QF22所控制。
（如图2.3所示，当电机车的左行开关—1KF或者右行开关—1KB闭合的时候，变频器风机运行。
在控制设计中加入了断电延时继电器，当电机车从走行到停止时，变频器风机延时断开）
出于对一些意外情况的考虑，将走行风机的停止设计成为也可以由制动单元控制器来控制。
当制动单元控制器出现故障时，—KH1或者—KH2断开，走行风机停止。
图2.2变频器与电源及电机车的连接图
图2.3风机设计原理图
将拖动系统的初步构型建立以后，应进一步考虑每一具体部分的实现方法。
下面将具体论诉对于实现控制系统功能的每一部分的设计。
2.2.1焦炉电机车走行部分的设计
根据焦炉电机车的工作过程可知，电机车走行部分实现主要包括控制电源的通断、电机风机的适时工作、接焦及接、送焦罐动作后的允许走行控制、以及正常的走行（左行以及右行）、停止、综合保护等功能。
基于对以上功能实现的考虑，将焦炉电机车走行部分的设计如下图2.4所示：
当零位保护及制动单元都就位时（即—K12、—K14就位时），按下启动按纽02—SS1，走行变频器接触器—KM21接通，同时开关—KM21闭合，控制系统的电源接通，整个控制系统开始工作。
当接焦工作完成时，操作人员按下走行允许按纽02—3SA（即解除联锁按钮），控制系统的所有部分就位，电机车开始走行。
在设计中加有联锁保护，是为了避免在接焦的过程中电机车意外走行。
当操作人员按下停止按纽02—1ST，电源断开，所有部分停止工作。
电源
解除联锁
零位保护
综合保护及走行允许
图2.4走行设计原理图
2.2.2焦炉电机车制动部分的设计
对于应用变频器来实现电机车的控制功能，电机车制动部分的设计首先应基于变频器来实现。
（如图2.5所示）变频器的连接制动单元的主线端子P2、N连接制动单元，制动单元连接制动电阻。
制动电阻的选择应包括制动电阻的阻值和容量，前者决定制动时流过电阻的电流，后者决定电阻容许的发热量。
由于制动电阻通常工作在断续工作制，电阻容量的选择应考虑工作的时间。
在选择制动电阻的阻值和容量时要对系统的制动能量进行仔细的校核。
通过对焦炉电机车工作时间的了解及对相关资料的查阅，本次设计中制动电阻选择12欧姆、5千瓦。
关于制动单元的选择应基于所选变频器的种类、型号来进行适当的匹配。
图2.5电机车制动部分的设计
2.2.3焦炉电机车调速部分的设计
电机车调速部分要实现的功能主要包括两个方面：
首先是对于电机车左行以及右行的控制，其次是实现其基本的调速功能，电机车低、中、高速的切换。
本次设计采用变频器来实现拖动系统调速部分的控制要求。
如图2.6所示，变频器输入端的FX、RX（即正方向运转指令、反方向运转指令控制端）分别接入开关—1KF、—1KB，也就是当开关—1KF闭合时，变频器收到正转指令信号，通过输出端向电机传达，电机正转。
当开关—1KB闭合时，变频器收到反转指令信号，并同样通过输出端向电机传达，电机反转。
开关—K13、—K14并联后接入变频器的输入端BX（变频器输出封锁指令）。
这样控制实现的功能是当—K13、—K14动作后，变频器输出封锁，不向外部发出输出指令，即电机紧急停止。
变频器的P1、P2、P3端为多功能输入端子，具有多功能运行功能，出厂时定义为多步速度指令。
在本设计中，通过开关—K8、—K9、—K10来向变频器输入速度控制信号，通过变频器的输出端向电机发出指令，来控制电机的低、中、高速度。
变频器的复位信号输入端子RST由开关05—K7控制接入，它位于PLC柜内，用于在故障排除后等情况下对变频器的复位。
变频器的A、C端接故障输出继电器，故障输出时启动继电器工作。
变频器的端子CM为七个端子（FX、RX、BX、P1、P2、P3、RST）的公共端子。
在一些意外的情况下，如当走行变频器外部故障或是走行变频器制动单元故障发生时（即当电机车过载或是制动电阻，制动单元控制器发生故障时），连入变频器输出封锁端子的常闭开关—K13、—K14动作，变频器输出封锁，电机车紧急停止。
对于变频器的故障复位端子RST则是通过开关05—K7的通断来控制。
当故障排除后，操作人员闭合开关05—K7，变频器故障复位，在经过故障输出后，变频器重新开始工作。
图2.6电机车调速部分的设计
2.2.4变频器的选择及基本接线图
在上述所设计的电机车拖动系统的走行、调速、制动等环节都是围绕变频器展开的，那么变频器的选择也便是设计的一个基本环节。
在查找、调查、比较后，本次设计选择使用LG产电的通用变频器（SV160iH—4系列）。
（1）变频器的选择
本次设计选用LG产电的通用变频器（SV160iH—4系列）。
它属于380V级变频器，具有强大的功能。
A高转矩强有力地运行：
通过转矩在低速中发挥高转矩，即使负荷变化大也能实现强有力运行。
B多功能特性：
任意V/F设置多功能输出入功能
载波频率可变功能防止跳闸功能
自动节能功能瞬时停电再启动功能
磁通量功能直流制动功能
C完善的保护功能：
过流保护、过压保护、过载保护、欠压保护、电机过热保护、变频器过热保护、缺相保护、外部故障保护、IGBT断路保护。
D超低噪音：
使用高功能DSP与IGBT消除变频器自有的特殊噪音实现低噪音、低震动、高效率。
其具体的规格如表2.1所示。
该表具体地介绍了本次设计中所选用的变频器的型号以及规格；描述了其对于所搭配的电机的一些要求以及此型号变频器在额定输入、额定输出、控制、运行、多功能输入以及输出、保护功能、使用环境等方面的具体参数的定义。
表2.1所选变频器的型号及规格
变频器型号
SV160
iH-4
最大适用
电机
（HP）
215
（kW）
160
额定输出
功率（kVA）
250
电流（A）
325
最高频率
400Hz
输出电压
200～230V
额定输入
电压
3相200～230V（±10％）
频率
50～60Hz（±5％）
控制
控制方式
脉宽调制（空间）失量控制PWM
解频精度
0.01赫兹
控制精度
数字给定:
最高频率的0.01％
模拟给定:
最高频率的0.1％
V／F曲线
直线,抛物线（1.5次方）,用户设置,自动补偿
制动转矩
约20％
过载能力
150％1分钟
转矩补偿
0～20％设置功能,转矩自动补偿功能
运行
运行方式
键操作／端子排操作运行选择功能
频率给定
模拟给定:
0～10V／4～20mA／电位器
数字给定:
使用输入器（键操作）
加减速时间
0.1～6,000秒可分别设置8种时间和功能选择（使用端子排）
多步运行
设置8种速度和运行功能（使用端子排）
多功能
输入输出
多功能输入
多功能输入端子6点
多功能输出
多功能输出端子5点
保护功能
变频器失控
（故障）
过压,欠压,过流,熔断器损坏,漏电（落地）保护,变频器过热,
电机过热，主CPU错误等故障保护等等
防止失速
变频器按拖速方式运行,防止过电流
瞬时停电
15毫秒以内:
继续运行
15毫秒以上:
自动重启动
使用环境
环境温度
-10℃～40℃
相对湿度
90％以下（不许发生结露现象）
海拔高度
1,000米以下
冷却方式
强制风冷方式
（2）变频器的基本接线图
图2.6变频器基本结构图
（3）变频器的端子功能说明
对于本次设计所选用的LG系列变频器，其端子的功能说明如下表2.2所示
表2.2变频器端子的功能说明
端子名称
功能说明
R
电源输入接线端子（3相220V/380V）
S
T
E
接地端子
U
变频器3相输出端子，连接电动机
V
W
E
接地端子
P1
直流阻抗或外接制动单元连接端子
P2
N
外接制动单元连接端子
V1
频率给定的电压信号输入端子（0～+10伏）
VR
用于频率给定的电源电压输出端子（直流+11伏）
I
频率给定的电流信号输入端子（4～20毫安）
FM
输出频率的监视用脉冲输出端子
5G
V1,I,FM公共端子
FX
正方向运转指令
RX
反方向运转指令
BX
变频器输出封锁指令
RST
复位信号输入端子
P1
多功能输入端子1（出厂时设置为”多步速度指令”）
P2
多功能输入端子2（出厂时设置为”多步速度指令”）
P3
多功能输入端子3（出厂时设置为”多步速度指令”）
P4
多功能输入端子4（出厂时设置为”多步加减速指令”）
P5
多功能输入端子5（出厂时设置为”多步加减速指令”）
P6
多功能输入端子6（出厂时设置为”多步加减速指令”）
P7
没有使用
CM
FX,RX,BX,P1,P2,P3,RST的公共端子
OC1
多功能输出端子1（出厂时设置为”速度一致信号”）
OC2
多功能输出端子2（出厂时设置为”速度检出信号”）
OC3
多功能输出端子3（出厂时设置为”过载报警信号”）
EG
多功能输出（OC1，OC2，OC3）公共端子
1A
多功能输出辅助继电器
1B
2A
多功能输出辅助继电器
2B
30A
故障信号输出端子（A接点）
30B
故障信号输出端子（B接点）
30C
故障信号输出公共端子
IO
4～20毫安电流输出端子
（4）变频器的控制参数调动
在本次设计中，我选用了LG变频器iH系列。
该变频器有自身的控制参数定义，而针对本次焦炉电机车控制系统的设计，现将控制参数改动的部分加以说明。
对于变频器的功能组：
将频率给定方式设置成Terminal控制端子的形式，运行指令方式设置成Terminal-1形式，将瞬时停电重启动选择定义成为YES形式。
对于输入输出组：
将故障记录显示定义为故障状态形式，而具体的时间和频率以及端子接点输入状态显示则根据控制系统的具体要求而进行选择。
以上便是对焦炉电机车拖动系统的设计。
此外，设计中还加入了联锁保护、解除以及走行报警等。
联锁保护用来限制电机车在装焦时候的意外走行，它与走行允许开关有相似的功能，对于装焦的整个过程起到保护的作用。
对于走行报警的设计装置，是当电机车走行的时候向外发出响笛，起到安全提醒的作用。
另外，设置声光报警器，当电机车发生故障时，故障指示灯闪烁，同时报警电铃接通报警。
当操作人员发现故障后，按下确认开关，指示灯常亮，电铃报警停止。
故障解除后，指示灯熄灭。
3操作系统的设计
对于设计的拖动系统环节，其人机交流是通过操作系统来控制实现的。
本次设计中，操作系统（即操作人员对电机车的控制）是由触摸屏与PLC所构成。
触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。
它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备，而且触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多
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