高炉上料数字主令控制器的设计

摘 要高炉上料是炼铁生产的重要环节，可靠完美的上料自动控制及数据采集对于高炉的顺利稳产、降低焦比、提高产量质量起着重要的作用。本文所要 论述的是卷扬上料小车在运行过程中，是如何设计一个完备精确的控制系统数字主令控制器，来对上料小车进 行位置检测，以完成整个上料过程。关键词：PLC ，数字主令控制器，上料自 动控制1Desigh of Digital Master ControllerAbstractThe input of blast furnace stuff is an important segment in iron works,and it is both the reliable perfect auto-control of stuff input and data gathering that plays a signaficant role in the blast furnaces successfully steady production,coking propotion reduction and increase of the quality and production.What this paper discusses is,in the motion of windlass stuff input car,how the car measures the displacement to complete the process of the stuff input through the digital master controller.Key Words：PLC， Digital master controller， Auto-control of stuf2目 录1 概况 .11.1 工业背景 .11.2 国内外发展状况 .21.2.1 第一代主令开关 .21.2.2 第二代主令开关 .32 设计思想 .33 硬件设计 .53.1 控制系统的组成 .53.2 可编程控制器 .53.3 数字主令控制器 .63.4 中央控制器 .73.5 变频器 .73.5.1 交流变频调速器的基本概念及原理 .73.5.2 交流变频器的功能 .83.5.3 交流变频器的控制 .93.6 旋转编码器 .93.7 工业现场措施 .104 软件设计 .104.1 控制系统的实现 .104.2 软件编程中需解决的问题 .124.2.1 编码转换 .124.2.2 码器过圈 .124.2.3 原点设定 .134.2.4 物体位置的计算 .134.2.5 限位输出 .134.2.6 操作面板 TD200 编程组态 .134.2.7 保护功能 .134.3 软件控制设置 .135 主要技术参数 .166 结束语 .17致谢 .17参考文献 .18附录 PLC 程序梯形 图 .1931 概况1.1 工业背景现今，高炉工艺设备相对落后，原料利用效率低， 环 境恶劣，设备很多还是采用七十年代的有料钟设备， 备件庞大笨重，布料 还 是采用机械有机变速布料器。故布料不理想，不能做到均匀布料。卷扬上料小车是高炉及其他工业竖炉的主要设备之一，广泛应用于冶金、有色金属等行业。该设备在整个系统中起着至关重要的作用，它能否正常运行直接影响高炉炉况、产品产量和 质量。高炉上料就是把各种料按工艺规定的重量比例，根据炉内冶炼的状况，以一定的顺序和速度从料仓送入到炉内。图1是上料流程示意图。图1 上料流程示意图下面按上料流程简要概述一下各部分设备的功能：（1）料仓各种原料经破碎后送入各自的料仓，料仓中的料种是确定的。 原料靠自重滑入振动给料器。（2）振动给料器原料从料仓口堆积到振动器上， 由计算机发出进料信号，振动器振动，原料落入到称量斗中。4（3）称量斗称量斗是整个控制系统的基础。它是由三只压力传感器吊在支撑框架上。传感器把重量变成线性的电信号，送入到放大器。放大器向计算机送出标准信号。计算机检测此信号，控制振 动器进料或停止。称量斗门由计算机控制开闭，把原料放到传输皮带上。（4）翻板翻板距离皮带终端10M，原料 过翻板时，把翻板碰开， 计算机以此信号检测原料在皮带上的位置。原料 过翻板后， 运行5秒钟 落入储料斗。翻板回到闭合状态， 表示 该车料已全部过 完。（5）储料斗用来承接皮带落料待卷扬小车下到位后， 计算机控制其开 门，原料落至小车中。（6）卷扬小车待储料斗关门， 计算机开动卷扬小车把原料送入炉顶，倒入布料器内。（7）布料器布料器是一个可旋转偏心漏斗，用来把每车倒入的原料分配到预定的角度。（8）小钟小钟是隔离炉内外的外闸门，每料车都由计算机控制开闭一次。（9）大钟大钟是隔离炉内外的内闸门。这两道闸门防止炉内煤气向外泄露，保持炉内压力。计 算机根据装料制度来控制大钟的开闭。 “分装” 为每批料（三车）开闭一次。至此，上料流程完成。（10）探尺计算机控制其升降来检测炉内的料位。探尺带动料位指示仪，把位移信号变换为标准信号送入计算机， 计算机依此信号来确定是否上料。 11本文就是要通过 PLC 算法使用编码器和变频器的控制，对上料小车过程进行精确的位置检测。1.2 国内外发展状况1.2.1 第一代主令开关行程开关又称限位开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产 机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点 动作,实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似，广泛用于各5类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在 电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。按其结构可分为直动式、 滚动式、微动式和组 合式。行程开关元件采用一对动合触头、一对动断触头和一个公共跳跃式接触桥。在外力（撞块）的作用下，触 头借助于弹簧的拉力，使动合、 动断触头换接；当外力作用消失后，则借助于弹簧的复位力自动复位。行程开关采用双触点动触桥，可靠性极高；具有精确开关能力；使用简便，接触电阻小，耐压能力强；适用于经济低端的应用解决方案。但需接触碰撞、有磨损；响应速度低、精度差、接触 检测容易损坏被检测物及寿命短等缺点；由于与运动机构直接接触,当运动机构出问题时非常容易撞坏或接触不良,影响 PLC 工作。在高炉上料过程中，我们在各个加速减速点分别安装行程开关，通过上料小车对各个行程开关的撞击来完成小车的变速过程。但行程开关处于十分恶劣的工业环境，一旦出现故障未被及时发现就会造成无法挽救的工业事故。1.2.2 第二代主令开关为了克服行程开关的缺点，就顺势产生了机械主令开关，它通过转轴所转的角度来控制小车的位置，从而 实现上料小车的变速过程。机械主令开关是由机械凸轮和触点组成，其工作还比较稳定，但随着时间的变化，机械主令开关的缺点逐渐暴露出来：触电氧化接触不好，主令凸轮转轴运转不灵活，造成料车上行速度不稳，甚至引起中途停车等现象，影响高炉上料的效率，而且机械主令开关触点部分故障较多， 维护工作量大，调整不方便，控制精度低，寿命短。2 设计思想于是，数字主令控制开关便应运而生，本文就是要 设计一种能够克服前两种开关的种种缺陷并且能对小车上料过程进行精确检测的控制器数字主令控制器。数字主令控制器用程序逻辑代替机械凸轮的动作，以无触点代替有触点，这样就避免了许多机械故障，从而提高了系统的可靠性。数字主令控制器在工作时，由受控设备通过传动机构带动编码器一起旋转，编码器产生一系列位置码并送到PLC的输入端，在PLC内部进行译码、运算、分析、累加等处理，同时与操作面板TD200中可调用的 设定参数相比较，在合适的位置发出相应的控制信号，从而达到控制目的。智能主令控制器通过编码器旋转产生的位置码实现对现场物体位移的检测，同时与操作面板TD200通讯，TD2006实现数据显示、位置设定和报警。数字主令控制器主要由现场变送单元、连接电缆、主控单元3部分组成。 现场变送单元由机座、传动机构和 绝对型旋转编码器组成，主控单元由西门子PLC S7200、西 门 子TD200 操作面板、输出继电器、控制电源组成，现场变送单元通过连接电缆连接到主控单元组成数字主令控制器。整个数字主令控制器的系统结构框图见图2。图 2 数字主令系统结构图数字主令控制器的特点：(1) 运行可靠。 该主令控制器设计思想是用弱电控制 强电，用程序逻辑代替机械凸轮的动作，以无触点代替有触点，这样就避免了 许多机械故障，从而提高了主令控制器运行的可靠性。(2)反应速度快。由于主令采用可编程控制器进行控制，因此其响应速度非常快，可达微秒级。(3)分辨率高。该主令控制器的分辨率由编码器的分辨率决定，可以达到毫米级，精度非常高，能够适应需要精确定位和精确限位控制的场合。而老式主令控制器采用凸轮闭合、断开触点，其精度低，不能适应自动控制过程精确的需要。(4)反应迅速。该主令控制器的调节无需任何工具，仅需对TD200操作面板进行调节，即可达到调整的目的，与老式主令控制器相比，可以节约时间，减少职工的劳动强度，从而提高经济 效益。(5)运行中调整。可在设备运行状态中进行调整，设备不必停车即可对控制信号的输出位置通过TD200操作面板进行微调。(6)数字显示。在被测物体运行期间可以方便地从操作面板TD200上观察出其所处的位置。(7)远程通讯。该主令控制器具有远程通讯功能，可以直接和其他控制系统(如PLC 系统、工业控制网 络系统) 相连接。 127高炉高度一般情况下超过40m，而料车轨道长通常也大于 50m。上料系统通过钢丝绳连将料车接到卷扬滚筒上。根据高炉生产工艺要求，料车在上升或下降过程中，由于卷扬机工作功率在220kw左右，需要料车有个慢启动的过程，但料车速度一直较低也同时降低了系统的工作效率。作为补偿，在料车启动一段路程后要将其加速。在接近停车 点的时候， 为了保障系统 安全性，要提前将料 车减速，使其能够准确停在终点处。 这种情况下，整个卷 扬机 对上料小车的控制便需遵循由慢逐渐到快、再由快逐渐转 慢的过程。本文所要论述的是卷扬上料小车在运行过程中，是如何设计一个完备精确的控制系统数字主令控制器，来对上料小车进行位置检测，以完成整个上料过程。3 硬件设计3.1 控制系统的组成整个系统控制规模大、工业环境恶劣，不但要求有数据处理、 变频控制、料车位置显示、故障报警、模糊控制(根据炉况和产量 调整上料周期)等功能，而且控制精度要求较高，可充分利用PLC 的软硬件资源。系 统配置包括数字主令器、中央控制器、变频器等，系统结构如图3所示。图3 料车控制系统结构图3.2 可编程控制器可编程控制器（PLC ）是一种为工业环境下应用而设计的计算机，它应用微电子技术，按照用户编制的程序 实现控制和数据处理功能的组合器件，由于其可靠性高、编 程简单、易于维护而广泛应用于各种控制系 统。系 统可用 PLC 完成所有的过程控制、数据采集、自动调节、事故处理及报警等工作。工控机负责监控和21CRT智能主令 S7_200PLC 变频器 卷扬CP5611通信卡LQ_1600K8人机对话，具有工艺流程监控、模 拟仪表显示、报警 记录、报表打印、实时趋势、历史趋势等。PLC 和工控机通 过动态数据交换，实现 点对点通讯，控制与监控分开，可靠性高。可实现高炉上料完全自动化，大大提高了高炉入炉矿成分稳定性，使炉温稳定、焦比降低，对高炉顺行稳产高产具有重要的作用。其主要特点是：(1)可编程序控制器具有 较高的可靠性和很强的抗干扰能力，能够在恶劣的环境中可靠地工作，平均无故障时间长，故障修复 时间 短。(2)可编程序控制器 编程简单，使用方便，操作人 员能够在较短的时间内掌握编程和使用技术；它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受，梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近。(3)可编程序控制器具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、 逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与储存在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通讯功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。(4)可编程序控制器具有 较高的灵活性、较强的信息处理能力以及较多的功能。(5)可编程序控制器具有能实现互相通信以及与其它智能设备间的通信。正因为采用可编程序控制器控制方案具有一定的优越性，故我们决定对高炉生产线自动控制系统采用可编程序控制器控制方案。 133.3 数字主令控制器数字主令控制器由绝对值编码器、主控单元组成。 绝对值编码器安装在现场，与受控设备传动轴柔性连接。主控单元由SIEMENS操作面板TD200、S7200PLC等组 成，安装在控制室或操作室内。 编码器和 连接电缆将现场位置信号送至主控单元，共同构成数字主令控制器。数字主令控制器系统示意图见图4。图4 数字主令控制器系统示意图它是由西门子s7200PLC控制的新一代装置，由主控 单元、现场变送单元、9连接电缆等主要部件组成，现场变送单元与卷扬电机传动轴钢性连接，通过旋转编码器和电缆将现场料车位置信号送至主控单元。主控单元与现场变送单元通过连接电缆连接，共同组成智能主令控制器。智能主令控制器的输出送给主控室内的中央控制器和变频器，从而实现对料车上料情况的控制和监视。3.4 中央控制器中央控制器采用西门子S7-200PLC 和工控机构成DCS系统。S7-200PLC作为下位机来实现所有信号的采集、运算、调节，其特点是：模块化、无排风结构、易于实现分散、运行可靠、性价比高。CP5611 卡为S7-200PLC与工控机的通信接口卡，即通过上位机键盘直接 设计参数给PLC ，同时PLC 实时将由智能主令控制器传来的料车位置和状态信号传给上位机，通过上位机编程软件将信号以直观方式显示在终端显示屏CRT上，从而实现实时地、动态地观察料车在整个上料过程中的运行位置和状态，并实现对料车的在线控制。3.5 变频器随着电子技术的飞速发展，在原有变极、滑差离合、串 级及可控硅无级涮速等调速装置的基础上，又发 展了新一代的大功率晶体管交流变频调速器，可实现对交流异步电动机无级调速。3.5.1 交流变频调速器的基本概念及原理交流异步电动机的转速为：（1）160()(1)fnssp式中：f 电源频率p 电动机极数s 电动机转差率从上式中得知：异步电动机的调速，可以用改变电动机的极对数、转差率和电源频率三种方法来实现。 变极调速虽然简单可靠但调速范围极为有限。如双速、三速电动机。电磁滑差离合器和串级调速均属于改变转差率调速，这类调速方法前者的机械特性软(转 速受负载的影响大)，后者的功率因数低、污染电网，而且其调速方法都要更换原来的电动机。可控硅无级调速，要更换直流电动机，低速特性比 较软，而且 还存在可控硅导通关断难等问题。10交流变频调速器可以不改变原有可靠耐用的交流异步电动机，安装、操作和维修都很简单，且具有机械特性硬、调速范围宽(2.4 50HZ)过载能力强，调速精度和效率高等优点。因此，交流变频调速器是交流异步 电动机的理想调速方法。其原理是采用大功率晶体管(GTR)，代替可控硅(SCR)作逆变器主元件，用交一直一交及大电容滤波组成主控电路。当电动机在额定转速以下为恒转矩调速；在额定转速以上采用恒功率调速，因此调速范围很宽。图5为全部调速范围内的特性曲线。图5 异步电动机变频调速时的机械特性异步电动机在变频调速时，可以实现旧象限运行。在连续提高频率欲使电动机加速运行时，如图6， 频率由f1一f2变化时，电动机沿123曲线加速，转 速为n1n2n3达到n3运行，加速时间为：（2）2375GDnT(其中 ：为电动机及其负载所折合到电机轴的 总飞轮惯量，n为转速变2GD化节，T为加速 转矩) 。当电动机下降运行时处在第二象限的再生发电状态，不但不消耗电能，同时还产生电能通过变频装置回馈给电网。图6 异步电动机变调速的加速过程3.5.2 交流变频器的功能11交流变频器分为变频单元（逆变侧）和供电单元（整流侧）两部分。这里是用两个程序来实现对它们的分别控制。通过PLC编程 实现可编程控制器对交流变频单元的控制，要求如下：可实现对变频器的命令发送和接送。通过速度方向信号的接受和发送，可以控制变频器单元对电机的供电，从而使电机按照相应的方式运转。具有速度给定功能。可编程控制器与变频单元之间通过L2 总线通信，对于速度给定可以是PLC 给出也可以是人机界面设定的值。具有故障检测、分析能力。与外部检测信号结合，当查明有故障时，电机停止运转并给出故障报警信号。可以提供状态查询功能。通过使用对应的数据块，装置的状态信息要写入对应的数据字中，可以被其他程序或HMI设备使用。可以进行速度高低限制。通过设定最低和最高转速，通过对变频单元的控制实现对电机运转速度的控制。3.5.3 交流变频器的控制高炉卷扬上料系统采用了施耐德公司生产的ATV68型变频器，以此来 实现对卷扬电机速度的调节，其接 线原理见图3。 变频器上由两个速度控制信号输入端子A、 B，可设定4种运行状态即00、0l、 10、11，从而可以实现前面提到的料车在上料过程中的运行特性，保 证高炉生产工艺的要求。卷扬电机拖动料车运行过程中，变频 器可以通过接入的制动电阻实现快速稳步的停车，以确保设备安全。变频器具体参数设定如表所示(表中频率值为高炉目前设定值，可根据高炉的生产工艺要求进行修改)。 16图7 变频器参数设定本文所设计的主令控制器就是通过PLC的运算来控制变频器和编码器的运行，以达到控制上料小车速度的目的。3.6 旋转编码器12旋转编码器通过检测滚筒的旋转角度并进行编码，然后将编码信号输入到PLC。PLC作为控制核心主要由CPU、开关量输入、输出等组成。PLC通过接收编码信号，然后经CPU译码，将 编码器输出的格雷码进 行转换，计算出料车的上下行位移，即可判断料车在导轨 所处的位置，并与操作面板中设定的参数相比较。然后通过继电器控制DDC的输入达到控制料车减速、停车等目的。安装数字主令控制器时，将编码器通过齿轮与滚筒齿轮相连，PLC 与操作面板固定在控制器内，将控制箱安装在卷扬机房，用支架固定；将编码器信号输出通过屏蔽电缆连接到控制箱端子排，并将PLC 继电 器输出通过操作线连接到卷扬配电室内的继电器柜，再由 继电器控制DDC的输入，这样就实现了弱电控制强电。安装时应注意以下事项：安装时避免敲击编码器轴，以免损坏；安装环境应通风，环 境温度-lO 5O ，避免 尘埃及腐蚀性气体避免阳光直晒；控制线尽量避开高压线，以防干扰；钢丝绳老化拉伸后，各控制点位置编码对应的实际物理位置将相应发生变化，应随 时微调；原点变化后，各控制点位置相对距离仍会保持，原点数值调整应慎重。3.7 工业现场措施现场的工业干扰是十分严重的，尤其是大的设备诸如卷扬机的启停，造成电源电压大幅度下跌（220V电源可跌至160V）。各类控制线、仪表线都交织在一起，电磁辐射干扰也很严重。在 这样的环境中，必 须从各方面加强计算机的抗干扰能力，否则 整个控制系统的功能再好，也没有实用意义 。我们主要采取以下措施：(1)采用了STD BUS 工业控制机；(2)主机电源与接口 电源分相；(3)机内配置低通滤波器(4)各通道接口均采取电器隔离措施；(5)机壳可靠接地，利用机壳屏蔽；(6)模拟量信号与开关量信号分离；(7)模拟量信号用 电流环传输。传输屏蔽线与控制线分槽揍线；(8)输出控制信号采用 过零触发的固体继电器。以上措施有力地保证了计算机的抗干扰能力。在现场恶劣的环境中，不会发生因干扰而冲乱程序的现象。4 软件设计4.1 控制系统的实现13高炉卷扬上料系统主要工作过程：各种原料经过槽下配料放入中间料斗，料车到料坑后，中间料斗把料放入料车，中 间料斗闸门 关到位，并且炉 顶准备好后，料车启动， 经过加速1 加速2加速3匀速减速1减速2减速3，到达炉顶。在工作过程中两个料车交替上料，当装满炉料的料车上行时空料车下行，空车质量相当于一个平衡锤，平衡了重料车的车箱自重，这样当上行或下行两个料车用一个卷扬机拖动时，不但 节省了电动机的功率，而且电动机运行时， 总有一个重料车上行，没有空行程，这样拖动电动机总是处 于电动状态运行。这种高炉卷扬上料系统有以下特点：(1)能够频繁启 动、制动、停车、反向，转速平稳过渡 时间短。(2)能够按一定的速度运行。(3)能广泛的调 速。(4)系统工作可靠。根据料车上料过程中速度曲线图，确定变频器的频率变化情况如图8所示。图8 变频器的频率变化情况根据高炉生产工艺要求，料车在上升或下降过程中，由于卷扬机工作功率在220kw左右，需要料车有个慢启 动的过程，但料车速度一直较低也同时降低了系统的工作效率。作为补偿，在料车启动一段路程后要将其加速。在接近停 车点的时候，为 了保障系统安全性，要提前将料车减速，使其能够准确停在终点处。这种情况下，整个卷扬机对上料小车的控制便需遵循由慢逐渐到快、再由快逐渐转慢的过程。确定智能主令控制器的改变速度信号的输出点(图3中的A F点)，即一加速、二加速、三加速、一减速、二减速、三减速等信号输出点。相应的信号送给变频器， 变频器根据这些信号改变频率来实现料车上料过程中由初态一I速一II速一III速一 II速一I速一停车的变化过程。PLC首先向变频 器发出运行控制信号(图9中的Q0.0 正转、Q0.1反转)，变频器接收到运行信号后发出输出频率动作信号，接着打开抱闸，变频器开始起动。主令控制器根据料车运行位置依次输出改变速度的信号，使变频器及时按图3特性14曲线改变频率，从而控制料车按照图3特性运行。其电气原理图如图9所示。图9 料车控制原理根据炉况和产量要求，可以通过修改智能主令的速度变化信号输出点和变频器在不同阶段的频率设定值来改变料车的运行模式和速度，从而改变料车的上料周期，以达到不同情况下高炉生产工艺的要求。为确保载料小车在生产过程及调试检修时的安全，在PLC中设置了料车到底(图4中的 SQ1、SQ2)、钢丝绳未松开(图4中的Kx1、Kx2) 、变频器无故障(图4中的KA5)等信号，只有这些条件都具备，才能开始启 动 系统，料车才能实现延时上料并按照要求对高炉上料。否 则，系 统会发出故障报警信号，提醒维修人员解除故障。4.2 软件编程中需解决的问题4.2.1 编码转换为提高抗干扰性，编码器选用格雷码输出。而 PLC只能 识别二进制码，故需要用软件实现从格雷码到二进制码的转换。4.2.2 码器过圈如果选用多圈编码器，则不存在此问题。若 选用单圈编码器， 应选用软件检测编码器过圈时的编码变化，用计数器记圈，多圈 码 数= 圈数编码器分辨率+当前码数，于是可以得出多圈的 实际位置码数。154.2.3 原点设定原点是一个参考点，对应物体整个行程中一个具体的物理位置，在PLC 中的编码为“0”，根据需要可以把物体在行程中任一位置的编码设定为原点。被测物体的实际位置对应的编码称“当前位” ，被 测物体“当前位 ”及其设定的限位都以“原点”为参考点。它反映了被测物体当前所在位置以参考点“原点” 为坐标的位置(编码数 )。当原点所对应的实际物理位置发生变化时，“当前位”及其他限位所反映的 实际物理位置都会发 生相应变化。4.2.4 物体位置的计算被测物体在整个行程中任一位置都在PLC中有一个相对于“ 原点”的编码，这些编码按十进制整数连续排列(-32767至+32767) ，它 们反映了物体当前位置与原点之间的距离关系(点数) ，也就是用数字反映了物体的实际位置，通过点数(mm点 )可以 计算出当前位置到原点位置的精确距离。精度计算：如被测物体在某一位置“当前位 ”是0，在另一位置是1000，则整个行程是1000个点。如被测物体实际物理行程是30m，则每个点 对应：30000 mm1000=30 砷，也就是“当前位”每增加1个点，被测物体实际 运行约30mm；每减少l点物体反向运行30砌。主令精度就是30mm点。4.2.5 限位输出“当前位”编码与在PLC内部的设定值比较，当满足条件时，主令控制器输出一个状态( 接通或断开) ，参与系统控制或连锁，起到限位的作用。4.2.6 操作面板TD200编程组态SIEMENS的STEP7 Micro WIN编程软件中有TD200的编程向导，通 过它可以自动生成与PLC 通讯的数据 块， PLC使用该数据块，能 够完成设定、显示控制功能。4.2.7 保护功能被测物体实际速度已知，可以计算出编码器在PLC每个扫描周期中被测物体由位置变化所引起的码数变化量，若此变化量超过正常值，则认为主令控制器出现故障( 可能由 编码器连接线断引起或超速)。若被测物体是位能负载，则可根据被测物体运动方向指令和码数变化方向是否相同，检测被测物体传动轴是否与编码器轴脱开或溜车，检测 到故障后发出报警或停车指令。 184.3 软件控制设置16要实现功能全面的变频器装置控制程序，首先要设置相应的电机速度和方向上的控制信号以及系统的状态检测信号，最后还要确定输出信号与数据的使用。先来分析一下所需的输入控制信号，在一个大型系统中对电气设备的控制一般会设置人机操作界面来辅助进行，所以设置PLC控制和HMI控制两种方式。同时考虑到电机本身的控制要求，还需要设置方向速度控制信号，速度极限信号和故障信号等，另外处于数据 传输的考虑， 还需要设 定专用的驱动数据字用于存放装置的驱动数据。再来分析一下输出信号的需求。对于这样一个系统子程序，首先需要的输出信号是对电机工作方式的4种启动信号，装置启动准备好信号以及相关的故障信号输出。下面对设计使用的信号进行详细的介绍，按照输入输出对信号进行区分。先来看驱动变频单元程序的输入信号设置。如表1所示为变频单元驱动程序设置的输入参数表。表1 变频单元驱动程序设置的输入参数表表示 代码 功能说明总线地址 ADR 变频单 元的L2总线地址存储数据块 DXNR 用于驱动变频单元的数据存储的数据块人机控制设定转速 HMI 是否是由人机操作站来设定电动机转速合闸 AEIN 变频单元电源合闸运转 SP0 速度大于零时输出方向1速度1 MC11 方向1速度1运转指令方向2速度1 MC21 方向2速度1运转指令方向1速度2 MC12 方向1速度2运转指令方向2速度2 MC22 方向2速度2运转指令方向1速度3 MC13 方向1速度3运转指令方向2速度3 MC23 方向2速度3运转指令外部故障 EXTF 变频单元外部故障信号PLC反馈 PLC 给PLC的反馈信号故障确认 QUIT 故障确认信号输入系数 FAKT 转速计算系数HMI快速 FAST 人机界面设置快速速度值PLC慢速 SLOW PLC慢速速度值HMI慢速 SLOC 人机界面设置慢速速度值17驱动数据字 DADR 用于装置的驱动数据字续表1表示 代码 功能说明诊断地址 DW 装置信息存储数据字Q区 QCA 用于存放地址的PLC的Q 区最后是程序的输出，主要包括电机的驱动信号以及相关的状态信息。表2是对程序的变频单元控制子程序输出信号表。表2 变频单元控制子程序输出信号表名称 代码 状态说明方向1速度1命令输出 RD11 电动机在方向1以速度1运转控制信号方向2速度1命令输出 RD21 电动机在方向2以速度1运转控制信号方向1速度2命令输出 RD12 电动机在方向1以速度2运转控制信号方向2速度2命令输出 RD22 电动机在方向2以速度2运转控制信号方向1速度3命令输出 RD13 电动机在方向1以速度3运转控制信号方向2速度3命令输出 RD23 电动机在方向2以速度3运转控制信号变频单元合闸就绪 EBER 变频单元就绪，等待合闸合闸 REIN 变频装置合闸信号变频单元运行就绪 FBER 变频单元准备好等待运转信号变频单元故障 FEHL 变频单元故障信号输出变频单元报警 WARN 变频单元故障报警信号PLC为主 PZD 给PLC的反馈信号为主控信号速度大于0 SP1 电动机速度大于0电流值 IIST 用于HMI的变频装置电流值急停2 AUS2 紧急停止信号2急停3 AUS3 紧急停止信号3总线故障 BUSF 通信总线故障再来看驱动变频器供电单元程序的输入信号设置参数表3。表3 供电单元控制程序输入参数表名称 代码 功能说明总线地址 ADR 变频单元的L2 总线地址驱动数据块 DXNR 用于驱动变频单元的数据存储的数据块合闸 AEIN 变频单元电源合闸运转 SP0 速度大于0时给出18方向1速度1 MC11 方向1速度1时运转指令续表3名称 代码 功能说明方向2速度1 MC21 方向2速度1时运转指令方向1速度2 MC12 方向1速度2时运转指令方向2速度2 MC22 方向2速度2时运转指令方向1速度3 MC13 方向1速度3时运转指令方向2速度3 MC23 方向2速度3时运转指令外部故障 EXTF 变频单元外部故障信号PLC反馈 PLC 给PLC的反馈信号故障确认 QUIT 故障确认信号输入变频单元故障 ST-1 从变频单元发出的故障信号变频单元总线故障 BF-1 变频单元给出的总线通信故障诊断地址 DADR 装置信息存储数据字地址Q区 QCA 用于存放地址的PLC的Q 区供电单元控制程序的输出信号主要包括电源单元的合闸信号以及相关的状态信息，表4是对程序的输 出信号进行了分析。表4 供电单元控制子程序输出信号表名称 代码 状态说明供电单元合闸就绪 EBER 供电单元就绪，等待合闸合闸 REIN 供电单元装置合闸信号供电单元运行就绪 FBER 供电单元准备好等待运转信号供电单元故障 FEHL 供电单元故障信号输出供电单元报警 WARN 供电单元故障报警信号PLC为主 PZD 给PLC的反馈信号为主控信号总线故障 BUSSF 通信总线故障通过上述分析，可以看到对于变频装置的变频和供电单元进行控制所需要使用的一些输入和输出信号。如果考虑周全一些，其相关的问题会很多， 这里的实现是对常见的控制需求语言进行的。另外对于数据字的使用专门设置了HMI通信数据块实现。利用西门子STEP7 软件编写PLC 梯形图程序进行速度控制，如附 录一所示。5 主要技术参数(1)电压/ 频率范围：85264VAC ，4763HZ；(2)输出类型： 继电器，干接点（PLC本身继电器）；19(3)最大负载电 流：2A/点（PLC本身继电器输出）；(4)开关延时：最大 10ms；(5)寿命：10000000 次；额定负载时100000次；(6)输出隔离： 线圈对接点：1500VAC/min；接点对接点：1500VAC/min；(7)功耗：9W；(8)输出点数： 10（可扩展）；(9)输入点数： 14点（可扩展），响应时间0.2ms；(10)记忆功能： （写入寿命10万次）；2EPROM(11)主控单元到 现场编码器单元距离：280m（如主控单元到现场编码器距离较远，可以 选用Profibus总线编码器）。电源选PS3072A