变频器在高炉卷扬上的应用.doc

变频器在高炉卷扬上的应用1引言随着我国现代化进程的不断加快，在各个领域的发展过程中对钢铁需求的数量与质量与日俱增。我国的钢铁生产工艺正向数字化的高新技术方向发展。作为整个钢铁生产中的重要环节，高炉炼铁工艺中高新技术的应用尤为重要。其技术指标如何，对整个钢铁工艺流程有着直接和显著的影响。其中又以高炉上料主卷扬系统为整个高炉的核心设备，负责原料的输送。对卷扬系统采用高新技术进行合理控制与优化便成为现代钢铁工艺中的一个重要课题。卷扬提升机是用来把炉料运送到高炉炉顶给高炉加料或矿山斜井运送矿料的重要设备，我国的中小高炉基本上都是采用料车卷扬机作为标准上料设备。满足下列要求：有足够的运送能力，即上料速度能满足高炉生产的要求；运行可靠，耐用，保证高炉连续生产；能够实现上料自动化；结构简单，维护方便。由于高炉一旦投产就要一直运行下去，它不像有些工业设备白天工作晚上可以停止工作，所以高炉的原料要不断的运上去。所以它的重要性不言而喻，一定要保证极低的故障率和快速修复故障的能力。本课题研究的内容就是直接来源于淮阴钢铁厂的十五技改工程之一。1.1卷扬继电器控制系统的特点及存在的问题卷扬提升机的工作特点是：启动速度慢，转矩大，加速平滑，停车平稳、准确。目前，国内炼铁高炉主卷扬控制方式还普遍采用传统的LK系列机械触点工作模式，在实际使用过程中存在着许多先天性的缺限和不足，如故障率高、精确度差、调整费时、不适应自动化生产需要等等弊端。随着计算机技术、自动化控制技术迅猛发展，越来越多现代化的先进控制手段和方法被应用到生产实践当中,但主令控制器的改进一直滞后，数字主令的诞生使这一现状得到了根本性的改变。数字主令主要靠PLC来实现。传统的调速方法是：采用绕线转子异步电动机，通过集电环和碳刷在转子回路中串入若干段电阻，由接触器控制接入电阻的多少来控制转速。但存在以下缺点：(1)串联电阻调速，其调速变化呈跳跃状，使得减速机齿轮、天轮、中轮、料车与斜桥导轨之间，在加减速运行阶段均受到冲击力的作用，设备易损坏，钢丝绳易疲劳，导致维修量大，检修费用增加。(2)串联电阻调速范围小，使得料车速度呈突变，减速后停车时仍有较高转速，对制动器和限位开关的调整精度要求高，且容易发生越位及掉道事故而影响生产。(3)串联电阻调速，使得料车起动及减速时，大部分电能消耗在电阻器上；当电动机在电压下降时，力矩下降，转差率增大，严重时，料车无法启动，易于产生事故。(4)能耗高，低速机械特性软。因为转速的降低是通过转子外接电阻消耗能量来实现。1.2 PLC在卷扬控制中的应用特点1.2.1可靠性高为了满足工业生产对控制设备安全性和可靠性的要求，PLC采用了微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成。PLC选用的电子器件一般是工业级的，有的甚至是军用级的，平均无故障时间很长。例如，西门子S7系列PLC平均无故障时间可以达到30万小时(约34年)。可以毫不夸张地说，到目前为止，没有任何一种工业控制设备可以有PLC这样高的可靠性。随着器件水平的提高，PLC的可靠性还在继续提高，尤其是近来开发出的多机冗余系统和表决系统更进一步提高了PLC的可靠性。PLC完善的自诊断功能，保证了PLC控制系统工作的安全性。由于PLC是用存储在其内部的程序来实现控制的，其控制程序设计本身就从各个方面考虑了PLC工作的可靠性、安全性和稳定性，这又进一步提高了可编程序控制器的可靠性。1.2.2环境适应性强PLC具有良好的环境适应性，可应用于十分恶劣的工业现场。在电源瞬间断电的情况下，仍可正常工作；具有很强的抗空间电磁干扰能力，可以抗峰值1000V，脉宽10?s的矩形波空间电磁干扰；具有良好的抗振能力和抗冲击能力。一般对环境温度要求不高，在环境温度为-2065，相对湿度为35%85%的情况下可正常工作。1.2.3灵活通用在完成一个控制任务时，PLC具有很高的灵活性。首先，PLC产品已经系列化，在机型上有很大的选择余地；其次，同一机型的PLC的硬件构成具有很大的灵活性，用户可以根据不同任务的要求，选择不同类型的输入和输出模块或特殊功能模块组成不同硬件结构的控制装置；最后，PLC是利用应用程序实现控制的，在应用程序编制上有较大的灵活性。在实现不同的控制任务时，PLC具有良好的通用性，相同硬件构成的PLC用不同的软件可以完或不同的控制任务。在被控对象的控制逻辑需要改变时，利用PLC可以很方便地实现新的控制要求，这在一般继电器控制中是很难做到的。1.2.4使用方便、维护简单PLC控制的输入模块、输出模块和特殊功能模块都具有即插即用功能，连接十分容易。对于逻辑信号，输入和输出采用开关方式，不需要进行电平转换和驱动放大；对于模拟信号，输入和输出采用传感器、仪表和驱动设备的标准信号。各个输入和输出模块与外部设备的连接十分简单。PLC应用程序的编制和调试非常方便。PLC的基本编程语言有3种，其中梯形图语言与继电器控制线路图相似，即使没有计算机基础的人也很容易掌握。PLC具有监控功能，利用编程器或监视器可以对PLC的运行状态和内部数据进行监视或修改。PLC控制系统的维护非常简单，利用PLC的诊断功能和监控功能，可以迅速查找到故障点，对大多数故障都可以及时予以排除。当然，PLC由于其工作方式是扫描方式，因此，扫描周期的长短决定了PLC的工作速度。一般来说，PLC的速度与单片机等计算机相比相对比较低，其计算能力一般都比微机要差。PLC的这些缺点随着科学技术的发展正在逐渐地被克服。1.3卷扬变频调速控制的特点变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。我们知道，交流电动机的转速表达式为：(1)式中-异步电动机的转速；-异步电动机的频率；-电动机转差率；-电动机极对数。由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。变频器调速通过调频来调节输出转速，在设备的运行时可以根据生产需要随时调节输出转速，调速范围比较广，而且可以达到无级调速非常方便，但需配置变频器，成本较高。卷扬上料系统的主要过程是：各种原料经过槽下料后放入中间料斗，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-匀速(高速)-减速1-减速2，到达炉顶。西门子6SE70变频器的两个数字量输入点可以确定变频器要变换的频率。这样通过设定变频器的参数就可以输出系统想要的频率。这样小车就可以按照预定的速度在轨道上运动。1.4课题的主要研究内容高炉上料系统利用现代计算机技术将PLC系统与变频器系统紧密结合在一起，实现PLC与变频器控制的统一，解决了因卷扬控制系统不稳定而造成的休风、停产问题。提高了卷扬上料系统的稳定性，降低了上料系统的故障率。第一章主要概述本课题的研究内容，第二章主要研究变频器在本课题中的运用和变频器的参数设置以及变频器的选型，第三章主要研究S7-200PLC在本课题中的运用和CPU及扩展模块的选型，第四章主要研究旋转编码器的原理及在课题中的运用和系统低压电器的选型，第五章主要研究系统的软件开发，就是编好PLC程序。2变频器的选型及参数设计2.1变频器的原理及控制方式变频器(frequency changer/frequency converter)是一种用来改变交流电频率的电气设备,如图2-1。此外，它还具有改变交流电电压的辅助功能。过去，变频器一般被包含在电动发电机、旋转转换器等电气设备中。随着半导体电子设备的出现，人们已经可以生产完全独立的变频器。变频器通常包含3个组成部分：整流器(rectifier)和逆变器(Inverter),还有直流部分(DC)。其中，整流器将输入的交流电转换为直流电，逆变器将直流电再转换成所需频率的交流电。除了这2个部分之外，变频器还有可能包含变压器和电池。其中，变压器用来改变电压并可以隔离输入/输出的电路，电池用来补偿变频器内部线路上的能量损失。不同的变频器能够处理的电源功率是不一样的，从几瓦到几兆瓦都有。近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。低压通用变频器输出电压为380650V，输出功率为0.75400kW，工作频率为0400Hz，它的主电路都采用交-直-交电路。其控制方式经历了四代：电压空间矢量(SVPWM)控制方式，矢量控制(VC)方式，直接转矩控制(DTC)方式，矩阵式交-交控制方式。2.2变频器的分类变频器的种类很多，下面根据不同的分类方法对变频器分类：(1)按变换频率的方法分交-直-交变频器交-交变频器(2)按主电路工作方式分电压型变频器电流型变频器(3)按变频器调压方法的不同分PAM变频器PWM变频器(4)按工作原理分U/f控制变频器VC控制变频器SF控制变频器(5)按照用途分通用变频器高性能专用变频器高频变频器2.3变频器的选型由于西门子6SE70变频器是电压源的矢量控制高性能型变频器，所以我们只要选择变频器的容量即可。变频器容量的选用由很多因素决定，例如电动机容量、电动机额定电流、电动机加速时间等，其中，最主要的是电动机额定电流。当驱动一台电动机时，对于连续运转的变频器必须同时满足下列两项计算公式：满足电动机容量/KVA：(2)满足电动机电流/A：(3)式中：变频器的容量电动机额定电压电动机额定电流变频器额定电流电流波形补偿系数(1.05-1.1)根据公式210*1.05*380*320=210.6KVA初选功率为250KW的变频器，其订货号为6SE7035-1EK60 6SE7表示6SE7 SIMOVERT MASTER DRIVES系列变频器0表示结构类型书本型和装机柜型变频器3表示输出电流乘以100 5-1表示额定电流为5.1*100=510A E表示电源电压为3相380-460VAC K表示尺寸6表示控制形式为矢量控制0表示功能断路器再根据公式3验证510A1.05*320A所以满足条件。对于额定功率为200KW和315KW的变频器我们不能选，因为200KW的变频器功率不满足要求，而315KW的变频器显得有点多余。而且315KW的变频器的价格为23万，而250KW的变频器为19.5万，多了几万块呢。所以选择250KW的变频器。2.4变频器的参数设定2.4.1出厂参数设定P053=7允许CBP+PMU+PC机修改参数P366=0 PMU控制P970=0启动参数复位2.4.2简单参数设定P60=3简单应用参数设置，在上述出厂参数设置的基础上，本应用设定电机控制参数P071=380V AC变频器进线电压P072=510A变频器额定电流P100=3不带测速机的矢量控制P101=380V电机额定电压P102=320A电机额定电流P107=50HZ电机额定频率P109=4电机极对数P108=740n/min电机额定速度RPM P1008=35HZ第一减速点频率P1004=15HZ第二减速点频率P368=0设定和命令源为PMU+MOP P370=1启动简单应用参数设置P60=0结束简单应用参数设置执行上述参数设定后，变频器自动组合功能图连接和参数设定。2.4.3补充参数设定如下P128=694A最大输出电流P571.1=6 PMU正转P572.1=7 PMU反转P462.1=2从静止加速到参考频率的时间，P463=0(单位为秒S)P464.1=2从参考频率减速到静止的时间，P465=0(S)P643.1=10V电机最高频率/频率表最大指示P643.2=10V电机最大电流/电流表最大指示P492=150%电机转矩正限幅P498=-150%电机转矩负限幅P602=1s预励磁时间P383=1000s电机热时间常数P384.1=150，P384.2=200电机过载报警和停机门槛值。P115=2静止状态电机辨识P115=4空载测试P536=50%速度环优化快速响应指标P115=5速度调节器优化P653.1=0禁止开关量端子5输出功能，允许开关量输入功能P654.1=0禁止开关量端子6输出功能，允许开关量输入功能P651=B106端子3输出故障信号U 952.91=2起动自由功能块91 U80.01=20端子8风机就绪U80.03=22端子9外控有效U80.04=B18端子7抱闸准备好P795=KK148选择需要比较的实际值的源P796=2%转速大于或等于2%时状态字bit10为1 P797=1%回环宽度，比较频率滞后值P798=0.1s延迟时间U 953.48=2使能制动功能块P605=2带抱闸反馈的控制功能使能P561=278逆变器使能控制P564=277设定值允许控制P652=275从端子4输出控制抱闸开闭P613=17抱闸闭合反馈P612=16抱闸打开反馈P615=148实际速度作为抱闸控制源2 P616=1.5最高速度的1.5%作为抱闸门限值P800=0.5实际速度的0.5%作为装置封锁门限P607=0.2抱闸接触器反馈动作延时P617=0抱闸信号延时P801=0.2S P610=184 P556.01=18抱闸开闭准备好作为电机启动必要条件(端子101：7，0=OFF2)P611=0转矩门槛值设定P362=12将第一个电机数据组MDS拷贝到第二个电机数据组P363=12将第一个BICO数据组拷贝到第二个BICO数据组P364=12将第一个功能数据组拷贝到第二个功能数据组P 576.01=P 576.02=22内外控参数选择P57.01=P 578.02=22内外控参数选择P590=22内外控参数选择P443.B(01)=58 P443.B(02)=3002内外控速度设定P554.B(01)=5 P554.B(02)=3100控制字的源P571.B(01)=6，P571.B(02)=1正转给定的源P572.B(01)=7，P572.B(02)=1反转给定的源P555.2=14外部急停命令P60=4通讯板配置P712=2 PPO TYPE(1，2，3，4，5)2：4PKW+6PZD P722=0禁止通讯故障P60=1返回参数菜单P734.1=32装置状态字1 P734.2=148传动的速度反馈P734.3=433端子状态(风机/内外控)3 PLC的选型3.1可编程控制器(PLC)的原理PLC本身就是一台适合工业现场使用的专用计算机，其硬件组成有下面6个部分，如图3-1所示。图3-1 PLC的组成3.1.1中央处理器(CPU)CPU是PLC的核心部件，主要用来运行用户程序、监控输入/输出接口状态以及进行逻辑判断和数据处理。CPU用扫描的方式读取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，然后分时、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响应外部设备的请求以及进行各种内部诊断。3.1.2存储器PLC的存储器可以分为两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理、监控程序和用户程序编译程序，这类程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要用于存放用户编制的应用程序和各种数据。3.1.3电源PLC的电源是指为CPU、存储器和I/O接口等内部电子电路工作所配备的直流开关电源。电源的交流输入端一般都有脉冲吸收电路，交流输入电压范围一般都比较宽，抗干扰能力比较强。电源的直流输出电压多为直流5V和直流24V。直流5V电源供PLC内部使用，直流24V电源除供内部使用外还可以供输入/输出单元和各种传感器使用。3.1.4输入/输出接口输入/输出接口是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通过输入接口把工业设备或生产过程的状态或信息(如按钮、各种继电器触点、行程开关和各种传感器等)读入中央处理单元。输出接口是将CPU处理的结果通过输出电路驱动输出设备(如指示灯、电磁阀、继电器和接触器等)。3.1.5外部设备接口PLC的外部设备主要有编程器、操作面板、文本显示器和打印机等。编程器接口是用来连接编程器的，PLC本身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，通过这个接口可以连接各种形式的编程装置，还可以利用此接口做通信和监控工作。操作面板和文本显示器不仅是用于显示系统信息的显示器，还是操作控制单元，它们可以在执行程序的过程中修改某个量的数值，也可直接设置输入或输出量，以便立即启动或停止一台外部设备的运行。打印机可以把过程参数和运行结果以文字形式输出。外部设备接口可以把上述外部设备与CPU连接，以完成相应的操作。,除上述一些外部设备接口以外，PLC还设置了存储器接口和通信接口。存储器接口是为扩展存储区而设置的，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。通信接口是为在微机与PLC、PLC与PLC之间建立通信网络而设立的接口。3.1.6 I/O扩展接口扩展接口用于扩展输入/输出单元，它使PLC的控制规模配置更加灵活，这种扩展接口实际上为总线形式，可以配置开关量的I/O单元，也可配置模拟量和高速计数等特殊I/O单元及通信适配器等。PLC是一种工业控制用的计算机，它的外形不像个人计算机，工作方式也与计算机差别很大。编程语言甚至工作原理都与个人计算机有所不同。PLC的工作方式有周期扫描方式、定时中断方式、输入中断方式和通信方式等，最主要的方式是周期扫描方式。周期扫描方式大致可以分为7个过程，如图3-2所示。图3-2 PLC的工作过程(1)启动处理过程PLC启动后，要进行第一次启动的初始化处理。CPU进行的初始化工作包括清除内部继电器区、复位所有的计时器和检查I/O单元的连接等。该过程所占用的时间为。(2)共同处理过程在启动处理过程通过以后，要进到共同处理过程。共同处理的主要任务是复位监视计时器、检查I/O总线是否正常、检查扫描周期是否过长和检查程序存储器是否有异常等，如果有异常，则根据错误情况发出报警，输出或者停止PLC的运行。该过程所占用的时间为。(3)通信服务过程当PLC和微机构成通信网络或由PLC构成分散系统时，需要有通信服务过程，该过程所占用的时间为。(4)外设服务过程当PLC接有外部设备时，如编程器、打印机等，则需要进行外设服务过程。该过程所占用的时间为。(5)输入信号刷新过程输入处理过程将PLC全部输入端的通/断状态读进输入映像寄存器。在程序执行中，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不改变，直到下一扫描周期的输入处理阶段才读入这一变化。输入信号刷新过程占用时间为。和PLC所带的输入模块的种类和点数的多少有关。(6)程序执行过程程序执行过程用于执行用户程序，这个过程先从输入映像区读入输入端的信息，然后根据用户程序进行运算操作，并向输出映像区送出控制信息。该过程执行用户程序存储器所存的指令，从输入映像寄存器和其他元件的映像寄存器中将有关元件的通/断状态读出后，从程序的第1步开始顺序的运算，每次结果都写入对应的映像寄存器中。输出继电器的内部触点的动作由输出映像寄存器的内容决定。该过程占用的时间为。(7)输出信号刷新过程输出信号刷新过程为输出处理过程。输出处理过程将输出映像寄存器的通/断状态向输出锁存寄存器传送，成为PLC的实际输出。PLC内的外部输出触点对输出元件的动作有一个响应时间，要一个延迟才能动作。输出信号刷新过程占用的时间为。和PLC所带的输出模块的种类和点数的多少有关。可以看出，PLC的扫描周期T和上述各个过程的关系为：=+扫描周期T在控制过程中是一个比较重要的技术指标。一般来说T越大表明扫描一次所需要的时间就越长，要求输入信号的宽度就应该越大，控制的周期就越长，控制的速度就要降低。图3-3展示了S7-200系列PLC周期扫描方式的工作过程。图3-3 S7-200系列PLC的工作过程循环扫描过程开始，首先进行输入刷新，把输入模块送到输入映像区的信号读到CPU，然后调用循环扫描程序OB1，扫描并执行用户程序，如把I0.0和I0.1的与赋给Q8.0，并把结果写到输出映像区。在输出刷新时，把输出映像区写到输出模块。一次扫描结束后返回，进行下一个循环。3.2 SIEMENS SIMATIC S7-200 PLC概述3.2.1西门子公司PLC的发展史(1)西门子公司的产品最早是1975年投放市场的SIMATIC S3，它实际上是带有简单操作接口的二进制控制器。(2)1979年，S3系统被SIMATIC S5所取代，该系统广泛地使用了微处理器；(3)20世纪80年代初，S5系统进一步升级-U系列PLC，较常用机型：S5-90U、95U、100U、115U、135U、155U。(4)1994年4月，S7系列诞生，它具有更国际化、更高性能等级、安装空间更小、更良好的WINDOWS用户界面等优势，其机型为：S7-200、300、400，分别对应小型、中型、大型PLC。(5)1996年，在过程控制领域，西门子公司又提出PCS7(过程控制系统7)的概念，将其优势的WINCC(与WINDOWS兼容的操作界面)、PROFIBUS(工业现场总线)、COROS(监控系统)、SINEC(西门子工业网络)及控调技术溶为一体。(6)现在，西门子公司又提出TIA(Totally Integrated Automation)概念，即全集成自动化系统，将PLC技术溶于全部自动化领域。3.2.2 S7-200的系统组成S7-200系列PLC是SIEMENS公司推出的一种小型PLC，属于整体式结构。其特点是：结构紧凑、扩展性良好、指令功能强大、价格低廉，所以成为当代各种小型控制工程的理想控制器。S7-200PLC的系统组成主要为：(1)主机单元(2)编程器此外，用于系统扩展的还有：(1)数字量扩展单元模板(2)模拟量扩展单元模板(3)通信模板(4)网络设备(5)人机界面HMI等S7-200 PLC系统的基本构成如图3-4：图3-4主机单元S7-200的主机单元集成一定数字I/O点的CPU共有两个系列：CPU21X(CPU212、214、215、216，为S7-200的第一代产品)及CPU22X(CPU221、222、224、226、226XM)(主要介绍)。CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 CPU226XM本机DI/DO 6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出24入/16出扩展后最大输入/输出无I/O扩展能力2个模块7个模块7个模块7个模块数字40/38数字94/74数字128/120数字128/120模拟(8入/2出)或4出模拟(28入/7出)或14出模拟(28入/7出)或14出模拟(28入/7出)或14出存储器6KB 6KB 13 KB 13 KB 26 KB 30kHz高速计数器4个4个6个6个6个20 kHz高速脉冲输出2路2路2路2路2路PID控制器无有有有有RS-485通信/编程口1个,/TD 1个1个2个2个PPI点对点协议有有有有有MPI多点协议有有有有有自由方式通信有有有有有其它适用于小型数字量控制是具有扩展能力、适应性更广泛的小型PLC是具有较强控制能力的小型PLC用于有较高要求的中小型控制系统用于较高要求的中小型控制系统数字量扩展模板S7-200系列目前可以提供三大类共9种数字量输入输出扩展模板：名称型号I/O点数数字量输入(DI)扩展模板EM221 8点DC输入(光电耦合器隔离)数字量输出(DO)扩展模板EM222 8点24VDC输出8点继电器输出数字量混合输入/输出(DI/DO)扩展模板EM223 24VDC 4入/4出24VDC 4入/继电器4出24VDC 8入/8出24VDC 8入/继电器8出24VDC 16入/16出24VDC 16入/继电器16出模拟量扩展单元模板名称型号I/O点数模拟量输入(AI)扩展模板EM231 4路12位模拟量输入模拟量输出(AO)扩展模板EM232 2路12位模拟量输出模拟量混合输入/输出(AI/AO)扩展模板EM235 4路模拟量输入/1路模拟量输出智能模板名称型号功能通信处理器EM277是连接SIMATIC现场总线PROFIBUS-DP从站的通信模板，可将S7-200CPU作为现场总线PROFIBUS-DP从站接到网络中。通信处理器CP243-2是S7-200的AS-i主站，通过连接AS-i可显著地增加S7-200的数字量输入/输出点数。每个主站最多可连接31个AS-i从站。S7-200最多可同时处理2个CP243-2，每个CP243-2的AS-i上最大有124DI/124DO此外还有一些其它特殊的功能模块。所有这些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。3.3可编程控制器(PLC)的选型3.3.1PLC的选型的原则任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：(1)最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。(2)保证PLC控制系统安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。(3)力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。(4)适应发展的需要由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。3.3.2PLC的选型首先确定plc的输入输出点，整理后如下表MPC输入点输入地址输出点输出地址本地I0.0启/停控制Q0.0远程I0.1正向/反向Q0.1左车高速I0.2一次减速Q0.2左车低速I0.3二次减速Q0.3右车低速I0.4急停Q0.4右车高速I0.5备用Q0.5急停I0.6 1#接触器合控制Q0.6备用I0.7 2#接触器合控制Q0.7备用I1.0 1#接触器制动Q1.0左车到顶I1.1 2#接触器制动Q1.1左车停车I1.2左车第一减速点I1.3左车第二减速点I1.4上超及松绳I1.5 EPC输入点输入地址输出点输出地址2#合接触器I2.0 1#变频器运行Q2.0 2#变频器故障I2.1 1#变频器故障Q2.1 2#接触器合制动器I2.2 2#变频器运行Q2.2 2#变频器运行I2.3 2#变频器故障Q2.3故障复位I2.4左车上行Q2.4备用I2.5右车上行Q2.5左车上行I2.6 1#变频器就绪Q2.6右车上行I2.7 2#变频器就绪Q2.7 1#合接触器I3.0备用Q3.0 1#变频器故障I3.1备用Q3.1 1#接触器合制动器I3.2备用Q3.2 1#变频器运行I3.3备用Q3.3右车到顶I3.4左车到底Q3.4右车停车I3.5右车到底Q3.5右车第一减速点I3.6左车上密检查Q3.6右车第二减速点I3.7右车上密检查Q3.7由于本课题已经确定用S7-200所以我们只要选择CPU的型号和所加的扩展模块，由于本课题有27个输入点和21个输出点，所以根据保持15%的原则选择CPU224其订货号为6ES7214-1BD21-0XB0有14个数字输入点和10个数字输出点。扩展模块选择EM223其订货号为6ES7223-1PL21-0XA0有16个数字输入点和16个数字输出点。4低压电器的选型4.1旋转编码器的原理旋转编码器是用来测量转速的装置。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数(几十个到几千个都有)，和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。编码器以信号原理可分为增量脉冲编码器和绝对脉冲编码器。两者一般都应用于速度控制或位置控制系统的检测元件。增量型编码器与绝对型编码器的区分工作原理：由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差(相对于一个周波为360度)，将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。分辨率-编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线。信号输出：信号输出有正弦波(电流或电压),方波(TTL、HTL),集电极开路(PNP、NPN),推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动(对称A,A-；B,B-；Z,Z-),HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。信号连接-编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。A、B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。A、A-，B、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。本实验选择西门子旋转编码器6FX2001-5FS24工作电压：10-30V，功耗：250 mA，多圈；180 mA，单圈时钟输入：差分电缆接收器，根据EIA标准RS 485数据输出：差分电缆驱动器，根据EIA标准RS 485数据传输速率：100 kHz-1 MHz最大机械转速：12,000 rpm，单圈；10,000 rpm。4.2系统低压电器的选型根据生产的需要，卷扬机采用两台电机拖动。电机的型号：YTSZ355M1-8功率：160KW额定电压：380V额定电流：320A由于变频器已经选好了，一些配套的低压电器可以在变频器选型书上找到，如果变频器选定，配套的低压电器都已经帮我们选好，这样省去了很多事。根据书上推荐的电器型号，可以选出制动单元：6SE7031-6ES87-2DA0额定功率为100KW制动电阻：6SE7031-6ES87-2DC0电阻大小为4交流接触器：3RT1076额定电流为610A交流进线开关(断路器)：3VF6211-1BM44-0AA0额定电流为600A进线电抗：4EU3052-5RA00-0AA0额定电流为560A进线快熔(熔断器)：3NE1453-0额定电流560A出线电抗：4EU3052-5RA00-0AA0额定电流560A 5系统软件开发5.1 Step7 Micro/WIN介绍Step7 Micro/WIN32编程软件介绍5.1.1软件功能Step7-micro/win32的基本功能是协助用户完成开发应用软件的任务,例如创建用户程序,修改和编辑原有的用户程序,编辑过程中编辑器具有简单语法检查功能。同时它还有一些工具性的功能,例如用户程序的文档管理和加密等。此外,还可直接用软件设置PLC的工作方式,参数和运行监控等。启动STEP-micro/win 32编程软件,其主界面外观中各部分功能(1)菜单条文件操作如新建,打开,关闭,保存文件,上装和下载程序,文件的打印预览,设置和操作等。程序编辑的工具,如选择,复制,剪切,粘贴程序块或数据块,同时提供查找,替换,插入,删除和快速光标定位等功能。(2)工具条工具条包括打开与关闭；包括引导条中所有的操作项目；选择不同语言的编程器(包括LAD,STL,FBD三种)。PLC可建立与PLC联机时的相关操作,如改变PLC的工作方式,在线编程,查看PLC的信息,清除程序和数据,时钟,存储卡操作,程序比较,PLC类型选择及通信设置等。在此还提供离线编译的功能。(3)引导条该条可用视图菜单中的引导条选项来选择是否打开。它为编程提供按钮控制的快速窗口切换功能,包括程序块,符号表,状态图表,数据块,系统块,交叉索引和通信。(4)指令树可用视图菜单中指令树的选项来选择是否打开,并提供编程时用到的所有快捷操作命令和PLC指令。(5)交叉索引它提供3个方面的索引信息,即交叉索引信息,字节使用情况信息和位使用状况信息。使编程所用的PLC资源一目了然。(6)数据块该窗口可以设置和修改变量存储区内各种类型存储区的一个或多个变量值,并加注必要的注释说明。(7)状态图表该图表可以在联机调试时监视各变量的值和状态。(8)符号表实际编程时为了增加程序的可读性,常用带有实际含义的符号作为编程元件的代号,而不是使用元件在主机中的直接地址。(9)输出窗口该窗口用来显示程序编译的结果信息,如各程序块及各块的大小,编译结果有无错误,错误编码和位置等。(10)状态条状态条也称为任务栏,与一般的任务栏功能相同。(11)编辑器该编辑器可用梯形图,语句表或功能图表编辑器编写用户程序,或在联机状态下从PLC上装用户程序进行读程序或修改程序。(12)局部变量表每个程序块都对应一个局部变量表,在带参数的子程序调用中,参数的传递就是通过局部变量表进行的。5.1.2编程(1)程序文件操作：1)新建建立一个程序文件,可用文件菜单中的新建命令,在主窗口将显示新建的程序文件主程序区；也可用工具条中的按钮来完成。系统默认初始设置如下：新建的程序文件以项目1(CPU221)命名,括号内为系统默认PLC的型号。项目包括7个相关的块。其中程序块中有1个主程序,1个子程序SBR-0和1个中断程序INT-0。用户可以根据实际编程需要做以下工作：首先要根据实际应用情况选择PLC型号。右击项目1(CPU221)图标,在弹出的按钮中单击类型,或用PLC菜单中的类型命令。然后在弹出的对话框中选择所用的PLC型号。其次程序更名，项目文件更名；如果新建了一个程序文件,可用文件菜单中另存为命令,然后在弹出的对话框中键入希望的名称。2)打开已有文件打开一个磁盘中已有的程序文件,可用文件菜单中打开命令,在弹出的对话框中选择打开的程序文件,也可用工具条的按钮来完成。3)上装在已经与PLC建立通信的前提下,如果要上装PLC存储器中的程序文件,可用文件菜单中上装命令,也可用工具条中的按钮来完成。(2)编辑程序编辑和修改控制程序是程序员利用Step7-micro/win32编程软件要做的最基本的工作,本软件有较强的编辑功能,本节只以梯形图编辑器为例介绍一些基本编辑操作。下面介绍程序的编辑过程和各种操作。1)输入编程元件梯形图的编程元件(编程元素)主要有线圈,触点,指令盒,标号及连接线。可以用指令树窗口中的治理所列的一系列指令暗类别分别编排在不同子目录中,找到要输入的指令并双击。也可以用指令工具条上的一组编程按钮,单击触点,线圈和指令盒按钮,从弹出的窗口中下拉菜单所列的指令中选择要输入的指令单击即可。在一个网络中,如果只有编程元件的串连,输入和输出都无分叉,则视为顺序输入。方法非常简单,只需从网络的开始依次输入各编程软件即可,每输入一个元件,光标自动向后移动到下一列。2)复杂结构上行线右行线输入线圈插入网络下行线左行线输入输入删除触点指令盒网络用指令工具条中的编程按钮,可编辑复杂结构的梯形图,本例中的实现。方法是单击图中第一行下方的编程区域,则在本行下一行的开始处显示光标,然后输入触点,生成新的一行。输入完成后出现所示界面,将,光标移到该元件,单击按钮即可。如果要在一行的某个元件后向下分支,可将光标移到该元件,单击按钮。然后便可在生成的分支顺序输入元件。新生成行向上合并。3)插入和删除编程中经常用到插入和删除一行,一列,一个网络,一个子程序或中断程序等。方法有两种：在编程区右击要进行操作的位置,弹出下拉菜单,选择插入或删除选项,再弹出子菜单,单击要插入或删除的项,然后进行编辑。也可用编辑菜单中的命令进行上述相同的操作。4)块操作利用块操作对程序大面积删除,移动,复制操作十分方便。块操作包括块选择,块剪切,块删除,块复制和块粘贴。这些操作十分简单,与一般字处理软件中的相应操作方法完全相同。5)符号表使用符号表,可将直接地址编号用具有实际意义的符号代替,有利于程序结构清晰易读。具体使用可参考帮助中相关内容。6)局部变量表打开局部变量表的方法是,将光标移到编辑器的程序编辑区的上边缘,拖动上边缘,向下,则自动显露出局部变量表,此时即可设置局部变量。7)注释梯形图编程器中的网络n标志每个梯级,同时又是标题栏,可在此为本梯级加标题或必要的注释说明,使程序清晰易读。方法：双击网络n区域,弹出对话框,此时可以在题目文本框中键入标题,在注释文本框键入注释。8)编程语言转换软件可实现三种编程语言(编辑器)之间的任意切换。选择视图菜单,然后单STL,LAD或FBD便可进入对应的编程环境。使用最多的是STL和LAD之间的相互切换,STL的编程可以按或不按网络块的结构顺序编程,但STL只有在严格按照网络块的结构顺序编程,但STL只有在严格按照网络块编程的格式下才可切换到LAD,不然无法实现转换。9)编译程序编辑完成,可用PLC菜单中编译命令进行离线编译。编译结束,在输出窗口显示编译结果信息。10)下载如果编译无误,便可单击下载按钮,把用户程序下载到PLC中。(3)调试及运行监控选择单次或多次扫描来监视用户程序,可以指定主机以有限的扫描次数执行用户程序。通过选择主机扫描次数,当过程变量改变时,可以监视用户程序的执行。多次扫描将PLC置于STOP模式使用调试(Debug)菜单中的多次扫描(Multiple Scans)命令,来指定执行的扫描次数,然后单击确认(OK)按钮进行监视。初次扫描将PLC置于STOP模式,使用调试(Dedug)菜单中的初次扫描(First Scans)命令。可使用状态图表来监视用户程序,并可以用强制表操作修改用户程序中的变量。当程序运行