（材料加工工程专业论文）钢轨焊接生产输送线现场控制系统网络开发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 长钢轨输送是钢轨基地焊接生产的重要环节之一，合理的输送系统对于无缝长钢 轨生产线生产效率和安全可靠性的提高以及运行成本的降低起着十分重要的作用。通 过对国内既有钢轨焊接输送控制系统的调查与分析，传统的输送控制系统存在如下几 方面不足：( 1 ) 控制系统主要采用继电器、接触器进行控制，可靠性差，故障率高；( 2 ) 采用串电阻的方法进行交流电机的启动和调速控制，操作复杂，电能浪费大；( 3 ) 系 统结构庞大，能耗高，效率低。基于上述原因，对长钢轨输送控制系统进行研究，并 设计新型的长钢轨输送控制系统具有现实意义。 针对传统长钢轨输送控制系统存在的不足，论文进行了如下工作：( 1 ) 根据生产线 的工位布局，参与设计了总线控制网络拓扑结构；( 2 ) 根据长钢轨生产工艺流程和焊 接生产线工位布置，基于计算机一可编程序控制器( p l c ) 主从结构，选择合适的变频调 速器、p l c 及相关辅件，设计了生产线通信控制网络硬件；( 3 ) 在对控制逻辑优化的基 础上，编写了生产线p l c 通信控制软件，实现了钢轨输送的集中控制、各工位工作信 息实时交换和反馈。 改造后的输送控制系统在成都铁路局石板滩焊轨基地的应用表明：新的输送控制系 统实现了操作简单，生产效率高，满足现场生产需求，最大限度发挥了生产线的生产 能力。 关键字：无缝钢轨；输送控制；可编程序控制器；c a n o p e n 现场总线 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t l o n gr a i lt r a n s m i s s i o ni sa ni m p o r t a n tp a r to ft h er a i lw e l d i n gp r o d u c t i o ni nb a s e ar e l i a b l e t r a n s m i s s i o ns y s t e mi sv e r yu s e f u lt oi m p r o v et h eo p e r a t i n ge f f i c i e n c ya n d s a f e t yr e l i a b i l i t yo ft h el o n gr a i lp r o d u c t i o nl i n e sa n dr e d u c et h eo p e r a t i n gc o s t s h o w e v e r ，t h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so nt h er a i lw e l d i n gt r a n s p o r t a t i o nc o n t r o l s y s t e mi nd o m e s ti c ，t h eo l dt r a n s m is s i o nc o n t r o ls y s t e mw a sf o u n dt oh a v es u c h d i s a d v a n t a g e sa sf o l l o w s ：f i r s t ，b e c a u s er e l a y sa n dc o n t a c t o r sw e r ep r i m a r i l yu s e dt o c o n t r o li nt h eo l dc o n t r o ls y s t e m s ，s oi th a ss h o r t c o m i n g so fp o o rr e li a b il i t ya n dh i g h f a i l u r er a t e s e c o n d ，m e t h o d so fs e r i e sr e s i s t a n c ew e r eu s e di ns t a r t i n ga n ds p e e d i n g c o n t r o lo ft h ea l t e r n a t i n gc u r r e n tm o t o r ，s oi t i sc o m p l i c a t e dt oo p e r a t ea n dh a v eah i g h e n e r g yw a s t e t h i r d ，t h es t r u c t u r eh a sl a r g es y s t e m s ，h i g he n e r g yc o n s u m p t i o na n dl o w e f f i c i e n c y b a s e do na b o v er e a s o n s ，i th a sap r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d yt h el o n gr a i l t r a n s p o r t a t i o na n dd e s i g nan e wl o n gr a i1t r a n s p o r t a t i o nc o n t r o ls y s t e m i no r d e rt os o l v et h em e n t i o n e dp r o b l e m sa b o v et h a te x i s ti nt h el o n gr a i lt r a n s m i s s i o n c o n t r o ls y s t e m ，t h ef o l l o w i n gw o r kh a db e e nd o n e f i r s ta na p p r o a c hw a si n t r o d u c e dt ou s e t h ep l ca n df r e q u e n c yc o n v e r t e ri n t ot h es y s t e m s e c o n d ，t h ea p p r o p r i a t e f r e q u e n c y c o n v e r t e ra n dp l cw e r es e l e c t e da c c o r d i n gt ot h el o n gw e l d e dr a i lp r o d u c t i o np r o c e s sa n d t h el a y o u tp o s i t i o no ft h ep r o d u c t i o nl i n e t h i r d ，t h ef i e l db u sc o n t r o ln e t w o r kt o p o l o g y a n dc o n t r o ll o g i cw e r ed e s i g n e da n do p t i m i z e d t h e np l cp r o g r a mw a sd e v e l o p e dt oa c h i e v e t h ec e n t r a l i z e dc o n t r o l l i n go ft h er a i lt r a n s m i s s i o n ，r e a l t i m ee x c h a n g eo fi n f o r m a t i o n a n df e e d b a c k t h ea p p l i c a t i o ni nt h es h i b a n t a nr a i l - w e l d i n gf a c t o r yo fc h e n g d ur a i l w a yb u r e a u i n d i c a t e dt h a tt h er e f o r m e d t r a n s m i s s i o ns y s t e mh a si m p l e m e n t e ds i m p l eo p e r a t i o na n d g r e a t e re f f i c i e n c yi np r o d u c t i o n m o r e o v e r ，i tc a nm e tp r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t sa tt h es c e n e a n di m p r o v et h ep r o d u c t i o nc a p a c i t yo ft h ep r o d u c t i o n1 i n e k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sr a i l ；t r a n s m i s s i o nc o n t r o l ；p l c ；c a n o p e nf i e l d b u s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密日，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名：4 垒绍硝 b 朔：| o 、 指导老师繇侈及垓 日期：2 o l o 、r r 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： l 、以成都焊轨厂长钢轨焊接生产输送线为研究对象，研究变频调速技术在长钢轨 焊接输送线中的应用。并根据焊轨生产线的工位布局，结合变频调速和p l c 技术，设 计总线控制系统网络拓扑结构； 2 、根据长钢轨生产工艺流程和生产线工位布置，基于计算机一可编程序控制器( p l c ) 主从结构，选择合适的变频调速器、p l c 及相关辅件，设计生产线总线控制网络硬件； 3 、根据生产要求，设计优化合理的控制逻辑，编写生产输送线p l c 通信及控制程 序，最终实现钢轨输送的集中控制、各工位工作信息实时交换和反馈。 4 、重点解决了系统中的程序设计问题、p l c 之间通信闯题以及p l c 与变频器之问 的通信问题。通过将工业控制网络引入钢轨焊接生产线控制，利用p l c 与变频器的通 讯实现整个生产线的集中控制。 5 、同时根据u n i t yp r o 软件工具包的结构化程序设计特点，大量采用模块重复使 用的方法，大大减少了系统的开发和维护。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：触媚 日期： 7o 、玉、r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 随着我国铁路建设步伐的加快，既有线路提速改造和客运专线铁路的建设任务重 大。在铁路提速改造新线建设中最重要内容就是无缝线路的建设，而长钢轨的焊接又 是无缝线路建设的关键技术之一【l j 。 无缝线路的铺设就是将钢厂生产的定尺轨在专业的焊轨生产线上焊接成2 0 0 - - - 5 0 0 m 的长轨条，再送到线路上铺设，通过现场焊接把长钢轨连接成区间或跨区间无缝线路。 其主要优点体现在以下几个方面：延长钢轨的使用寿命；减少钢轨损伤降低养护费用； 减低行车阻力，从而提高行车速度；还可减少车辆维修费，并使行车平稳，旅客舒适 箜【2 1 寸。 从1 9 世纪初钢轨焊接最早应用于铁路运输至今，无缝线路在世界各国迅速发展。目 前全世界铺设无缝线路总长己达4 0 万公里，约占全世界路网总长3 1 。在美、德、法、 日等世界发达国家，铁路上无缝线路的长度占正线长的9 0 以上【3 】。截止2 0 0 6 年末，我 国仅有无缝线路5 2 1 7 6 k m ，占正线总长的5 7 6 ，有待进一步扩大我国无缝线路的铺设 范围。铁路“十一五 规划实施后( 2 0 0 8 年计划新线铺轨4 4 1 5 k m ，复线铺轨3 4 7 6 k m ) ， 铁路用钢轨的需求将持续上升【4 】。 列车运行速度和运行平稳性的决定因素之一是钢轨的铺设质量，无缝线路质量的提 高是列车提速的关键所在。焊缝的平顺性是无缝线路建设中的薄弱点，解决的办法之 一是要求钢厂将钢轨定尺延长至l o o m ，焊缝接头可成倍数减少1 5 】。为此，铁道部要求无 缝线路长轨条采用l o o m 钢轨焊接，并将铁路用热s l l o o m 钢轨列入标准定尺轨。而既有 焊轨厂生产线布置都基于2 5 m 定尺轨设计，焊接轨条长度在4 0 0 一- - 5 0 0 m 不等，无法按流 水作业方式进行l o o m 定尺轨的焊接生产，需要建设新的百米定尺轨焊接生产线或将原 有是2 5 m 定尺轨生产线改造成百米定尺轨焊接生产线。目前全国已建立1 1 个焊接基地， 全部按2 条生产线建设，年焊接能力可达蛰j 2 0 0 0 0 k m 以上【6 】阴。 传统的焊轨生产线输送控制系统主要采用继电器、接触器进行控制，采用在交流电 机绕线串电阻的方法直接对输送电机启动和调速。通常从继电器处接按钮控制接触器， 由工人根据生产情况进行控制。各工位之间没有逻辑互锁等保护措施。这种控制系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 存在以下问题【8 】： ( 1 ) 系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而 故障率较高。 ( 2 ) 普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功 能不易升级，技术水平难以提高。 ( 3 ) 电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提 高。 ( 4 ) 系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。 ( 5 ) 由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高，而且检查故 障困难，费时费工。 ( 6 ) 可靠性差，操作复杂，故障率高，电能浪费大，生产效率低，各工位协调困 难；送轨速度不可调，难以实现集中控制。 ( 7 ) 每个工位的工艺周期不同，操作人员需要用金属工具敲击钢轨向焊机及长轨 台操作人员传递信息，控制滚筒运动。由于环境吵杂，使得滚筒控制不准确，无法保 证人员和设备安全。 由于传统控制系统存在的上述缺点，难以满足国内对无缝钢轨产量的要求，设计合 理的生产线输送系统和现代化的控制方式对提高生产效率和降低劳动成本起着至关重 要的作用。因此利用现代工业技术对其控制系统进行改造具有现实意义。 1 2 长轨生产线工艺流程 在焊轨基地组建生产线，将短钢轨焊接成长钢轨，再运抵现场进行铺设的工艺是适 宜我国国情的一种方法。因此基地焊接长轨将成为铺设无缝线路的一种主要方式【9 】。常 用厂焊长钢轨工艺流程如图1 - 1 所示，不同的生产基地，焊接工艺流程会略有区别。 具体工序及要求为【10 1 ： 图卜1 长钢轨焊接工艺流程 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 ( 1 ) 标准轨存放。短轨列车停放对位后，使用l o t 移动式门吊及夹具进行卸车。 ( 2 ) 选配轨。根据生产要求，进行选轨和配轨。选配轨包括两个方面的内容，选 择钢轨长度和类型。对合格钢轨进行焊前配置，根据需要长度使用带锯床锯轨。 ( 3 ) 轨头校直。利用1 0t 移动式门吊运轨至焊轨生产线，进行焊前调直，利用轨 端校直机校直至合格。 ( 4 ) 轨端处理。用除锈刷面机对钢轨的踏面、轨底底面及端面进行除锈。 ( 5 ) 焊接。焊接前检查轨端刷锈质量，清除焊接电极处的焊渣；做好焊接前的准 备工作后，根据长轨工作面的位置进行轨端对位后进行自动焊接过程。 ( 6 ) 正火。通过中频电源柜和焊缝电感应加热线圈，对钢轨焊缝加热升温至9 0 0 ( 1 0 ) ，轨温采用点温计实测控制，而后用压力空气冷却。通过正火，细化晶粒， 通过快速冷却，提高焊缝硬度。 ( 7 ) 轨底打磨和轨头预打磨。利用台式或手持式砂轮机，对轨底、轨腰和工作面 进行粗打磨。 ( 8 ) 焊缝冷却。将长钢轨运至时效处理区并置于空气中进行时效处理，时效处理 时间为1 2 h 左右。 ( 9 ) 钢轨四向调直。利用四向调直机进行调直。然后再测量焊缝位置1m 范围内 的平直度，直至合格。 ( 1 0 ) 焊缝精磨。利用直线度电子测量系统检测焊缝位置1m 范围内的平直度。根 据测量结果确定进给量，使用精磨机进行焊缝精磨。精磨完毕，再次测量焊缝位置1m 范围内的平直度，直至合格。 ( 11 ) 焊缝探伤。使用超声波探伤仪和全断面组合探头对每个焊缝进行无损探伤， 对探伤结果做好记录。 ( 1 2 ) 验收。检查钢轨焊接接头平直度及焊接缺陷。不合格的钢轨接头需返回进行 锯轨并重焊。合格的成轨可进行贮存装车出厂。 上面列出的各项工序都有其特定的工艺设备，需要在空间上设置工位，如果一个工 位设置一道工序，工位之间的距离就是定尺轨的长度。以上工序依次进行，即完成一 个焊缝接头的生产，它们同时进行即完成长轨条的生产。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 论文主要工作 近年来，随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展，同时也带动电气传动和自 动控制领域的发展。其中，具有代表性的交流变频调速装置和可编程控制器获得了广 泛的应用，为p l c 控制的变频调速技术在长钢轨焊接输送控制系统中的应用提供了有 利条件。变频技术的运用使得输送线的生产效率得到较大提高，可以解决传统输送线 控制系统中存在的诸多问题。变频调速以其可靠性好，高品质的调速性能、节能效益 显著的特性在长钢轨输送线控制中具有广泛的发展前景。 本论文针对传统长钢轨输送控制系统存在的不足，结合现代自动控制技术，进行了 如下工作： ( 1 ) 以成都焊轨厂长钢轨焊接生产输送线为研究对象，研究变频调速技术在长钢 轨焊接输送线中的应用。并根据焊轨生产线的工位布局，结合变频调速和p l c 技术， 设计总线控制系统网络拓扑结构； ( 2 ) 根据长钢轨生产工艺流程和生产线工位布置，基于计算机一可编程序控制器 ( p l c ) 主从结构，选择合适的变频调速器、p l c 及相关辅件，设计生产线总线控制网络 硬件； ( 3 ) 设计优化合理的控制逻辑，编写生产输送线p l c 通信及控制程序，最终实现 钢轨输送的集中控制、各工位工作信息实时交换和反馈。 要童窑鎏盔主璧圭至塞圭耋些耋塞要：要 第二章生产线分布及控制系统设计 21 百米轨生产线介绍 211 焊接生产线工位分布介绍 根据铁道部对焊轨基地工艺布置的要求，各生产线不得采用强制玲却方式，焊接后 钢轨应在自然冷却时效后方可进行精调工序，冷却时效时间应不少于2 4 h 。时效工序( 在 半成品站台堆放) 其作用是保证币火后接头有超过2 4 h 的自然冷却时效过程，长轨质 量最好。主要布置形式有u 型a n 型”i 。 ( 1 ) u 型生产工艺流程 热线工序流程：配轨一焊接一粗磨一正火一热调一半成品时效处理，各工序点间距 1 0 0 m 。 冷线工序流程：半成品时效处理一精调一精磨一无损检测( 探伤) 一成品轨存放台。 标准u 型( 既流水线在时效处理后反向) 工艺平面布置的特点是：流程合理、布 局紧凑。铁路线从一端引入，出岔容易。是比较合理的布局类型。其占地面积约长约 1 4 0 0 1 5 5 0 m ( 长度受短轨存放场数量限制) ，宽约$ 0 m ，其平面布局见图2 1 。 图2 一】标准u 型工艺平面布置示意图 缩短型u 型( l 型+ u 型) 工艺平面布置的特点是：增加在配轨问反同的流程， 缩短基地的长度。其占地面积约长约1 2 5 0 m ，宽约8 5 m 。由于布置最为紧凑，比较适合 于既有改造，其平面布局见图2 2 。 登壹耋鎏查兰至主墼塞兰兰堡鎏兰苎! 至 圈2 2 缩短型u 型丁艺平面布置示意图 ( 2 ) n 型生产工艺流程 热线工序流程：配轨一焊接一租打磨一正火一热调一自然时效处理。 冷线工序流程：精调一精磨一探伤。回送线工序流程；长轨横移( 通过横移装簧) 一回送( 回送7 5 0 m ) 一成品轨存放台。 标准n 型工艺平面布置的特点是：长轨存放场和时效处理区合并，减少基建投资， 通过横移装置和反向，主要存在的问题是当两条生产线同时生产时群吊间会相互干扰， 同时群吊能力不足，必须采用横移装置，生产线有7 0 0 米以上的无效走行。其占地面 积约长约1 6 5 0 m ，宽约9 0 m ，平面布局见图23 。 图2 3 标准n 型丁艺平面布置示意划 成都焊轨厂石板滩焊轨基地采用标准n 性工艺平面分布建设，整个焊轨生产线分为 两条焊接生产线、一条精调线和一条精磨线。焊接生产线工序流程：配轨一调直一除 锈7 焊接一粗磨一正火一热调一长轨存放区成轨时效处理，各工序点间距1 0 0 m 。精调 线工序流程：精调一探伤一仿形磨，各工序点间距1 0 0 m 。精磨线工序流程：精磨一精 磨一长轨存放台，各工序点间距1 0 0 m 。 生产线主要完成以下工作：钢轨焊前处理，焊接，以及焊后接头处理。各工位需 协调工作，进行及时的工作状态信息交换。 r_lfq叫1l一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 2 1 2 生产线滚筒及电机分布 钢轨输送滚筒线由轴线垂直于钢轨走行方向的动力滚筒、无动力滚筒、侧向滚筒 及其控制系统构成。动力滚筒、无动力滚筒按1 ：2 比例，间隔2 5 米布置。侧向滚筒 间隔7 5 米布置。设计每5 0 m 的动力滚筒采用一台变频器拖动。平均每台变频器拖动7 台电机。生产过程中通过变频器控制电机转速，经减速器带动动力滚筒转动，实现线 速度无级可调。 2 2 控制系统网络结构设计 2 2 1 控制系统设计要求 根据工艺流程，长钢轨生产输送线控制系统设计时应满足如下要求： 1 、两条热线的总控工位在焊接工位，每个工位的生产状态信息均反馈到焊接工位。 焊接工位操作人员对信息进行分析和判断后，进行操作，并对其他工位的下一 步操作做出指示。 2 、两条冷线的总控工位分别在精调和精磨工位，每个工位的生产状态信息均反馈 到总控工位。总控工位操作人员对信息进行分析和判断后，进行操作，并对其 他工位的下一步操作做出指示。 3 、为了提高走轨效率，系统必须具备根据钢轨位置选择对某段滚筒并进行操作的 功能，同时具有高速低速、手动自动切换功能。 4 、为了实现集中控制，同时需在一些工位设置辅助控制操作箱，以配合总控工位 进行钢轨输送，提高送轨速度。 5 、为保障安全，各控制工位必须有互锁功能。在某一工位作业时，该工位可将输 送线滚筒锁定，以避免误操作引起的生产事故。 6 、变频器、p l c 故障时，给主控制工位相应的报警信号，便于故障查找和排除。 2 2 2 控制系统网络组建 为实现生产线自动化控制和集中操作，结合可编程逻辑控制器和变频调速器实现生 产线合理送轨。设计生产线系统网络结构如图2 - 4 所示：整条生产线采用上位机通过 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 以太网与p l c 相连接，以实现上位机对p l c 中的参数进行读写等操作；p l c 与变频器 之间采用现场总线进行通讯，以控制变频器的启动、停止、正反转、输出频率等，进 而控制电动机以实现调速和复杂的逻辑控制。 同时考虑到生产线长度，为保证通讯速度和通讯质量，设计每条生产线分别采用两 台p l c 分两段控制，p l c 之间同样采用以太网通讯。 上位机 以太网 p l cp l c 现场总线现场总线 变频器变频器变频器变频器 2 2 3 系统网络设计 2 2 3 1 现场总线 图2 - 4 系统网络拓扑结构示意图 现场总线技术是实现现场级控制设备数字化通信的种工业现场层网络通信技 术，是一次工业现场级设备通信的数字化革命，现场总线监控系统将传统的分布式监 控系统d c s 中的控制功能进一步下放到现场微机监控单元，由现场监控单元完成数据采 集、处理、控制运算、控制输出等功能。下层监控单元与上层设备的信息交互通过现 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 场总线进行，现场监控单元通过现场总线和适配卡实现与上层管理网络相连，向上层 网络传送所要求的监控数据、系统运行信息和状态。在上层网络的计算机中以文字、 列表曲线、图形和动画的形式显示现场数据、变化趋势、故障情况和报警状态，为管 理人员的操作提供可靠、准确的实时信息，同时接收上层网络下发的命令，从而实现 集成监控【12 1 。 现场总线通讯协议的结构是根据国际标准化组织提供的i s 0 0 s i 模型来制定的。标 准i s o o s i 模型有七层框架，但根据工业控制的特点，多数数据总线协议都是采用了其 中的物理层、通信层和应用层。这样可以保证实时通信，并在此基础上已经发展起来 t f f 、c a n 、p r o f i b u s 、l o n w o r k s 、c o n t r o l n e t 等总线协议【1 3 1 。 2 2 3 2 变频调速器 各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均 2 0 0 v 6 0 h z ( 5 0 h z ) 或1 0 0 v 6 0 h z ( 5 0 h z ) ，在现代化生产中需要各种频率的交流电源， 变频器的作用就是把工频交流电或直流电变换成频率可调的交流电供给需要变频的负 载。 变频器就是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控 制装置。可分为交一交变频器，交一直一交变频器。交一交变频器可直接把交流电变 成频率和电压都可变的交流电；交一直一交变频器则是先把交流电经整流器先整流成 直流电，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电【1 4 】。 变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是运用最广、最有发展前途的调 速方式。交流电机变频调速系统的种类很多，从2 0 世纪5 0 年代提出的电压源型变频器 开始，相继发展了电流源型、脉宽调制型等各种变频器。目前变频调速的主要方案有 交一交变频调速，交一直一交变频调速，同步电动机自控式变频调速系统，正弦波脉 宽调制( s p w m ) ，矢量控制、直接转矩控制变频调速等，而且速度传感技术日益成熟， 许多智能技术逐步渗透到其中，如模糊控制、专家系统、神经网络、自适应控制等， 与这些控制方式相结合，大大提高了变频器调速系统的控制效果，这些变频器调速技 术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平以及电力电子技术的发展水 平。2 0 世纪8 0 年代中期随着第三代电力半导体器件如门极可关断晶闸管g t o 、绝缘栅双 极晶体管i g b t 的相继出现，交流变频调速技术得到了飞速发展。日、美、德、英等国 家在结合现代微处理器控制技术、电力电子技术、电机传动技术的基础上，相继推出 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 了一系列的变频器，且不断进行更新换代【1 5 】【1 6 】。 2 2 。3 3 可编程程序控制器 可编程序控制器，其早期主要应用于开关量的控制，现代的可编程控制器是以微处 理器为基础的高度集成的新型工业控制装置，是计算机技术与工业控制技术相结合的 产品。可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采 用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和 算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的 生产过程。而有关的外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功 能的原则设计【1 7 1 。 目前p l c 朝以下几个方向发展： ( 1 ) 大型网络化：主要朝d c s 方向发展，网络化和强通信能力是p l c 发展的一个主 要的方面，向下与多个智能装置相连，向上与工业计算机、以太网等相连构成特殊的 控制任务。 ( 2 ) 多功能：为了适应特殊功能的需要，连续推出多种智能模块，如模拟量输入 输出、回路控制、通信控制、机械运动控制、高速技术、中断输入等。这些智能模块 以微处理器为基础，其c p u 与p l c 的c p u 并行工作，占用主机c p u 时间很少，有利于提高 p l c 扫描速度和完成特殊的控制任务。 ( 3 ) 高可靠性、好兼容性：由于现代控制系统的可靠性和兼容性日渐受到人们的 重视，一些公司强自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了 高可靠的冗余系统。 ( 4 ) 编程语言向高级语言发展：p l c 的编程语言在原有梯形图语言、顺序功能块和 指令表语言基础上，推出了可运行于计算机w i n d o w s 环境下，界面友好，强劲的梯形图 和语句表两种形式的编程、调试、诊断等功能1 8 1 。 2 2 3 4 工业以太网网络 以太网是在2 0 世纪7 0 年代由x e r o x 公司创建并由x e r o x 、i n t e r 和d e c 公司研制 开发的一种基带局域网技术。以太网是当前应用最普遍的局域网技术之一，它很大程 度上取代了其他局域网标准，如令牌环网、f d d i 和a r c n e t ，以太网的标准拓扑结构为 总线型拓扑，但目前的快速以太网使用交换机来进行网络连接和组织，这样以太网的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i 页 拓扑结构就成了星型，但在逻辑上，以太网仍然使用总线型拓扑结构和c s m a c d 的总 线争用技术【1 9 1 。 以太网是为信息网络而设计的，所用的接插件、集线器、交换机和电缆等也都是为 办公室应用而设计的，并没有考虑适用于工业现场恶劣环境的要求。而工业以太网是 基于i e e e8 0 2 3 ( e t h e r n e t ) 的强大的区域和单元网络，在材质的选用、产品的 强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能 满足工业现场要求。具体表现在【2 0 】： 以太网的通信速率一再提高，为以太网进入控制领域奠定了基础。 ( 1 ) 由于终端设备和交换机端口间可采用全双工通信线路，以及交换机内部 多对端口之间的并行交换，因此，全双工交换式以太网彻底摆脱了 c s m a c d 的限制，克服了因c s m a c d 导致的确定性和实时性差的缺点，消除 了以太网用于工控领域的最大障碍。 ( 2 ) 以太网物理介质由早期的粗同轴电缆、细同轴电缆发展到现在的双绞线 电缆、光缆，大大提高了网络的传输距离和抗干扰能力。 ( 3 ) 应用层采用现场总线的协议，兼容现有成熟的传统控制系统，如d c s 、 p l c 等。 这方面比较典型的应用有如法国施耐德公司推出的“透明工厂 的概念，即将工 厂的商务网、车间的制造网络和现场级的仪表、设备网络构成畅通的透明网络，并能 与w e b 功能相结合、与工厂的电子商务、物资供应链形成整体f 2 l 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第三章硬件设计及实现 3 1 系统主要部件的计算与选型 3 1 1 电机 ( 1 ) 变频调速对电机的要求 采用变频调速时，由于变频器输出波形中高次谐波的影响以及电机转速范围的扩大 产生了一些与在工频电源下传动时不同的特征。主要反映在功率因数、效率、输出力 矩、电机温升、噪音及振动等方面。随着高开关频率的i g b t 等电力电子器件的使用、 p 1 i m 调制、矢量控制、增强型v f 控制方法的应用，使变频器输出波形、谐波成份、功 率因数及使用效率得到了很大的改善，有效地提高了变频控制电机的低速区转矩。同 时由于变频控制软件的优化使用，使电机可以避开共振点，解决了系统在大调速区间 内可能发生的共振问题。目前，变频器己经发展到除非有超同步调速的要求或呈1 ：2 0 以上的大速比、低调速要求或特低噪声要求外，一般无须选用变频专用电机作变频系 统的电机。现在国内推出的变频专用电机由普通电机加独立风扇组成，以解决电机在 低速运转过程中自冷风扇风量不足而引起的电机过热问趔2 2 1 。 ( 2 ) 长钢轨焊接输送线系统中电机的选型 三相异步电动机选择主要是选择电动机的额定功率、额定转速。 电动机额定转速的选择取决于负载的要求，额定功率相同的电动机，额定转速越高， 体积就越小，造价就越低，效率也就越高。转速选择应综合考虑电动机和生产机械两 方面的因素【2 3 】。 p 输送所需电机功率r = 二上，其中只是生产机械所需的功率，7 7 为总的机械效率。 j l l 总的机械效率包括电动滚筒机械效率7 7 1 和滚筒表面的机械效率叼2 。电动滚筒机械效 率叩1 通常在0 9 2 0 9 4 之间，可取0 9 2 ，本系统中的光表面滚筒其效率7 7 2 为0 9 5 。 根据i s o 计算方法： 暑= e v ( k w ) ( 3 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 冗圆周力，l ( n ； v 输送速度，m s ； e = 磊+ 尽e + b ( 3 2 ) 日空载运行阻力，k n ； 瓦物料水平输送的附加阻力，k n ： c 物料输送的提升阻力之和，k n ，向上输送为“+ ”，向下 输送为“9 9 ； b 特种阻力之和，k n ； 本系统无提升阻力和特种阻力，物料输送阻力远大于空载阻力，可以忽略不计。 c = r = c f l g q x l o q ( 3 3 ) c 综合修正系数；根据输送距离，取c 值为1 0 5 ； 厂摩擦系数，查表得钢轨与滚筒摩擦系数0 1 5 ； 三输送长度，焊接完成的整根钢轨长5 0 0 m ； g 重力加速度，9 8 1 朋s 2 ： g 每米传送物料质量，无缝线路选用的钢轨6 0 k g m ； 设计钢轨输送速度1 5 m s ，电机转速1 0 0 0 r m i n ，变速器传动比为7 ：1 。每5 0 0 m 平 均有7 5 个动力滚筒。经过计算，p 1 为0 9 3 k w ，p n 为1 0 6 k w 。最终选用额定功率1 1 k w 、 额定转速1 4 5 0 r m i n 的电动机。 ( 3 ) 电机冷却 施耐德a t v 7 1 变频器在调速比为1 ：2 0 的范围内能确保系统中普通电机有1 5 0 的过 载力矩值。此外，本系统中电机多用于大惯量短时工作制，通常不工作时间大于工作 时间。电机在起动过程中可承受2 5 倍额定电流值，远大于变频起动要求的1 5 倍值， 系统中电机在既定速度运行时电机通常工作在额定功率以下，因此高频引起的1 1 倍 电流值可不予考虑。但若电机要求在整个工作周期内在大于1 ：4 的速比下持续运行则 必须采用他冷式电机【2 4 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 3 1 2 变频器选型 变频器的选择包括变频器形式选择和容量选择两个方面f 2 5 l 。 ( 1 ) 变频器形式选择 长轨生产输送线负载特性为摩擦性负载，负载转矩特性为恒转矩负载，选用带低速 转矩提升功能的矢量型变频器，如日本的三菱、富士，德国的西门子及法国的施耐德 等。其中本系统选用施耐德矢量控制高性能型变频器，施耐德变频器具有较合理的性 价比，完整的理论计算书及辅件推荐值，有利于用户合理选用。另外，售后服务好也 是选用该品牌的原因之一。 ( 2 ) 变频器容量选择 长轨生产输送线控制方式为一台变频器驱动七台电动机，且各电机并联运行。矢 量型变频器可以一台变频器驱动多台电机，其并联运行且变频器短时过载能力为1 5 0 时，如电机加速时间在3 0 0 s 内有小于6 0 s 的加速时间，则 1 5 p c - n - 罢尸( 1 。ll + 堕( k s - 1 ) l ( 3 _ 4 ) 1 亏l1 + 篡j 叫 并要求 i c n 1 i n 丁i m ( 3 5 ) 式中 尸c l = k r 协r c o s q o ( 3 6 ) n ，并联电动机的台数： n r 同时启动的台数； 尸洲。连续容量( k v a ) ； r 电动机输出功率； ，7 电动机的效率( 取0 8 5 ) ； c o s 9 电机功率因数( 常取0 7 5 ) ： k ，电动机启动电流电动机额定电流，通常值为5 7 ； b 变频器额定电流 ，m 电动机额定电流； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 k 电流波形正系数( p i | | i v l 方式取1 0 5 - 1 1 0 ) 如变频器容量( k v a ) 通过利用上述公式的计算和参考别人经验，选用的变频器额定值如表3 - 1 所示 表3 - 1 变频器额定值 线路电源( 输入) 变频器( 输出) 最大线路电 最大最大 最大瞬时电 流 预期最大可用 流 变频器功率视在 变频器型号 在在 短路 充电的额 功率6 0 s 3 8 0 v4 8 0 v 电流电流定电2 s 时 时 时时 i s c 流 l ( w h paak ak v aaaaa a t v 7 1h d l1 n 4 zl l1 53 6 63 02 22 4 59 3 42 7 74 1 64 5 7 注：这些功率额定值与电流额定值是在环境温度为5 0 c ，以出厂设置的开关频率( 4 k h z ) 连续运 行的情况下给出的 a t v 7 1 变频器同时集成了m o d b u s 和c a n o p e n 通讯协议。可以通过分接线和分线盒 与p l c 进行通讯，从而实现网络控制。 a t v 7 1 变频器具有如下特点： 即插即用：可以立即起动最高1 5 k w 的电机，并使之运行。 、 结构紧凑：变频器体积小，并集成了e m c 滤波器。 开放接入：可使用集成的m o d b u s 和c a n o p e n ，连接至自动化系统。用于进行迅速、 准确的运动控制、调节、监控与设置。 高的工作温度：在加装散热风扇的情况下，可在5 0 6 0 的环境温度下可靠工 作。 3 1 3p l g 选型 选择能满足控制要求的适当型号的p l c 是应用系统设计中至关重要的一步。目前， 国内外p l c 生产厂家生产的p l c 品种已达数百个，其性能各有特点。由于p l c 品种繁 多，其结构形式、性能、容量、指令系统、价格等各有不同，适用场合也各有侧重， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 因此合理选择p l c ，对于提高p l c 控制系统的技术经济指标有着重要作用。p l c 的选型 包括机型、容量、i 0 模块、外围设备的选择等多个方面【2 6 i 阳。 l 、p l c 输入输出模块选择 根据系统的工艺流程及控制要求，系统中的开关量i o 点共1 0 8 点，其中5 6 点输 入，5 2 点输出。本系统为开关量的控制系统，无模拟量i o 点，无颁考虑p l c 的响应 时间。现代的小型p l c 一般都能满足要求。考虑到现场需求和供应商建议，选择2 0 针 端子块连接的1 6 0 2 型1 6 点2 4 v 直流晶体管数字量输入输出模块，其中输入输出各四 个。根据系统中的输入点数，并考虑一定余量口”。 2 、p l c 处理器选择 用户程序存储器的容量以地址或步为单位，每个地址可以存储一条指令。用户所 需程序存储器的容量在程序编好后可以准确的计算出来，但在设计刚刚开始时往往办 不到，通常需要进行估算。一般粗略的方法如下【洲。 ( i o 总数) x ( 1 0 2 0 ) = 指令步数( 3 7 ) 由于本系统需要进行p l c 与p l c 之问、p l c 与变频器之间、p l c 与上位监控计算机之间 的通信，所以应选用具有组网能力和网络通信功能的p l c 。系统采用以太网实现p l c 与 p l c 之间、p l c 与上位监控计算机之问通信，采用c a n o p e l l 现场总线实现p l c 与变频器之 间的通信。根据咀上需求，本系统的p l c 硬件选择施耐德公司的m o d i c o nm 3 4 0 系列p l c ， 其中机架为b m xx b p1 2 0 0 ( 1 2 插槽) ，主机为b m xp 3 42 0 3 0 ，电源模块为b m xc p s2 0 0 0 ， 处理器背板接口如图31 所示。 墅壁 2u s b # = 3 s d 哥鼋 4 “i ，r j = 5 c a n o d e n 等二 图3 1b 掀p 3 42 0 3 0 示意髓阱i 主机c p ub m xp 3 42 0 3 0 模块。其本身集成了1 0 2 4 路离散量机架i o 通道2 6 6 路模拟 量机架i 0 通道，3 6 路计数通道，2 路以太网通道。b m xp 3 42 0 3 0 最大存储器容量4 0 9 6 k b ， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 配有一个u s b 通信编程口，具有c a n o p e l l 通信、以太网通信能力，是具有很强控制能力 的小型控制器。 32 硬件实现 321c a n 通信 本课题中采用c a n o p e n 总线组建现场设备网络，拓扑结构实物图如图3 2 所示。 卿巨睡惩嚏 (“。 7 、尸 = ：兰竺= ! 三# 幽3 叫c a n 0 p e n 拓扑结构实物捌 c a n 总线是一种最初为汽车车载设各控制( 传感器、执行器) 而设计的串行数字 通信总线，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。目前，c a n 总线 在国内的应用普遍停留在比较低的层次上，即苘单地应用c a n 控制器、c a n 总线收 发器完成c a nb u s 的应用，并且大都是自己定义的一些简单的应用层协议，没有和国 际标准的c a n 高层协议接轨。c a n o p e n 协议是一种流行于欧洲的c a n 高层协议，由 c i a ( c a ni n a u l o m a _ 【i o n ) 组织开发和维护，可免费获得。该协议精练、透明、便于理解， 降低了驱动程序开发难度，在工