高炉探尺控制系统的设计（直流控制）

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 SIMOREG DC-MASTER 6RA70 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2blast furnace gage rod the design of control systems （DC control）AbstractThis paper introduces the all-digital DC speed control system, working principle, self-adjusting process and the operating characteristics and the actual speed control circuit through the qualitative analysis of automatic control systems. Siemens introduced the SIMOREG DC-MASTER 6RA70 DC converter to use, system design, and all the advantages of digital control system.Keywords: DC Speed Regulation System, DC Motor, Blast Furnace Gage Rod 3目 录1 绪论12 控制系统的工作原理12.1 直流调速系统的原理22.2 高炉探尺系统的工作原理43 硬件选择63.1 直流电机的选型63.2 PLC 的选 型93.3 直流调速装置的选型123.4 编码器的选型163.5 硬件接线图204 软件设计204.1 I/O 口的选择214.2 程序流程图214.3 PLC 控制程序 225 高炉探尺的调试24致谢25参考文献41 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 700 mm，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 SIMOREG DC-MASTER 6RA70 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：2（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，编码器卷扬机重锤控制器电机3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VMgMdMfVMdMgMfMdMgMkV=04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 72.83.2 PLC 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5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、CPU 222、CPU 224、CPU 226、CPU 226XM （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、EM 232、EM 235。 （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6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 1 CPU226 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 0.37s/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：76RA70 SIMOREG DC MASTER 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。SIMOREG DC-MASTER 家族包括各种型号功率范 围.3kW1900 kW，用于电枢和励磁馈电，单/双或四象限 传动。并且 SIMOREG DC-MASTER 具有高动态性能：电流或转矩上升时间大大低于 10 ms。功率部分和冷却 SIMOREG 6RA70 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 2200 A，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。SIMOREG 6RA70 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 151200 A 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1500 A 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125 A 的装置为自然。风冷， 额 定电流210 A 的装置为强迫8风冷(风 机) 。6RA70 SIMOREG DC MASTER 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 SIMOREG DC MASTER 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 4565Hz 范围之内) ，工作在 扩大的频率范围 23Hz110Hz 需询问 。电枢回路的供电相序不要求。对于 额定直流电流为 15850A(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。9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10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 10 V0 20 mA4 20 mA 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。与励磁电流调节器并联工作的还有预控制器，该预控制器根据电流给定值和电源电压计算和设定励磁回路的触发角。 预控制器支持电 流调节器并改善励磁回路的动态响应。触发装置：触发装置形成与励磁回路电源同步的功率部分晶闸管控制触发脉冲，同步信号取自功率部分，与电子控制回路供电电 源无关。控制触 发脉冲在时间上由电流调节器和预控制器的输出值决定。通过参数设定触发极限。触发装置能自动适应频率为 45 65 Hz 的电源。优化过程：6RA70 系列整流装置出厂时已做了参数 设定，选用自优化过程可支持调节器的设定。通过专门 的关键参数进行自优化选取。电流调节器的优化：设定电流调节器和预控制器(电枢和励磁回路)。 转速调节器优化：设定转速调节器的识别量。自动测取用于转速调节器预控制器的摩擦和惯性力矩补偿量。自动测 取与 EMF 有关的弱磁控制的磁化特性曲线和在弱磁工作时的 EMF-调节器的自动优化。此外可经操作面板改变自动优化过程中所设定的所有参数。11监控与诊断：运行数据的显示，参数 r000 显示整流装置的运行状 态。约有50 个参数用于显示测量值，另外还有 300 多个由软件(连接器)实现的调节系统信号，可在显示单元输出，例如可显示的测量值有： 给定值， 实际值，开关量输入/输出口状态，电源电压，电源频率，触发角，模 拟量口的输入/ 输出，调节器的输入/输出，限幅显示。扫描功能：通过选择扫描功能，每 128 个测量点中最多有 8 个测量值可被存储，测 量值或出现的故障信号可参数化为触发条件。通过选择触发延时提供了记录事件发生前后状态的可能性，测量值存储扫描时间在 3 300 ms 之间，可通过参数设定。测量值可通 过操作面板或串行接口输出。监控与诊断：故障信号，每个故障信号都有一个编号，此外对于故障信息存储了事件发生的时间，以便能尽快找出故障原因。为 了便于诊断，最后出 现的 8 个故障信号，包括故障编号，故障值及工作时间被存 储。当出 现故障时： 设置为“故障”功能的开关量输出口 输出低电平(选择功能) 切断传动装置(调节器封锁，电流为零，脉冲封锁，继电器“主接触器合” 断开) 显示器显示带 F 的故障编号，发光二极管“ 故障” 亮。故障信息的复位可以通过操作面板，开关量可设置端子或串行接口完成。故障复位后传动装置处于“合闸封锁 ”状态。 “合闸封锁” 将由“停车”(端子 37 加低电平信号)操作才能取消。自动再启动：在参数设定的一段时间内(0 2s)允许传动系统自动再启动。如果时间设定为零， 则立刻显示故障(电网故障)而不会再启动。出现下列故障 时可选择自动再启动：缺相(励磁或电枢)，欠压，过压，电子板 电源中断，并联的 SIMOREG 欠压。故障信息分为下列几种类型： 电网故障：缺相，励磁回路故障，欠压，过压， 电源频率45 Hz 或 65 Hz。 接口故障：基本装置接口或附加板接口故障 传动系统 故障：对转速调节器、电流调节器、EMF-调节器、励磁电流调节器等的监控已经响应，传动系统封锁，无电枢电流 电 机电子 过载保护( 电机的 I2t 监控)已经响应 测速机监控和超速信号 启动过程故障 电子板故障 晶闸管元件故障：这组故障只有通过相应参数激活了晶闸管检查功能时，才会出 现。 检查晶闸管能否关断及能否触发 电机传感器故障(带端子 扩展板 )：监控电 刷长度，轴承状态，风量及电机温度 通过开关量可设置端子的外部故障。故障信息通过参数可逐个被“禁止 ”。某些故障信息出厂时被切断，只有通过相应的参数它 们才能被激活。警告：警告信号是显示尚未导致传动系统断电的特殊状态。出现警告时不需要复位操作，而是当警告出现的原因已经消除时立即自动复位。当出现一个或多个警告时： 设置为“警告”功能的开关量输出端输出低电平(选择功能) 通过发光二极管“故障 ”闪亮显示警告分 为下列几种类型： 电机过热：电机 I2t 计算值达到 100% 电机传感器警告(当选用端子扩展板时 )：监控轴承状态， 电机风机，电12机温度 传动装置警告：封锁传动装置，没有电枢电流 通过开关量可设置端子的外部警告 附加板警告。模拟量可设置输入口：模拟量输入口输入的值变换为数字值后可通过参数进行规格化、 滤波、符号选择及偏置处理后灵活地输入。由于模拟输入量可用作连接器，所以它不仅可以作为 主给定值而且可以作为附加给定值或者极限值。模拟量输出口：电流实际值作为实时量在端子 12 输出。该输出量可以是双极性的量或是绝对值，并且极性可以选择。 还有可选 的模拟量输出可用来输出其它模拟信号，输出量可以是双极性或绝对值。 规格化，偏置，极性，滤波时间常数可通过参数设定。希望的输 出量可通过输入该点的连接器号选择，可输出量值为转速实际值，斜坡函数发生器 输出， 电流给定值，电 源电压等。开关量输入口：通过端子 37 启动/停止(OFF1) ：此端子功能与串行接口控制位“AND”连接。当端子 37 为高电平信号时经内部过程控制主接触器(端子109/110)合闸。当端子 38(运行允许)加高电平信号时 ，那么 调节器放开。传动系统按转速给定值加速到工作转速。当端子 37 为低电 平信号时，传动系统按斜坡函数发生器减速到 nn min，在等待抱 闸控制延时后， 调节器封锁，I=0 时主接触器断开。主接触器断电后经 一段设定时间，励磁 电流减小到停车励磁电流(该值亦可由参数设定) 。 通过 端子 38 发出运行允许命令：此功能与串行接口控制位“AND”连接。在端子 38 加高电平信号时，调节器锁 零放开，当端子 38 上为低电平信号时， 调节器封锁，I=0 时，触发脉冲封锁。 “运行允许” 信号有高优先权，即在运行过程中，取消电平信号 (低电平信号)导致电流总是变为零，使传动系统自由停车。可 设置开关量输入口： 还有其它开关量输入端子可用于可选择功能，每个具有控制功能的可设置端子都有一个开关量连接器编号。开关量输入口功能举例： 切断电源(OFF2):当为“OFF2”(低电平信号时 )，调节器立即封锁，电枢电流减小，I=0 时，主接触器断开， 传动系统自由停车。 快停(OFF3)：快停时(低电平信号) ，转速调节 器输入端的转速给定值置零， 传动 系统以电流极限值(为急停可进行参数设定的电流极限值) 进行制动。 nn min 时，经等待制动控制延时后，电流减至零，主接触器断开。 点动：当端子 37 为 低电平，端子 38 为高电平，且为点动工作模式时，点动功能有效。在点动工作模式下，主接触器合闸，传动系统加速到按参数设定的点动给定值。点动信号取消后传动系统制动到 nn min，然后调节器封锁，再经一段可参数设定的延时(0 60 s)主接触器断开，此外，可以选择，斜坡函数发生器此 时是处于激活，或是加速时间= 减速时间=0 状态下工作。开关量输出口：开关量输出端子(发射极开路)具有可选择信号功能，每个端子都可输出任何一个与选择参数相对应的开关量连接器值，输出信号的极性及13延时值(0 15 s)，由参数设定。开关量 输出口功能 举例： 故障：出现故障信号时输出低电平信号。 警告：有警告时输出低电平信号。 n n min：转速低于 n min 时输出高 电平信号。此信号可作为零转速信号使用。 抱闸动作指令：该信号可控制电机抱闸。当传动系统通过“启动”功能接通电源，并且“运行允许” 时输出高电平信号用于打开抱闸，此时内部调节器的打开要经过参数设定的一段延时(等待机械抱闸开启的时间)。当传动系统通过“停止” 功能停车或“急停” 时，在转速达到 n n min，输出低 电平信号，以使抱闸闭合。同时内部调节器仍保持放开由参数设定的一段时间(等待机械抱闸闭合的时间)。然后，电流 I=0，封锁触发脉冲，主接触器断开。就“抱闸闭合”( 开关量可设置输出为低电平)信号来讲，也可选择另一种工作方式。当“内部调节器封锁”(传动装置无电流)后，不再等转速达到 n n min，而是在转速还大于 n min 时，控制抱闸(工作抱闸)。在以下情况内部调节器封锁：出现故障信号，断电或在运行中取消端子 38 的“ 运行允许”命令。安全停车(E-STOP)：E-STOP 功能使控制主接触器的继电器接点(端子109/110)在约 15 ms 时间内断开，而与半导体器件和微处理器(主电子板)的功能状态无关，当主电子板工作正常时， 经由调节系统在 I=0 时输出命令使主接触器在电流为零时断开，启动 E-STOP 后传动装置自由停 车。下列几种方法可用于使 E-STOP 功能激活： 开关操作：接在端子 105/106 之间的开关断开使 E-STOP 功能激活 按钮操作：接在端子 106/107 之间的常闭接点断开使 E -STOP 功能激活，并带 停车保持。接于端子 106/108 之间的常开接点闭合使该功能复位。当 E-STOP 功能复位后传动系统处于“启动封锁” 状态 ，必须通过操作“停车” 功能，例如断开端子 37，进行复位。注意：E-STOP 功能不是 EN60204-1 标准的“急停” 功能。串行接口：下列串行接口可供使用： PMU 上 X300 插头是一个串行接口， 此接口按 RS232 或 RS485 标准执行 USS-协议，可用于连接选件操作面板 OP1S或通过 PC 的 Drive Monitor。在主 电子板端子上的串行接口， RS485 双芯线或 4 芯线用于 USS-通信协议或装置 对装置连接。在端子扩展板(选件)端子上的串行接口，RS485 双芯线或 4 芯线，用于 USS-通信协议 或装置对装置连接。通过附加卡(选件 )的 PROFIBUS-DP。经附加卡( 选件)SIMOLINK 与光纤电缆连接。串行接口的物理特性：RS232: 12 V-接口，用于点 对 点连接 RS485：5 V-推挽接口，具有抗干扰性，此外，还用与最多 31 台装置的 总线连接。USS-通信 协议 ：USS-通信 协议是西门子公司制定的一种通信 协议，也可用于非西门子系统，例如，PC 上进行编程处理，或使用任意主站连接。传动装置在运行时作为一个主站的从站。通 过使用从站编码选取传动装置。可以通过 USS-通信协议进行下列数据交换： 用于参数读写的 PKW (参数识别值)数据。 PZD-数14据(过程数据 )如，控制字，给定值，状 态字，实际值。发送的数据(实际值)通过输入的连接器号在参数中找出，接收的数据(给定值)以连接器号表示，在任意一个结合点都有效。装置对装置-通信协议：通过装置对装置协议使装置与装置耦合。在这种工作方式下，通过一个串行接口 进行装置间的数据交换，例如，建立 给定值链。把串行接口作为 4 芯导线使用，即可以从前一个装置中接收数据并加以处理( 例如通过乘法求值) ，然后再送到下一个装置，只有一个串行接口可用以这样的目的。在整流装置之间可进行下列数据交换，发送控制字和实际值， 接收状态字和给定值。在 发送和接收方向每次 传输的数据字不超过 5 个，通过连接器编号和结合点进行数据交换。串行接口可同时工作， 这样可通过 第一个串行接口连接自动化系统(USS-协议 )，用于控制、诊断和给定主给定值。第二个串行接口通过装置对装置- 协议实现一个给定值链的功能。电机接口：电机温度的监控可以选择连接热敏电阻(PTC)或线性温度传感器(KTY84-130)。为此，可以使用基本装置 电子板上的一个输入及选件端子扩展板上的一个输入。当选用热敏 电阻时输出警告信号或故障信号可通过参数设定。当选用 KTY84-130 时，可输入警告或分断的阈值。极限 值的输入和显示单位为C 。此外，可通过选件端子扩展板使用温度开关。有反应时 (开关量开关信号)输出可参数设定的故障和警告信号。通过端子选件扩展板的可设置开关量输入口(端子214)进 行信号 处理。电刷长度监控：通过电位隔离的微型开关监控电刷长度，这样，总是处理最短的电刷。如果电刷磨损严 重，那么微型开关接点打开， 这时，警告信号或故障信号可通过参数设定输出，通 过选件端子扩展板上的可设置开关量输入口(端子211)进 行信号 处理。电机通风机的冷风流量监控：可在电机气流通道中装一个风压继电器(型号3201.03)，当其动作时输出警告或故障信号，通 过选 件端子扩展板的可设置开关量输入口( 端子 213)进行信号 处理。工作方式所有的开环和闭环驱动控制及通讯功能由两台功能强大的微处理器实现， 驱动控制功能可以通 过参数，将 软件所提供的程序块“ 连接”来实现。铭牌上规定的额定直流电流(连续直流电流)，在负载等级 I，可以过载到 180%，过载允许的持续 2 时间由各个整流器而定。微处理器周期地计算功率部份电流的 I t 值，以确保晶闸管在过载运行时不被损坏。本系统采用 6RA7013 - 6DV62 0，额定电压 400v，额定电流 15A。3.4 旋转编码器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15参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有）、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。 编码器如以信号原理来分：增量脉冲编码器：SPC 和绝对脉冲编码器:APC，两者一般都应用于速度控制或位置控制系统的检测元件。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，一般在每转分度 510000 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。对于 TTL 的带有对称负 信号输出的编码器，信号传输距离可达 150 米。旋转编码 器由精密器件构成，故当受到较大的冲击时，可能会损坏内部功能，使用上应充分注意。注意事项：（1）安装：安装时不要给轴施加直接的冲击。编码器轴与机器的连接，应使用柔性连接器。在轴上装连接器时，不要硬压入。即使使用连接器，因安装不良，也有可能给轴加上比允许负荷还大的负荷，或造成拨芯现象，因此，要特别注意。 轴承寿命与使用条件有关，受 轴承荷重的影响特别大。如 轴承负荷比规定荷重小，可大大延长轴 承寿命。不要将旋 转编码 器进行拆解， 这样做将有损防油和防滴性能。防滴型产 品不宜长期浸在水、油中，表面有水、油时应擦拭干16净。 （2）振动：加在旋转编码器上的振动，往往会成 为误脉冲发生的原因。因此， 应对设置场所、安装场所加以注意。每转发生的脉冲数越多，旋转槽圆盘的槽孔间隔越窄，越易受到振动的影响。在低速旋转或停止时，加在 轴或本体上的振动使旋转槽圆盘抖动，可能会发生误脉冲。 （3）关于配线和连接误配线，可能会 损坏内部回路，故在配线时应充分注意： 配线应在电源 OFF 状态下进行，电源接通时，若输出线接触电源，则有时会损坏输出回路。 若配线错误，则有时会损坏内部回路，所以配线时应充分注意电源的极性等。 若和高压线、动力线并行配线，则有时会受到感应造成误动作成损坏，所以要分离开另行配线。本 设计旋转编码器选用 MAGA-KD12-204.8BM/4P-G05L 电源电压 DC5V、双路 输出、最高转速 5000rpm。每转输出脉冲 2048 个。探尺全数字直流调速系统由西门子 SIMOREG DC-MASTER 6RA70 不可逆控制器及外部辅助电机组成 ,系统控制接线见图 图 5 探尺全数字直流调速系统探尺的动作指令由上位机 S7-200 发出，提、放尺的速度由控制器内部数字给定 P412，P225 设定，提尺时，机械抱闸打开， 37，39 同时吸合，内部电子开关处于”0”位。系统为主动传动系统，实质是内环为电流环，外环为转速环的双闭环系统。可控硅处于整流工作状 态， 电动机电磁力矩克服重锤和系统静摩擦力矩，电机正转，重锤被提升。提尺速度可根据工 艺要求由 p412 大小设定.放尺时 ,机械抱闸打开，37，38 同时吸合，内部 电子开关处于 “1”位，系 统为从动传动系统，实质是电流单闭环系统。系 统刚工作瞬间， 调速装置 输出 P225 设定的电流值，Q1Q2 AC220VAC440460V1U1 1W1 1V1 5U1 5W1 3U1 3W1 1C1 1D1 3C1 3D1 电枢接线 励磁接线 SIMOREG DC-MASTER 6RA7034 电源37 使能38 提尺39 放尺17电动机电磁力矩小于重锤力矩，在重锤的作用下， 电动机被倒拉反转，可控硅 进入逆变工作状态，逆变电流产生制动转矩，重 锤被下放。P225 的设定值不能太大，否则电动机电磁力矩大于重锤力矩，重锤反而被提升.探尺下放时 ,重锤底部碰到料面被挡住。由于惯性作用，电机不能马上停下，重锤会发生一定的倾斜现象.但由于电动机产生的提升力矩仍然存在，调速装置由逆变工作状态过渡到整流工作状态，重锤很快被扶正，直至 Md = Mg Mz，重锤垂直立于料