卷扬机自动控制系统

卷扬机自动控制系统

前言

1.系统的背景和研究意义

高炉上料卷扬机是高炉冶金系统的关键设备之一，当前多数的高炉卷扬机的调

速方式传奇串电阻调速，但电阻容易烧毁，加上卷扬机钢丝绳松紧限度不一，

有时出现料车“挂顶”事故，严重影响了生产，因此需要此系统进行改造。本文

给出了i种基于矢量控制的电机变频调速系统实现方案，使系统具有较好的工

作性能。同时采用PLC控制保证调速控制精度，考虑控制电路的空干扰措施，对

硬、软件进行了优化设计，从而保证了系统控制的可靠性和安全性。

2.PLC技术的发展及工作特点

2.1PLC的概述

可编程逻辑控制器，及PLC,是一种可编程的存储器，用于其内部存储程序、执

行逻辑运算、顺序控制、定期、技术与计算操作等面向用户的指令，并通过数字

或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

2.2PLC的发展

20世纪70年代初出现了微解决器。人们不久将其引入可编程逻辑控制器,

可使编程逻辑控制器增长了运算、数据传送及解决等功能，完毕了真正具有计算

机特性的工业控制装置。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制

概念相结合的产物。个人计算机喝站起来后，为了方便和反映可编程控制器的功

能特点，可编程逻辑控制器定名为PLC(PrograiiinableLogicController)o

20世纪70年代终末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技

术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了奔腾。更高的运算速度、超小型

体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了

它在现代工业中的地位。

20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。

世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制

器已步入成熟阶段。

20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长

率一直保持为30—40九在这时期，PLC在解决模模拟量能力、数字运算能力、

人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控

制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处在统治地位的DCS系统。

20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工'业的需要，这

个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种

人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加

容易。

2.3PLC的工作特点

可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。

一、系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其专长；也能进行连续过程

的PTD回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生

产过程的综合自动化。

二、合用方便，编程简朴，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而

无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。此外，可在线修改程序,

改变控制方案而不拆动硬件。

三、能适应各种恶劣的运营环境，抗干扰能力强，远高于其他各种机型。

3.变频器技术的发展及应用

3.1变频器的概述

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源方式来控制交流

电动机的电力控制设备。

3.2变频器的发展

变频器技术诞生背景是交流电机无极调速的广泛需求。传统的直流调速技术

因体积大的故障效高而应用受限。

20世纪60年代后，电力电子器件普遍应用了晶闸管及其升级产品。但其调

速性能远远无法满足需要。

20世纪70年代开始，脉宽调速变压变频调速的研究得到突破，20世纪80

年代以后微解决器技术的完善使得各种优化算法得以容易的实现。

20世纪80年代中后期，美、日、德、英等发达国家的变频器技术实用化，商品

投入市场，得到了广发应用。最早的变频器也许是日本人买了英国专利研制的。

但是美国和德国凭借电子元件生产和电子技术的优势，高端产品迅速抢占市场。

步入21世纪后，国产变频器逐步崛起，现已逐渐抢占高端市场。

3.3变频器的应用

在风机、水泵上应用变频器重要是为了节能。在风机、泵类设备的传统调速

方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功

率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，假如

5.论文安排内容

本论文的安排内容如下：

第一章系统概述

所谓系统概述就是对冶金高炉上料系统做了一个，让大家对整个上料系统

的构成、工艺流程和控制规定有一个大约的了解

第二章料车高、中、低速运营参数设立

也就是卷扬机上料系统中规定的速度控制，本课题中，规定用三段速控制，

分为：高速、中速、低速。具体的速度控制规定见图2-1。而速度的控制就需要

变频器对其进行调速，也就需要知道变频器的参数意义、端子的具体功能与参数

设立方法。本章节对这些方面做了具体的介绍。

第三章硬件设计

顾名思义，本章节具体介绍了系统的硬件设计，比如：交流电机、变频器与

PLC的选择，硬件的接线图等。

第四章软件设计

介绍卷扬机上料系统的程序设计。

第五章调试运营于注意事项

很简朴，输入进PLC中的程序进行调试，把调试的结果以图片和视频的形式呈

现出来。并把调试中需要注意的方面做一个介绍。

第一章系统概述

1.1系统构成

在冶金高炉炼铁生产线上，i般把准备好的炉料从地面的贮矿槽运送到炉

顶的生产机械为高炉上料设备。它重要涉及料车坑、料车、斜桥、上料机。料车

的机械传动系统如图1-1所示。而料车卷扬机是料车上料机的拖动设备，结构如

图1-2所示。

图1-1料车传动系统示意图

△

1-电动机；2-连轴节；3-抱闸；4-减速机；

5-卷筒齿轮传动机构；6-卷筒：7-断电抱闸器

图1-2料车卷扬机示意图

冶金炉高lOOn?,电动机容量37kW,转速740”min,卷筒直径500mm，总减速比

15.75,最高钢绳速度1.5m/s、料车全行程时间40s和钢绳全行程51m等。

1.2系统工艺流程与控制规定

在工作过程中，两个料车交替上料，当装满炉料的料车上升时，空料车下行,

空车重量相称于一个平衡锤，平衡了重料车的车箱自重。当上行或下行时，两个

料车由一个卷扬机拖动，不仅节省了拖动电动机的功率，并且当电动机运转时总

有一个重料车上行，没有空行程。这样使拖动电动机总是处在电动状态运营，避

免了电动机处在发电运营状态所带来的一些问题。

料车运营分析：

①料车分为正常运营状态与检修状态。在正常运营状态中斜桥上的运营分为

启动、加速、稳定运营、减速、倾翻和制动共6个阶段，在整个过程中涉及一次

加速、两次减速。检修状态中，左右料车可点动运营。

②系统可单程运苣和连续运营。

③系统设有急停按钮与电磁抱闸装置以应付突发状况。系统工艺流程图如图

1-3所示。

①根据料车的工艺流程，卷扬机的工作特点重要有以下几点。

②可以频繁启动、制动、停车、反向运营，转速平稳，过渡时间短。

③能按照一定的速度曲线运营。

调速范围广，一般调速范围为0.5〜3.5m/s,目前料车最高线速度可达3.8m/s。

系统T作可靠°料车在进入曲线轨迹段和离开料坑时不能有高速冲击，重点位置

能准确停车。

电源上电

图1-3卷扬上料系统工艺流程图

第二章料车高、中、低速运营参数设立

2.1料车速度控制规定

根据料车运营素的规定，电动机在高速、中速、低速段的速度曲线采用变频

器设定的固定频率，按速度切换主令控制器发出的信号由PLC输出端控制转速

的切换。

而速度的改变由变频器控制实现。根据料车运营速度，可画出变频器频率曲

线，如图2-1所示。图2-1中0A为重料车启动加速段，加速时间为3s；AB为料

车高速运营段，fl=50Hz为高速运营时所相应的变频器频率，电动机转速为

740r/min,钢绳速度L5m/s；BC为料车的第一次减速段，由主令控制器发出第

一次减速信号给PLC,由PLC控制变频器MM440,使频率从20Hz下降到6Hz,电

动机转速从296r/min卜降到88.8r/min,钢绳速度从0.6m/s下降到0.18m/s；

EF为料车减少速度运营段，频率为6Hz；FG为料车制动停车段，当料车运营至

高炉顶时，限位开关发出停车命令，由PLC控制MM440完毕停车。左右料车运营

t

图2-1左料车上行时变频器频率曲线

2.2变频器的端子功能

变频器端子功能如表2-2所示。

表2-2变频器端子功能表

端子号参数的设立值缺省的操作

5P0701=T'正向运营

6P0702='12'反向运营

7P0703='9'故障确认

8P0704='15'固定频率

16P0705='15'固定频率

17P0706='15'固定频率

2.3变频器的参数意义

变频器各项参数意义如表2-1所示。

表2-1MM4410参数设立表

参数号设立值缺省值

功率以KW表达，频率为50Hz

POIOO0

P03001电动机类型选择（异步电动机）

P0304380电动机额定电压（V）

P030578.2电动机额定电流（A）

P030737电动机额定功率（kW）

P030991电动机额定效率（％）

P031050电动机额定频率（Hz）

P0311740定冬季额定转速（r/min）

P07002命令源选择“由端子排输入”

ON接通正转,OFF停止

P07011

ON接通反转,OFF停止

P07022

P070317选择固定频率（Hz）

P070417选择固定频率（Hz）

P070517选择固定频率（Hz）

P073152.3变频器故障

PI0003选择固定频率设定值

PI00150选择固定频率fl=50Hz

P100220选择固定频率f2=20Hz

PI0046选择固定频率f3=6Hz

P10800电动机运营的最低频率（Hz）

P108250电动机运营的最高频率（Hz）

P11203斜坡上升时间（s）

P1I2I3斛坡下降时间（C

P130020变频器为无速度反馈的矢量控制

2.4变频器的参数设立操作方法

2.4.1复位为出厂设立

1.设立P0010=30

2.设立P0970=l

提醒：复位过程约需三分钟过程。

2.4.2常规操作

控制面板操作：

1.变频器没有主电源开关，因此，当电源电压接通时变频器就已带电。在按

下运营（RUN）键，或者在数字输入.5出现“ON”信号（正向旋转）之前，变频器

的输出一直被封锁，处在等待状态。

2.假如装.BOP.AOP并且已选定要显示输出频率（P0005=21）,那么，在变频

器减速停车时，相应的设定值大约每一秒钟显示一次。

3.变频器出厂时已按相同额定功率的西门子四极标准电动机的常规应用对

象进行编程。假如用户采用的是其它型号的电动机，就必须输入电动机铭牌上的

规格数据。关于如何读取电动机铭牌数据的细节。

4.除.POOL.1,否则是不能修改电动机参数的。

5.为了使电动机开始运营，必须.POOL返回值。

MM44O控制面板示意图如图2-3所示

图2-3西门子MM440控制面板示意图

总上所述，在卷扬级上料系统中，用变频器对料车系统调速进行控制，可

减少系统能耗，做到节能、环保的作用，虽然料车系统不是风机或泵类系统、但

此系统功率大，且长期连续运营，所以用变频器对其进行调速控制可大大减少

功率，减少能耗，达成环保的效果。

第三章硬件设计

3.1设备选择

3.1.1交流电动机的选用

炼铁高炉主卷扬机变频调速拖动系统在选择交流异步电动机时，需要考虑

以下问题：应注意低频时有效转矩必须满足的规定；电动机必须有足够大的启动

转矩来保证重载启动。针对本系统100nl3的高炉，选用Y280S-8的三相交流感应

电动机。

Y280S-8三相交流感应电动机的基本参数：

功率：37KW

级数：8级

转速：710转

电压：380V

电流：76.1A

效率：91.0%

功率因素：0.79C0S

3.1.2变频器的选择

(1)变频落的容量

高炉卷扬系统具有恒转矩的特性，重载启动时，变频器的容量应按运营过

程也许出现的最大工作电流来选择，即：

lN>lMmax

式中，IN为变频器的额定电流；IMmax为电动机的最大工作电流。

变频器的过载能力通常为变频器额定电流的L5倍，这只对电动机的启动

或制动过程才故意义，不能作为变频器选型时的最大电流。因此，所选择的变频

器容量应比变频器说明书中的“配用电动机容量”大一挡至大二挡；且应具有无

反馈矢量控制功能，使电动机在整个调速范围内，具有真正的恒转矩，满足负

载特性规定。

本系统选用西门子MM440,额定功率55kW,额定电流UOA的变频器。该变

频器采用高性能的矢量控制技术，具有超强的过载能力，能提供连续3s的200%

过载能力，同时提供低速高转矩输出和良好的动态特性。

(2)制动单元

从上料卷扬运营速度曲线可以看出，料车在减速或定位停车时，应选择相

应的制动单元及制动电阻，使变频器直流回路的泵升电压UD保持在允许范围

内。

(3)控制与保护

料车卷扬系统是钢铁生产中的重要环节，拖动控制系统应保证绝对安全可靠。同

时，高炉炼铁生产现场环境较为恶劣，所以，系统还应具有必要的故隙检测和

诊断功能。

3.2I/O分派及PLC的选型

3.2.1I/O分派

I/O分派见如3T所示。

表3-1S7-200PLCI/O地址分派表

输入输出

上电按钮(SB1)10.0左车上行(KA1)Q0.4

急停按钮(SB2)10.1右车上行(KA2)Q0.5

电磁抱闸启动按钮(SB3)10.2高速运营(KA3)Q0.6

启动按钮(SB4)10.3中速运营(KA4)Q0.7

停车按钮(SB5)10.4低速运营(KA5)Q1.0

左车点动按钮(SB6)10.5电源指示灯(HL1)Q1.1

右车点动按钮(SB7)10.6故障指示灯(HL2)Q1.2

左车中速限位开关(SQ1)10.7故障警铃(BELL)Q1.3

右车中速限位开关(SQ2)11.()变频器上电线圈(KM1)Q1.4

电磁抱闸保护线圈

左车低速限位开关(SQ3)11.1Q1.5

(KM2)

右车低速限位开关(SQ4)11.2

左车到位限位开关(SQ5)11.3

右车到位限位开关(SQ6)11.4

正常/检修状态转换(SB8)11.5

故障信号(SB9)11.6

3.2.2PLC的选型

在满足控制规定的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，具体应考虑

到：功能合理；PLC的解决速度应满足实时控制的规定；PLC应用系统结构合理、

机型系统应统一；在线编程和离线编程的选择等。

本次设计所选用的可编程控制器是S7-200系列。这种PLC是由西门子自动

化与驱动集团开发、生产的小型模块化PLC系统，S7-200PLC除了可以进行传统

的继电器逻辑控制、计数和计时控制，还能进行复杂的数学计算、解决模拟信号,

并可支持多种协议和形式的数据通信。

S7-200系列产品具有高性能的中央解决器和种类繁多的扩展模块，因其模

块化的灵活设计而具有广泛的合用范围，同时具有极高的性价比。S7-200无论

单机运营，还是互相或者与其他设备组成网络，都具有优异的表现。

(1)S7-200的重要特性

・快速的中央解决运算能力。

・极丰富的编程指令集。

・响应快速的数字量和模拟量输入/输出通道。

•操作便捷，易于掌握。

・强大的通信能力。

•丰富的扩展模块。

(2)S7-200的CPU

S7-200的核心部件是CPU,实际的控制运算就在CPU中进行。西门子生产几

种型号的S7-200CPU,每种CPU拥有不同的I/O点数和特殊功能。目前提供的

S7-200CPU有：CPU221.CPU222.CPU224.CPU224XP和CPU226。本次课题选用的CPU

型号为CPU226oCPU226见图7-4

图3-2西门子S7-200PLCCPU226

(3)S7-200扩展模块

S7-200CPU为了扩展I/O点和执行特殊的功能，可以连接扩展模块(CPU221

除外)。扩展模块重要有如下几类：

・数字量I/O扩展模块。

数字量I/O扩展模块涉及：数字量输入扩展模块EM221.数字量输出扩展模

块EM222.数字量输入/输出模块EM223。

•模拟量I/O扩展模块。

模拟量I/O扩展模块涉及：模拟量输入模块EM231.模拟量输出模块EM232.

模拟量输入/输出模块EM235。

•通信模块。

•通信模块涉及：PROFIBUS-DP从站通信模块EV227、调制解调器通信模块

EM241.工业以太网通信模块CP243-l/CP243-in\AS-lnterface主站模

块CP243-2o

・特殊功能模块。

3.3I/O接线图

接线图如图3T所示。

QFLN

+M©

2L

9

2M

sBIoo3L

X•aQo4KA1

•B

sB2o1

•zQo5aKA2

sB3s2•

nQo6nKA3

sB4s3•

d

Qo7KA4

sB564•o

。

Q10nKA5

sB65♦

0.

sB7Io6

OQ一£101

sQ1no7O4HL

sQ2T10QV2H

11T-*L2

sQ3T-1

^q

sQ4ZQ3BE

nXI2*LL

sQ5

nI3S

XQ4K

sQ6*口

nT4

sB8x

T5Q.52

T口

1*4*KM

sB916

1*Ho

N

+2o4

1

X〜

LM+

图3-1-1卷扬上料系统PLC接线图

v

9g；8765

变频器MM440

cc

R

图3-1-2卷扬上料系统变频器接线图

第四章软件设计

4.1S7-200PLC程序设计

本课题运用西门子V4.0STEP7MicroWINSP3软件编写。本软件采用了主

程序与子程序的方法编写。

4.1.1主程序

主程序是由：电源(Power)、指示灯(Lights)、电磁抱闸(Electromagnetic

brake)、正常运营(Ncmal)和检修状态(Maintenance)五个子程序组成，主程

序起到一个组织与控制这五个子程序的功能和作用。

网络3

SMO.OElectromagnetic"

—11--------------EN

SB3

—11--------------Electro"

SB9

—11--------------Fault

|符号1地址注释

SB_310.2，电磁抱闸启动按钮

|SB_9lrT-6丁故障信号

网络4

SB_8Normal

—1/1--------------EN

SB4

—11--------------Start

SQ_1

—II--------------L_Medi-

SQ_3

TI--------------L_Low

SQ_5

TI--------------L_Stop

SQ_2

—II--------------R_Med-

SQ_4

—II--------------R_Low

SQ_6

—II--------------R_Stop

SB2

—II--------------E_Slop

SB_5

—II--------------Slopjn

符怎地址|注释

SB_210.1急僖按钮

|SB_4I0.3|启动那玉

SB_5I0.4―二板钮

SB_811.5丁正常羯修状态挎换

[SQ_1I0.7止车中速运行开关

|SQ_211.0丁石军中泰慎位开关

SQ_311.1左车低速破位开关

|SQ_411.21右车低丽艮位并美一

SQ1511.3左车到位限位开关

|SQ_611.41右车到位限位开关

网络5

II

SB8Maintenance

_____1I1I________________________匚CMIN

SB_6

—11--------------Left

SB7

T1--------------Right

［符号1地址1注释

I--S--B_610.5左车点动按钮

SB_710.6右车点动按钮

11.5|

|SB二_8_______________正常而修状态转换

4.1.2电源(Power)

电源子程序负责系统的上电

符号变里类型数据类型注释

ENINBOOL

L0.0PowerINBOOL上电按衽

网络2

符号I地址陛七|

KM1Q1.4］变频器上电线圈1

网络3

COMO.O

TI-M：R)

KM1

符号1地址「第I

KM1Q1.41变频器上电线圈1

4.1.3指示灯(Lights)

指示灯子程序在系统中控制所有的灯。

符号变重类型数据类型注释

ENINBOOL

L0.0FaultINBOOL故障信号

L0.1N_MINBOOL正常一检修模式切换开关

，41—

I----1^1—p(:)

BELL

」S)

1

I符号地址注释

BELLQ1.3警论

HL2Q1.2故障指示灯

网络3

ttNMBELL

—I■|------------1「-----------(R)

1

七o汪移

EN|:而,

LOOElectromagnetic_bfakeINBOOL电磁抱闸启动按钮

L0.1FaultINBOOL故障信号

IN

IN.OUT

子程序注驿

网络1网络标题

I网络注释_______________________________I

ttElecUomagneiic~MOOKM2

—II—Li—c)

KM2#FaUt

—II——II

符号I地址I注释

KM2_Q1.5］电磁包扎保护线圈

4.1.5正常运营(Nomal)

•3・1.4.1・6・J・7・i・8・i・g・i・10.・12・i・13・i.14・1・15・i・16・i・17,・18・]

符号变里类型数据类型注释

ENINBOOL

LO.OStartINBOOL启动按衽

L0.1L_Med<umINBOOL左车中速限位开关

L0.2L_LowINBOOL左车低速限位开关

L0.3L_StopINBOOL左车僖止限位开关

L0.4R_MediumINBOOL右车中速限位开关

L0.5R_LowINBOOL右车低速限位开关

L0.6R_StopINBOOL右车停止限位开关

L0.7E_StopINBOOL急信按衽

L1.0Slop_lnINBOOL停止按隹

符号地址注释I

KA1Q0.4左车上行

KA2Q0.5右车上行

KA3Q0.6高速

KA4Q0.7中速

KA5Q1.0低速

网络2停止按钮

II

UStopJnBStaitM0.1

—iM0.1M

网络3左车高速上行

I网络注释一

符号I地址I注释I

KA1Q0.4左车上行

KA2Q0.5右车上行

KA3Q0.6高速

KM2Q1.5电磁包扎保护线圈

网络4左车申速上行

I______________________________________________________________________________________________I

ni-MediumKA2KA3

TI-----1pI-----1/H-pCA)

KA4

Ms)

1

符号1地址1注释I

KA2Q0.5右车上行

KA3Q0.6高速

KA4IQ0.7中速

网络5左车低速上行

I______________________________________________I

#LLowKA2KA4

TI——IM-----------------I/I-------1~(:)

KA5

-S)

1

符号i地址i注释I

KA2Q0.5右车上行

KA>1Q0.7中速

KA501.0帕束

网络6左车停止

ttL.StopKA2KA1

PR)

1

KA5

rc

1

T5

INT0NR

100-PT100m$

符号I地址注释

KA1Q04左车上行

|KA2JQ0-5右车上行

KA5IQ1.0低速

网络7右车高速上行

T5

1

符号I地址注释

KA1Q04左车上行

KA2Q0.5右车上行

33Q0.6高速

网络8右车中速上行

ttRMediumKA3

KA4

(s)

1

符号地址I注释

KA1Q0.4左车上行

KA3Q0.6

1KA4Q0.7

网络9右车低速上行

符号地址I注释

KA1Q0.4］左车上行

KA4Q0.7

KA5Q1.0I低速

网络10右车停止

叽StopKA1KA2

TR)

1

T6

------------------------------[INT0NR

100-PT100m$

符号I地址注释

KA1Q0.4左车上行

32Q0.5右车上行

KA5Q1.0I低速

4.1.6检测状态(Maintenance)

符号变里类型数据类型注释

ENINBOOL

L0.0LeftINBOOL