基于PLC的鋼包車運動控制系統設計

章小慶, 胡瑞義

江西新能源科技職業學院, 江西 新余 338000

0 引言

鋼包車是煉鋼廠運送鋼包專用的速度可調的電動平車,通常情況下,多采用常規電氣控制方式。部分鋼包車控制系統會引入PLC技術,但缺乏對鋼包車在出鋼位、灌砂位、吊包位之間運送鋼包間距的精準控制,容易導致出鋼時鋼包沖擊點不穩,造成鋼水沖擊灌砂口,不僅容易降低鋼包自開率,還會由于鋼水外濺引發安全事故。基于此,綜合采用PLC、變頻調速、激光測距技術設計鋼包車控制系統,意在提升鋼包車設備自動化操控水平和鋼水質量,降低鋼包運送安全事故的發生率。

1 系統總體設計

為解決常規電氣控制方式設計的鋼包車控制系統存在精度不足、安全性較差等問題,基于PLC設計鋼包車自動控制系統。圖1為該系統所控鋼包車的外形圖,設計的額定載重100 t,整車長6 000 cm、高3 000 cm、寬4 000 cm,鋼包車停位精度±10 mm,軌距4 500 mm,自重小于60 t。鋼包車自帶1個YZR225M-822 kW電機,由電液進行制動控制,并帶有稱重功能,采用電纜滑車供氬,使用電纜滑車供電。整車運行由PLC控制,最高速度為50 r/s,出鋼位至吊包位間距約20 m。

圖1 系統外形圖

此外,鋼包車采用2組主動車輪組和2組從動車輪組構成車輪系統,為實現鋼包車的全自動、高精度和安全控制,設計時引入激光測距模塊、氬氣智能控制模塊、變頻調速模塊,氬氣接頭采用自動插拔接頭。

2 系統軟硬件設計

2.1 系統硬件設計

2.1.1 電氣原理設計

系統電氣原理如圖2所示,包含主電路(a)和控制電路(b)。

圖2 系統電氣原理圖

1)主電路。三相電源從L1～L3輸出經過總開關QF1和熔斷器FU1接入西門子MM440變頻器的輸入端L1～L3,變頻器的輸出端U、V、W分別與驅動鋼包車運動的三相異步電機的相應輸入端子連接。實際工作時,可以將變頻器設置為外部端子工作模式,變頻器可根據PLC的輸入指令控制鋼包車啟停。

2)控制電路。控制電路部分由S7-200型PLC、輸入開關、輸出繼電器、激光測距儀、系統工作指示燈等組成。其中SB1為啟動按鈕,SB2為停止按鈕,用于啟動和停止本系統。激光測距儀采集鋼包車實時運動數據,并通過I0.0傳輸給PLC,PLC接收數據后根據鋼包車的位移狀態自動控制其啟動、停止、加速或減速,以實現自動、穩定、安全的鋼包車運動作業控制。

2.1.2 硬件模塊設計

本系統由電源、模塊、變頻驅動模塊、激光測距模塊、輸入控制模塊、輸出指示模塊組成。

1)電源模塊由交流電源模塊和直流電源模塊2部分組成,其中,交流電源用于給MM440變頻器和鋼包車驅動電機供電,采用AC380 V輸入;直流電源用于給S7-200型PLC、輸入開關、激光測距儀、輸出繼電器、輸出指示燈等供電,采用DC+24 V規格。

2)變頻驅動模塊以西門子MM440變頻器為硬件核心,其中,引腳9、5、6、7分別與PLC的1L、Q0.0、Q0.1和Q0.2連接,用于接收PLC輸出的控制信號。實際工作時,將變頻器設置為外部端子控制模式,可直接接收PLC輸出端子的信號。

3)在鋼包車體安裝1個MDE5000-112型激光測距儀,用于實時采集鋼包車的運動數據。該測距儀自帶profibus通信功能,有效監測距離達70 m,精度達到±0.1 m。另外,在灌砂位和吊包位分別安裝2個測距激光反射板。實際工作中,以激光測距儀為機電配置出鋼位、灌砂位和吊包位的距離,可解決常規鋼包車運動系統使用限位傳感器存在的故障多、定位精度差、誤操作率高等問題,有效避免安全隱患。

4)輸入控制模塊由輕觸按鈕開關SB1和SB2構成,用于啟動和停止系統工作。

5)輸出指示模塊由HL指示燈構成,外接FU3熔斷器和DC+24 V直流電源,可對系統啟停狀態進行指示。

2.1.3 PLC輸入輸出地址分配

以鋼包車運動控制的要求為依據,對S7-200型PLC的輸入和輸出地址進行分配,以確定具體的裝配接線方案,包含輸入分配地址和輸出分配地址。

1)輸入分配地址及功能:系統啟動按鈕SB1,占用I0.4地址位;停止按鈕SB2,占用I0.5地址位;激光測距采集信號輸入位,占用I0.0地址位。

2)輸出分配地址及功能:鋼包車驅動電機正常速度運動控制端,占用Q0.0地址位;鋼包車驅動電機低速運動控制端,占用Q0.1地址位;鋼包車驅動電機高速運動控制端,占用Q0.2地址位;鋼包車驅動電機運動指示燈端,占用Q0.4地址位。

在實際的裝配接線中,技術人員可根據PLC輸入輸出端子的空閑情況,以達到控制功能、合理分配端子資源的目的,適時調整系統的輸入輸出端子分配。

2.2 系統軟件設計

2.2.1 軟件編譯思路

系統的程序編譯流程(見圖3),具體包含3個部分。

圖3 系統程序編譯流程

1)啟停控制部分:按下啟動按鈕SB1后,系統啟動運行,HL指示燈點亮;在系統正常運行的任意時段,只要技術人員按下停止按鈕SB2,系統將會停止運行。

2)鋼包車單次運動控制部分:系統啟動后,激光測距儀開始進行自檢,若自檢通過,鋼包車以低速起步,之后激光測距儀便開始實時監測鋼包車的位移數據。當鋼包車運行至灌砂位時,變頻器驅動電機加速運行;當鋼包車運行接近吊包位時,變頻器再次驅動電機低速運行直至鋼包車平穩停車。

3)鋼包車循環作業控制部分:當激光測距儀監測到鋼包車平穩停車在吊包位時,變頻器再次驅動電機反向運轉,鋼包車自動返回出鋼位,之后進行下一次作業。

2.2.2 系統主程序

圖4為系統主程序,圖中對各網絡程序涵義進行了闡述。

圖4 系統主程序

1)網絡1。按下I0.4啟動按鈕,Q0.0和Q0.4被置1,鋼包車啟動,HL指示燈點亮。

2)網絡2。Q0.0置1后,HSC0高速計數器被初始化,激光測距儀自檢后無誤,開始實時收集鋼包車位移數據,并在HSC0子程序中驅動鋼包車運動作業。

3)網絡3。按下I0.5停止按鈕,若Q0.2為1,說明鋼包車在高速運行,之后Q0.1為1,Q0.2為0,M0.0為1,變頻器驅動鋼包車進入低速運行狀態。

4)網絡4。M0.0為1,T37延時5 S,作為鋼包車停穩的緩沖時間。

5)網絡5。T37計時到,Q0.0和Q0.4為0,鋼包車停穩,同時MO.0為0,使T37復位。

3 系統測試效果

鋼包車運動控制系統單周期作業測試數據如圖5所示,其中T0～T3為系統啟動后緩慢低速運行至灌砂位階段,這個階段中,鋼包車運行速率由0 r/min緩慢上升至20 r/min;T3～T6為鋼包車在變頻器驅動下開始加速運行至接近吊包位階段,這個階段中,鋼包車運行速率由20 r/min加速上升至50r/min;T6～T11為鋼包車低速運行,最后平穩停在吊包位階段,這個階段中,鋼包車運行速率由50 r/min逐漸降至0 r/min。由測試數據曲線可知,整個運行作業中,鋼包車實現了速率無縫切換,定位準確率、控制響應時間均較優越。此外,在100次現場測試中,故障次數為0,達到了既定的設計目標。

圖5 鋼包車單周期運動控制測試數據

4 結束語

基于PLC技術,使用激光測距儀是解決鋼包車定位最精準和最有效的方法。系統通過合理地分配PLC硬件和軟件資源,實現了鋼包車全自動、安全、高效控制。