可逆配料小車變頻定位系統

2015-01-13 05:09:50李慶天

化工自動化及儀表 2015年1期

李鑫李慶天

(合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009)

可逆配料小車以輸送帶為牽引機構和承載機構，可以在指定的倉口卸料，廣泛應用于礦山及糧食等領域。它具有可靠性高、安全性高及效率高等顯著特點，為高空卸料提供了一個十分有效的手段。由于高空作業，對卸料小車的可靠性和安全性要求越來越高[1]。由于卸料小車不可調速，在實際應用中接近開關經常發生開關失靈的現象，導致小車制動時發生“溜車”現象，引發安全事故。針對該問題，筆者設計了一種可逆配料小車變頻定位系統[2]。

可逆配料小車變頻定位系統主要以可編程控制器(PLC)為核心，采用深圳某無線通信模塊進行無線通信。ABB變頻器可以調節小車的速度。旋轉編碼器作為速度檢測元件，向PLC提供計數脈沖，經過PLC程序計算出小車的位置。本設計簡單實用，可以在多種現場使用，能進一步推動卸料小車的發展[3]。

1 系統設計①

1.1 系統概述

可逆配料小車變頻定位系統簡圖如圖1所示。

圖1 變頻定位系統簡圖

小車往返于A、D之間，皮帶可逆旋轉。當小車停在A、C之間時，皮帶正轉，料下入C倉，皮帶反轉，料下入A倉；當小車停在B、D之間，皮帶正轉，料下入D倉，皮帶反轉，料下入B倉。

根據現場工藝要求，可逆配料小車變頻定位系統具有以下功能：

a. 3種控制模式——車載PLC柜控制、地面PLC柜控制(觸摸屏控制)和上位機控制；

b. 小車可逆運行并有實時定位功能；

c. 故障診斷和處理功能，系統發生故障時能夠正確判斷故障類型并做出相應處理，如停機或報警等；

d. 故障報警顯示和報警歷史記錄功能。

1.2 系統組成和原理

可逆配料小車變頻定位系統主要由PLC(帶高速計數器)、旋轉編碼器、變頻器、控制計算機、觸摸屏、電機和無線通信模塊組成。該系統有兩個控制柜，車載PLC柜和地面PLC柜，兩者通過無線通信模塊進行通信。上位機還配置了西門子S7-300PLC，既可以實現就地控制，又可以實現集中控制和監視。其工作原理為：采用位置反饋閉環控制速度的方式，即通過編碼器測量電機轉速，高速計數模塊采集編碼器的脈沖個數，在PLC中采用PID控制算法，調節輸出信號控制變頻器，通過控制電機轉速達到定位控制功能[4]。可逆配料小車變頻定位系統原理如圖2所示。

圖2 可逆配料小車變頻定位系統原理

為了提高小車的定位精度，本系統采用PID控制方式。從圖2可以看出，每個周期的開始，變頻器先根據速度給定初始值進行控制，反饋回來的實際距離S與小車的行程距離S*作比較，得出偏差距離e。為了保證偏差值e為零，使系統達到穩定狀態，PID控制律的實現必須用數值逼近法。當采樣周期相當短時，可以用求和代替積分，用差商代替微分，即做如下近似變換[5]：

t=kT

(1)

(2)

(3)

式中k——采樣序號，k=1，2，…；

T——采樣周期。

顯然，在上述離散化過程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證足夠的精度。離散PID的表達式為：

(4)

式中e(kT)——第k次采樣時刻輸入的偏差值；

KD——微分系數；

KI——積分系數；

u(kT)——第k次采樣時刻的輸出值。

該系統采用的是增量式PID控制算法，數字PID輸出的是Δu(kT)，該算法的優點是計算量小、占用存儲空間少，因此在實際中得到廣泛應用。Δu(kT)的表達式為：

Δu(kT)=(KP+KI+KD)e(kT)-(KP+

2KD)e((k-1)T)+KDe((k-2)T)

(5)

位置式PID控制算法也可以通過增量式控制算法推出遞推計算公式：

u(kT)=Δu(kT)+u((k-1)T)

(6)

2 系統硬件設計

作為系統的控制核心，采用了西門子S7-224XP CN PLC，帶有高速計數器,含有HSC輸入，可用來讀取編碼器反饋脈沖，實現對小車的位置控制，構成閉環控制。S7-224XP CN PLC含有Port0和Port1口，PLC做主站，用Port1口接變頻器和地面PLC柜[6]。

選用KoYo公司TRD-J系列旋轉編碼器，五線制。其中兩根為電源線，3根為脈沖線(A、B、Z)。其工作原理為：當旋轉編碼器的軸轉動時，A、B兩根線都產生脈沖輸出。在本系統中，編碼器作為反饋元件，與電機同軸安裝，轉軸每轉一周編碼器就產生1 000個脈沖，高速計數器采集編碼器的脈沖個數，根據傳動比例關系，通過PLC處理并計算出小車的距離，傳送至觸摸屏顯示，實現小車的精準定位。到達倉口時，PLC控制變頻器零速輸出，停變頻器使能。再配合接近開關，讓小車無慣性精準停車[7]。

設小車車輪直徑為D，減速比為P,編碼器每旋轉一圈產生1 000個脈沖，小車行程距離為S，PLC采得脈沖數為N,有：

(7)

則PLC采得的脈沖數N為：

(8)

系統選用ABB公司的ACS510變頻器。PLC與變頻器采用Modbus通信。由于需要精確定位，故系統采用位置閉環速度控制的方式。PLC根據指定值與實際值的偏差,利用PID算法產生速度信號,再次加到變頻器上驅動電動機旋轉,這一調節過程持續進行,直至控制對象的實際位置與指令位置之間的偏差處于允許的誤差范圍內。停止時控制變頻器零速信號輸出，再配合接近開關，使停車精度得以提高[8]。

系統部分控制電氣圖如圖3所示，主回路如圖4所示。

PLC的輸入、輸出信號都用中間繼電器隔離來保護它的I/O點。