淺談變頻器和主令開關在石灰窯上料系統中的應用

(中鹽青海昆侖堿業有限公司，青海 德令哈 817099)

1 石灰窯上料設備概況

石灰窯上料設備是石灰窯運行的必要設備，該設備由上料小車、卷揚機、減速機、抱閘、電動機組成，因為本次分析的是單小車上料系統故還有一個配重小車，該配重小車的質量基本維持在上料小車空車質量和一半配料質量的和，這樣才能維持卷揚電動機的正反方向旋轉是在帶負載運行，不至于影響卷揚機帶動電動機旋轉而使電動機處于發電狀態。

1.1 石灰窯上料過程描述

首先由配料系統統一配料，在完成配料之后小車下行(同時配重小車上行)，當小車下行至料坑后停止并打開配料倉軋板小車開始配料，配料完成以后小車開始上行(同時配重小車下行)；當運行至斜橋頂點開始卸料(同時小車停止)，卸料大概停滯時間在5 s左右，之后小車開始下行(下行運行25 s后配料沒有完成則小車停止，25 s后配料已完成小車繼續下行)。根據現有窯況設備運行可知上料系統小車完成一個周期的時間為2 min左右，其工作特點是：

1)能夠頻繁起動、制動、停車、反向、轉速平穩、過渡時間短;

2)能按照一定的速度運行;

3)能夠廣泛地調速；

4)系統可靠工作，在進入曲軌段及離開料坑時不能有沖擊，確保終點位置準確停車。

1.2 石灰窯上料小車的運行故障分析

1)傳統的上下限位是機械限位或者是機械連鎖的光感元件測量的電信號去控制上料的小車的停止位，它不能實現連續的位置檢測；

2)傳統的限位它不能持續輸出測點狀態，在只有極限限位相互接觸或光感元件持續接觸才能使小車停止運行；

3)傳統的限位無法檢測電動機之后的設備運行情況，比如溜車、斷軸等。

2 控制系統選擇

1)PLC控制器選用西門子S7-200SMART系列PLC，該CPU具有1個Profibus-DP接口和一個標準的RJ45工業以太網接口主要用來觸摸屏通信。

2)因為考慮到的小車在中間位置的啟動，變頻器[1]傳動采用施耐德的ATV950變頻器，帶有專用的提升功能，采用提升控制方式，在零速具有滿轉矩的特性，可避免遛車現象。

3)旋轉編碼器采用歐姆龍絕對值型旋轉編碼器E6CP-AG5C，該編碼器在單圈范圍內的編碼是絕對值[12]。

4)為了維護方便，設一臺上位機，上位選用西門子SMART LIN700觸摸屏可實時監視卷揚機的運行狀態并進行記錄，以方便故障分析查找。

2.1 控制系統軟硬件配置與網絡配置[11]

系統采用PLC控制[3]，通過上位機完成系統監控及數據采集記錄等功能;采用西門子S7-200SMART組成基礎自動化系統;采用wincc監控軟件，編程軟件采用STEP 7-MicroWIN SMART(中文版)，西門子SMART LIN700觸摸屏作為系統平臺界面，組成計算機化的操作系統，實現人機通信。

圖1 系統網絡拓撲圖

2.2 主令開關[16]

由網絡拓撲圖可知該系統是由上位界面、PLC及編碼器組成，是由編碼器鏈接至卷揚機軸上，通過PLC來計算卷揚機帶動編碼器旋轉的數值來判斷卷揚轉動的圈數及位置并通過PLC發出位置信號和停止信號。通過觸摸屏可方便快捷的更改位置信號和停機信號的輸出位置。因為有信號位置的指令和控制故稱這個系統為主令開關。

3 主令開關系統的分析

3.1 主令開關PLC控制原理[3][8]

圖2 PLC原理圖

PLC系統數據處理邏輯關系，首先要將PLC讀取到的輸入的編碼器格雷碼源碼轉換成方便我們計算的整數類型，然后以這個整數和我們的整定值作比較，比較出來的結果通過PLC輸出來控制變頻啟停回路，成為上料系統的控制部分。

3.2 格雷碼[13][14]

典型的二進制格雷碼(Binary Gray Code)簡稱格雷碼[13]

在一組數的編碼中，若任意兩個相鄰的代碼只有一位二進制數不同，則稱這種編碼為格雷碼(Gray Code)，另外由于最大數與最小數之間也僅一位數不同，即“首尾相連”，因此又稱循環碼或反射碼。在數字系統中，常要求代碼按一定順序變化。例如，按自然數遞增計數，若采用8421碼，則數0111變到1000時四位均要變化，而在實際電路中，4位的變化不可能絕對同時發生，則計數中可能出現短暫的其它代碼(1100、1111等)。在特定情況下可能導致電路狀態錯誤或輸入錯誤。使用格雷碼可以避免這種錯誤。

3.3 格雷碼解碼

格雷碼→二進制碼(解碼)：

從左邊第二位起，將每位與左邊一位解碼后的值異或，作為該位解碼后的值(最左邊一位依然不變)。依次異或，直到最低位。依次異或轉換后的值(二進制數)就是格雷碼轉換后二進制碼的值。

公式表示：

Bi=Gi?Bi+1(n-1≥i≥0) (G：格雷碼，B：二進制碼)

原碼：p[n:0]；格雷碼：c[n:0](n∈N)；編碼：c=G(p)；解碼：p=F(c)

書寫時按從左向右標號依次減小，即MSB->LSB，編解碼也按此順序進行。

...................c[n]=p[n]。

3.4 按照格雷碼轉二進制原理PLC編程

以上程序先將格雷碼轉換成二進制數儲存于MB3這字節，八位格雷碼轉換成八位二進制數；為了方便整數計算，把八位二進制數轉換為16位整數，根據PLC數據結構轉換后的值存入MW2中。因為選用的編碼器為單圈絕對值編碼器，八位最大數值為整數256。

3.5 PLC數據處理

因為我們采用的是單圈絕對值編碼器，以下為多圈時的數據處理。

以圖4程序處理編碼器圈數及實際編碼器讀數，當編碼器圈數超過一圈時即為+256編碼器單圈絕對值，當編碼器方向轉動時為實際編碼器讀數-256，最終編碼器實際數值存入VD10中。下限設定值存入VD100,上限設定值存入VD104，上極限設定值存入VD108。

圖3 按照格雷碼轉二進制原理PLC編程

圖4 編碼器多圈數據處理

3.6 通過編碼器數據計算輸出下限、上限、上極限

圖5 通過編碼器數據計算輸出下限、上限、上極限

以上程序當編碼器數值VD10小于等于下限設定值VD100時輸出Q0.0(即為下限)，當編碼器數值VD10大于等于上限設定值VD104時輸出Q0.01(即為上限)，當編碼器數值VD10大于等于上極限設定值VD108時輸出Q0.02(即為上限)。

下限設定值、上限設定值、上極限設定值是觸摸屏畫面給定，由用戶通過實際現場情況設定。

3.7 卷揚機電氣控制回路分析

電氣控制回路圖如圖6。[5]

圖6 控制回路原理圖

圖7 變頻器控制原理圖

變頻器控制原理圖，如圖7。

以圖7可知KA為自動繼電器、KA1為變頻器故障繼電器、KA2為上限繼電器、KA3為上極限繼電器、KA4為下限繼電器、KA5為小車上行運行繼電器、KA6為小車下行運行繼電器。

運行方式如下：

當小車上行運行時到達上限位置或者上極限位置時，上限繼電器KA2或者上極限繼電器KA3觸發，小車停止運行；當小車下行運行時到達下限位置時，下限繼電器KA4觸發，小車停止運行。

當小車自動位置時，通過DCS給定小車上行或者下行運行，到小車到達下限或者上限、上極限時DCS接收到相對應的信號并作出停止小車上行或者下行。

當小車在手動位置時，通過現場操作按鈕實現小車上行或者下行，在運行中途可通過停止按鈕實現停車，也可通過上限、上極限或者下限自動停車。

4 主令開關系統優缺點分析

該系統中的編碼數值是個連續變化的數值，該數值是一個和工程數值等價的整數數值，在和這個整數比較的設定值是由上位系統設定的，通過與開放的設定值比較得出所需要的指令輸出。同時通過數據分析可以判斷小車在實際軌道當中的位置信息，該位置信息可通過西門子模擬量擴展模塊通過4～20 mA的電流信號發送出來。再由將卷揚機運行狀態接入主令開關中可通過數據分析判斷出編碼器斷軸、損壞及丟碼，卷揚機是否遛車，卷揚電動機運行而卷揚機未動等故障。

該系統的缺點在絕對值編碼器是一個要求安裝精度高、環境要求高并且防震動的設備，所以在主令開關的使用當中進行了封閉式的齒對齒的1∶1減速機，提高編碼器工作的精度和環境；并且在轉動軸和編碼器之間安裝柔性連接器，提高編碼器因為震動而造成的跳碼。

該系統的優點就在于，系統本身是一個可編程控制器PLC，通過PLC內部計算使得整個主令開關具備一個通用型的可編程指令輸出，通過人機界面參數調整方便，能實現厘米甚至是毫米的微調整。

5 結 論

該石灰窯卷揚控制系統采用主令開關控制施耐德ATV950變頻器相結合的技術，達到較高的精確控制要求，可以滿足石灰窯正常生產對設備無故障運行指標的嚴格要求，提高石灰窯的產能。變頻器和主令開關的結合有很好的可靠性，并且主令開關有著很好的開發性，通過PLC模擬量輸出還可在上位畫面直觀的顯示小車的位置。

[1] 張福旺．變頻器的選用及故障干擾處理[J]．黑龍江科技信息，2014

[2] 王錫仲，蔣志堅．變頻優化調壓節能供水裝置的研制[J]．給水排水，1998，24(10)：64～67

[3] 陳建明，王亭嶺，孫標．電氣控制與PLC應用[M]．北京：電子工業出版社，2010

[4] 符錫理. 變頻調速泵供水原理及實踐[M]．變頻器世界，1999(10)

[5] 余朝剛,史志才．ELECWORKS2013電氣制圖[M]．北京：清華大學出版社，2014

[6] 曾毅.變頻調速控制系統的設計與維護[M].濟南：山東科學技術出版社，2004

[7] 馬小亮.大功率交-直-交變頻調速及矢量控制技術[M]. 北京：機械工業出版社，2004

[8] 楊依領，謝龍漢．西門子S7-300 PLC程序設計及應用[M]．北京：清華大學出版社，2014

[9] 楊曉輝，劉麗紅，許晶，等．機電專業英語[M].北京：北京理工大學出版社，2013

[10] 崔金玉，唐紅霞，郝利麗．電路中的理論計算及應用設計[M].哈爾濱：黑龍江大學出版社，2014

[11] 潘新民，王燕芳．微型計算機控制技術[M].北京：電子工業出版社，2011

[12] 電子產品世界[引用日期2016-10-20]

[13] 李正生,馬文彥,閆杰.格雷碼辨析[J].電子科技,2011,24(10):77-80

[14] 格雷碼的發展歷史．北京信息科技大學電子信息與控制實驗教學中心[引用日期2013-07-28]

[15] John F.Wakerly．數字設計原理與實踐(原書第3版)[M].北京：機械工業出版社，2003

[16] 成都機床電器研究所.JB/T 10164-1999機械行業標準之主令開關[S]