編碼器和變頻器在高爐卷揚調速系統的應用

李鵬

摘 要：介紹了變頻器和編碼器在高爐卷揚調速系統中的應用情況，給出了系統對應說明和部分軟件程序，設計出了高爐卷揚調速系統方案。

關鍵詞：編碼器;變頻器;上料機

高爐上料的形式主要有料車卷揚上料和傳送帶上料。料車卷揚上料結構緊湊、占地面積小、有足夠的上料能力，能實現半自動控制，但該系統的傳動調速控制方式是采用繞線式異步電動機串電阻啟動或正反轉直接啟動。這種啟動的缺點是線路復雜、能耗高、機械損耗大，電網電壓對速度的影響很大，可靠性差，用到的行程開關多，維護人員不便于檢查和維護。變頻器和編碼器引入高爐上料系統替代老式系統，簡化了線路，提高了系統的可靠性，改善了起動、制動及加減速的性能，用到的行程開關大大減少，減輕了維護人員的工作量。

1 編碼器

旋轉編碼器是通過光電轉換，將輸出至軸上的機械、幾何位移量轉換成脈沖或數字信號的傳感器，主要用于速度或位置（角度）的檢測。典型的旋轉編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形狹縫。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號;通過計算每秒旋轉編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。

根據旋轉編碼器產生脈沖的方式的不同，可以分為增量式、絕對式以及復合式三大類。本系統采用的是增量式旋轉編碼器。增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相;A、B兩組脈沖相位差90，用于辯向：當A相脈沖超前B相時為正轉方向，而當B相脈沖超前A相時則為反轉方向。Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位如圖1所示。傳送帶單元使用了這種具有A、B兩相90o相位差的通用型旋轉編碼器，用于計算工件在傳送帶上的位置。編碼器直接連接到傳送帶主動軸上。該旋轉編碼器的三相脈沖采用NPN型集電極開路輸出，分辨率500線，工作電源DC12～24V。本工作單元沒有使用Z相脈沖，A、B兩相輸出端直接連接到PLC的高速計數器輸入端。

2 卷揚上料系統運行過程

料車卷揚上料系統主要由斜橋、小車、卷揚機、鋼絲繩及電器設備組成。卷揚上料小車系統主要工作過程：各種原料經過槽下配料放入料倉，料車到料坑后，料倉門自動打開，把原料放入料車，料倉閘門關到位，料車起動，經過加速、勻速、減速、到達爐頂停止，然后利用卸料曲軌使小車后輪抬高自動傾斜至一定角度進行卸料，卸料后小車返回。小車返回時，將勢能轉化為電能，電動機處于發電狀態，利用制動模塊將發出來的電能消耗掉。另一種情況：在工作過程中，2個料車交替上料，當裝滿爐料的料車上行時空料車下行，空車質量相當于一個平衡錘，平衡了重料車的車箱自重，這樣當上行或下行2個料車用一個卷揚機拖動時，不但節省了電動機的功率，而且電動機運行時，不但節約了電動機的功率，而且電動機運行時總有一個重料車上行，沒有空行程，且拖動電動機總是處于電動狀態運行。

3 調速硬件系統的設計

根據電動機額定功率和變頻器的容量應比變頻器說明書中的“配用電動機容量”加大一檔至二檔的原則，選擇臺達VFD450C43A，45KW變頻器。該變頻器隸屬于VFD-C2000系列，VFD-C2000是以FOC技術（磁場導向控制）為核心，根據不同的控制理論及實際需求，開發出了V/F控制、SVC控制、FOCPG控制和TQCPG控制等四種控制模式，控制性能優異，特別是內建了PLC功能。

按下“菜單”鍵選擇PLC功能，選擇啟動PLC功能，按下“回車”鍵，這樣變頻器就有了PLC功能。C2000所提供的指令包含階梯圖編輯工具WPLSoft、基本指令、應用指令使用方法，主要均沿用臺達PLC DVP系列的操作方式。C2000提供了2個通訊的串口來上下載PLC程序，PLC的通訊格式默認為7，N，2，9600，站號2，如果想改PLC站號可在參數09-35中修改，但此地址不可與變頻器地址09-00設為一樣。上位機通過RS485與驅動器RJ-45通訊接口相連，可以同時變頻器和內部PLC存取資料，實現方式是透過站號的識別。

在手動方式下，操作小車從上方越過參考點，專人觀察到達下限位位置時連續按三次停止按鈕，小車停止，同時上行和下行指示燈交替閃爍，表示下限位成功設定。如果沒有上行和下行指示燈交替閃爍，重復以上操作，直到出現上行和下行指示燈交替閃爍，表示成功設定了下限位。在手動方式下，操作小車從下方越過參考點，小車向上運行，專人觀察到達上限位后連續按三次停止按鈕，小車停止，同時上行和下行指示燈同時閃爍，表示上限位設置成功。然后將選擇開關撥到自動運行，按下下行按鈕，進入正常自動運行狀態。

編碼器需要DC24V電源才能工作，它的信號線必須接變頻器的MI8，MI8具有高速計數功能。變頻器一旦沒有輸出，KM1線圈就得電，KM1主觸頭閉合，抱閘電機工作，否則抱閘電機不工作。

制動單元為電機提供自動力矩，其型號BR1K5W013*4。制動電阻消耗電機動能，制動電阻為1KW、13Ω。制動單元進線接變頻器直流母線，出線接制動電阻。制動單元和制動電阻接線在電路圖中未有體現。

4 啟動/清零程序

C2000的MI8支持單向的Pulse counting，而最高速為100K，啟用方式很簡單，只需設定M1038就會開始計數，所計數的值以無符號數32位存放到D1054和D1055，而M1039則是可以把計數值歸零。啟動和清零部分程序如圖2所示。

5 結束語

卷揚控制系統是實現高爐生產過程自動控制的重要組成部分。采用變頻器和編碼器調速，提高了系統運行的平穩性和可靠性，大大降低了建造成本，也便于操作和維護，減輕了工人的勞動強度，取得了較好的經濟效益。