主令控制器在軋鋼天車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

王東凱 WANG Dong-kai；曹然 CAO Ran

（河鋼邯鋼大型軋鋼廠，邯鄲 056000）

0 引言

在天車電氣設(shè)備的位置動作控制中，其多點(diǎn)位置的檢測與控制主要是由主令控制器來完成的。目前逐漸推廣應(yīng)用的智能主令控制器以可編程邏輯控制器（PLC）做為主控單元，以程序邏輯代替了機(jī)械凸輪的動作，以無觸點(diǎn)代替了有觸點(diǎn)。智能主令克服了機(jī)械主令的各種弊端問題，在現(xiàn)代工業(yè)電氣自動化控制中得到了廣泛的應(yīng)用。邯鋼大型軋鋼廠天車控制系統(tǒng)采用ZNLK-16J型主令控制器，用于對天車行走和卷揚(yáng)位置位移的檢測。具有運(yùn)行可靠、響應(yīng)速度快、檢測與控制精度高、人機(jī)界面好、調(diào)整方便、抗干擾能力強(qiáng)易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)出良好的使用性能。本文首先分析了智能主令控制器的工作原理和特點(diǎn)，對其在軋鋼天車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1 智能主令控制器的構(gòu)成、工作原理及關(guān)鍵參數(shù)

1.1 智能主令控制器的硬件構(gòu)成

智能主令控制器是指以可編程邏輯控制器（PLC）做為主控單元的主令裝置。其硬件結(jié)構(gòu)比較簡單，主要由主控單元、連接電纜、現(xiàn)場變送單元這三個(gè)部分組成。其中主控單元由西門子PLCS7-200做為控制核心，并由控制電源、輸出繼電器、西門子TD200操作面板等部分組成，安裝在操作室或是控制室內(nèi)；連接電纜采用軟導(dǎo)體PVC絕緣線外加屏蔽層和PVC護(hù)套的電氣連接抗干擾軟電纜；現(xiàn)場變送單元主要設(shè)備為絕對值編碼器，通過連接電纜與主控單元連接，組成智能主令控制器。按照結(jié)構(gòu)型式分類，一類是凸輪固定式主令控制器；一類是凸輪可調(diào)式主令控制器。凸輪固定式主令控制器的凸輪不了調(diào)節(jié)，只能根據(jù)規(guī)定的觸頭閉合圖進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐帕薪M合；而可調(diào)式主令控制器的凸輪片上設(shè)置有小槽，可根據(jù)規(guī)定的觸頭閉合圖進(jìn)行調(diào)整。

圖1 主令控制器系統(tǒng)運(yùn)行原理圖

1.2 工作原理

智能主令控制器的工作原理與萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)相類似，都是依靠凸輪來控制觸頭系統(tǒng)的閉合，根據(jù)現(xiàn)場傳動機(jī)構(gòu)提供的位置信號，通過PLC實(shí)現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備位置位移的檢測與控制。但是與萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)相比，智能主令控制器屬于一種與觸點(diǎn)式的位置檢測機(jī)構(gòu)，它的觸點(diǎn)容量非常大，操作檔位也非常多?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)決定了凸輪的轉(zhuǎn)角，不同形狀凸輪的組合可使觸頭按照一定的順序動作，而控制線路的要求則決定了凸輪數(shù)量的多少。電氣機(jī)械在移動工作時(shí)，受控設(shè)備的傳動機(jī)構(gòu)會帶動智能主令現(xiàn)場變送單元的編碼器一起旋轉(zhuǎn)。而編碼器在旋轉(zhuǎn)同時(shí)，會產(chǎn)生一系列的位置編碼。這些位置編碼會以電信號的方式由連接電纜將現(xiàn)場位置信號傳輸至主控單元。然后由主控單元的PLC對這些編碼信號進(jìn)行譯碼、運(yùn)算、分析和累加處理，并與操作面板上設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較。然后由PLC根據(jù)參數(shù)差值在合適的位置給出相應(yīng)的調(diào)整信號，控制電機(jī)等設(shè)備執(zhí)行控制指令?？刂葡嚓P(guān)電氣設(shè)備完成位置、起吊等操作。主令控制器通過編碼器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的位置碼檢測現(xiàn)場物體位移，同時(shí)與操作面板建立通信，將位置碼信息顯示在操作面板上；而操作面板作為人機(jī)對話的窗口，可由人員手動進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)位置設(shè)定和報(bào)警等功能。從電源控制的角度來看，智能主令控制器的控制對象是二次電路，屬于以小電流控制大電流，所以其觸頭的工作電流并不大。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

①輸入電壓：AC85—250V；

②頻率范圍：47-63Hz；

③輸出方式：繼電器或者干接點(diǎn)（PLC本體繼電器）；

④最大負(fù)載電流：2A/點(diǎn)（PLC本體繼電器）；

⑤開關(guān)延時(shí)：不超過0.01s；

⑥電氣壽命：平均1000萬次，額定負(fù)載時(shí)不少于10萬次；

⑦輸出隔離：線圈對接點(diǎn)AC1500V，1min；接點(diǎn)對接點(diǎn)AC1500V，1min；

⑧功率：9W；

⑨輸出點(diǎn)數(shù)：10點(diǎn)（可擴(kuò)展）；

⑩輸入點(diǎn)數(shù)：14點(diǎn)（可擴(kuò)展），響應(yīng)時(shí)間不超過0.2ms；

?記憶功能：EEPROM（寫入壽命10萬次）；

?主控單元到現(xiàn)場編碼器單元距離：280m（如主控單元到現(xiàn)場編碼器距離較遠(yuǎn)，可以選用Profibus總線編碼器）。

2 智能主令控制器的優(yōu)勢

2.1 運(yùn)行可靠

相比于傳統(tǒng)的機(jī)械式主令，智能主令最大的特點(diǎn)之一就是以邏輯程序取代了原有的凸輪機(jī)械動作，用無觸點(diǎn)控制取代了有觸點(diǎn)控制。因此也避免了機(jī)械凸輪在長期運(yùn)行下出現(xiàn)的磨損和機(jī)械卡滯等機(jī)械故障問題，提高了主令控制器運(yùn)行的可靠性。

2.2 調(diào)整方便

智能主令的參數(shù)設(shè)置和限位調(diào)整全部由人員通過操作面板進(jìn)行，并且操作面板上的各項(xiàng)參數(shù)全部采用數(shù)字顯示，方便人員操作。通過這種人機(jī)對話的方式，既提高了主令控制器的響應(yīng)速度和控制精度；同時(shí)也提高了設(shè)備運(yùn)行中限位調(diào)整的適應(yīng)性和及時(shí)性。避免了機(jī)械主令因調(diào)整精度不夠或是調(diào)整限位不及時(shí)而引起的各種生產(chǎn)事故。

2.3 分辨率高

智能主令的分辨率大小取決于編碼器的性能。目前比較流行的編碼器其分辨率可達(dá)到毫秒級別，運(yùn)行反饋非常迅速，精度非常高，響應(yīng)速度可達(dá)到微秒級別。可以滿足絕大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)中電氣和機(jī)械設(shè)備的限位控制和精確定位。

2.4 通訊能力強(qiáng)

智能主令控制器主要依靠通訊線纜與電氣設(shè)備控制系統(tǒng)以及中控室人機(jī)對話窗口實(shí)現(xiàn)通訊，具有遠(yuǎn)程通訊的功能?？梢暂^為方便地與自動控制系統(tǒng)PLC建立通信連接。系統(tǒng)通訊可直接在上位機(jī)的CRT上顯示機(jī)械車輛運(yùn)動過程的全部軌跡。其通訊線路采用耐腐蝕、抗干擾的軟導(dǎo)體PVC絕緣線外加屏蔽層和PVC護(hù)套的電氣連接抗干擾軟電纜，保證了通訊的可靠傳輸，通訊能力強(qiáng)。

2.5 保護(hù)功能全

智能主令具有倒轉(zhuǎn)、脫軸、過速等保護(hù)功能，可有效避免各類生產(chǎn)事故的發(fā)生。

3 智能主令控制器的軟件設(shè)計(jì)思想

由小型PLC和高分辨率編碼器構(gòu)成的智能主令控制器，原有的機(jī)械凸輪動作由邏輯程序所替代，可滿足許多需要精確多點(diǎn)定位的場合使用。從智能主令控制器的工作原理來看，邏輯程序是其工作運(yùn)行的關(guān)鍵，在控制器的軟件編程中需要解決以下問題：

①編碼轉(zhuǎn)換。智能主令控制器使用電信號進(jìn)行通信傳輸，保證電信號的穩(wěn)定傳輸是主令正常工作的關(guān)鍵。為了提高主令控制器的抗干擾性，編碼器選用格雷碼輸出，而格雷碼卻不能被PLC所識別。因此需要用軟件將格雷碼轉(zhuǎn)換為PLC可以識別的二進(jìn)制碼。

②編碼器過圈。有些主令控制器采用的是單圈編碼器，需要在使用時(shí)采用軟件檢測編碼器過圈時(shí)的編碼變化；并用計(jì)數(shù)器計(jì)圈。多圈的實(shí)際位置碼數(shù)可用編碼器分辨率×圈數(shù)＋當(dāng)前碼數(shù)進(jìn)行計(jì)算。如果主令采用多圈編碼器的話，則不存在編碼器過圈的問題。

③原點(diǎn)設(shè)定。在智能主令控制器的邏輯程序中，原點(diǎn)并不是某一個(gè)固定點(diǎn)，而是對應(yīng)物體整個(gè)行程中一個(gè)具體的物理位置，是一個(gè)參考點(diǎn)。在PLC編碼器中，原點(diǎn)編碼為“0”。編碼中的原點(diǎn)可以是物體在行程中的任意一點(diǎn)，可根據(jù)需要設(shè)定編碼原點(diǎn)。被測體的實(shí)際位置對應(yīng)的編碼稱為“當(dāng)前位”。編碼設(shè)定中，無論是“當(dāng)前位”，還是其他限位的設(shè)定，都是以原點(diǎn)作為參考點(diǎn)的。它反映了以參考點(diǎn)“原點(diǎn)”為坐標(biāo)下，被測體當(dāng)前所在位置，即編碼數(shù)。當(dāng)“原點(diǎn)”所對應(yīng)的實(shí)際物理位置發(fā)生變化時(shí)，“當(dāng)前位”以及其他限位所反映的實(shí)際物理位置都會相應(yīng)地發(fā)生變化。

④計(jì)算測體位置。相對于“原點(diǎn)”的編碼，在PLC的編碼中，被測體在整個(gè)行程中的任意位置都會一個(gè)確定的編碼。這些編碼按照十進(jìn)制整數(shù)連續(xù)排列，都反映了物體當(dāng)前位置與“原點(diǎn)”位置之間的距離關(guān)系，也就是編碼中的點(diǎn)數(shù)。這種十進(jìn)制的編碼數(shù)列用數(shù)字的形式具體而準(zhǔn)確地反映了物體的實(shí)際位置，然后再通過單位換算即可計(jì)算出當(dāng)前位置距離原點(diǎn)位置的精度和米數(shù)。測體位置精度計(jì)算過程如下：設(shè)被測物體當(dāng)前所處的位置為“0”位，該物體行程終點(diǎn)位置為1000，則整個(gè)行程是1000個(gè)點(diǎn)。如果被測物體實(shí)際位移為40m，則每個(gè)點(diǎn)所對應(yīng)的距離則是40mm。也就是說被測物體從“0”位開始，每增加或是減少一個(gè)點(diǎn)，則該物體實(shí)際運(yùn)行位置就會對應(yīng)地向正向或是反向運(yùn)行40mm。每個(gè)點(diǎn)所對應(yīng)的距離就是該主令控制器的精度，即40mm/點(diǎn)。

⑤輸出限位。被測物體移動到某個(gè)點(diǎn)位時(shí)，主令控制器會將“當(dāng)前位”編碼與在PLC內(nèi)部的設(shè)定值進(jìn)行比較。當(dāng)該比較值達(dá)到一定條件時(shí)，主令控制器會相應(yīng)地輸出“斷開”或是“接通”狀態(tài)，從而參與系統(tǒng)的連鎖控制，起到限位保護(hù)的作用。

⑥操作面板TD200編程組態(tài)。西門子所提供的編程軟件中有TD200的編程向?qū)Вㄟ^它可自動生成數(shù)據(jù)塊與PLC建立通信。PLC使用該數(shù)據(jù)塊輸出相關(guān)控制指令，由人機(jī)交互界面控制完成參數(shù)設(shè)定和顯示控制功能。

⑦保護(hù)。智能主令設(shè)有限位保護(hù)功能，以避免因控制器或限位故障而發(fā)生一些生產(chǎn)事故。已知被測物體實(shí)際速度，可以計(jì)算出編碼器在PLC每個(gè)掃描周期中被測體由位置變化所引起的碼數(shù)變化量。如果該變化量超過正常值則說明主令控制器出現(xiàn)故障。這時(shí)在排除電氣設(shè)備故障后，則可從編碼器處繼續(xù)查找原因，可能是編碼器連接斷線或是超速所引起。如果被測體是位能負(fù)載，則可根據(jù)被測物體碼數(shù)變化與該物體運(yùn)動方向指令是否相同，繼而檢測和判斷被測物體傳動軸是否與編碼器軸脫開，或者是發(fā)生溜車。及時(shí)檢測并發(fā)現(xiàn)故障后，主令控制器即會通過限位保護(hù)發(fā)出報(bào)警和停車指令，從而避免事故發(fā)生。

4 主令控制器在軋鋼天車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1 軋鋼天車的作業(yè)特點(diǎn)

在軋鋼生產(chǎn)中，天車主要用于吊裝運(yùn)輸作業(yè)，是軋鋼生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，伴隨鋼坯入庫到成品裝車發(fā)運(yùn)的整個(gè)生產(chǎn)流程，其使用是非常頻繁的。軋鋼天車在作業(yè)時(shí)需要與其他機(jī)械設(shè)備、地面人員配合密切，準(zhǔn)確動作，才能完成各種吊裝運(yùn)輸工作，保證安全吊裝和避免事故發(fā)生。軋鋼天車吊裝物件的種類非常多，包括軋機(jī)、軋輥、機(jī)具、鋼件等。而且吊運(yùn)地點(diǎn)幾乎遍布整個(gè)廠區(qū)，特別是在軋鋼原料和成品作業(yè)區(qū)使用最為頻繁。在軋機(jī)檢修、換輥或者是吊運(yùn)鋼件、處理廢鋼時(shí)，經(jīng)常會使用到天車。從軋鋼天車的使用來說，走行起停、吊裝、加減速是其主要的動作內(nèi)容。因此天車能否正常、穩(wěn)定、高效運(yùn)行直接關(guān)系到軋鋼廠的生產(chǎn)節(jié)奏和經(jīng)濟(jì)效益，保證天車處于良好的運(yùn)行狀態(tài)是軋鋼能夠生產(chǎn)的必要條件。（圖2）

圖2 軋鋼天車控制原理圖

4.2 主令控制器在軋鋼天車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

從天車的作業(yè)特點(diǎn)來看，車輛的位移和卷揚(yáng)起吊是其主要的動作方式。在天車需要走行時(shí)，天車操作人員可通過控制面板向天車控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令，控制天車行走。同時(shí)，智能主令控制器會將天車的位置和位移信號傳輸給PLC，然后由PLC編碼器計(jì)算測體位置，準(zhǔn)確反映天車的位移情況。天車司機(jī)便可通過主令對天車的行走位置和速度進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，從而達(dá)到指定位置完成吊裝作業(yè)。同時(shí)，智能主令所具有倒轉(zhuǎn)、脫軸、過速、限位等保護(hù)功能，也可有效避免各類生產(chǎn)事故的發(fā)生。智能主令控制器響應(yīng)速度快、運(yùn)行可靠、分辨率高、人機(jī)界面友好，可應(yīng)用于包括軋鋼天車在內(nèi)的所有需要檢測位置和位移的場合?？杀ＷC天車的準(zhǔn)確動作和穩(wěn)定運(yùn)行，取得了讓人滿意的使用效果和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語

本文通過闡述主令控制器系統(tǒng)在軋鋼天車中的應(yīng)用，充分體現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的智能化、信息化。保障了天車運(yùn)行的效率和安全問道運(yùn)行，使得操作人員控制精度大大提高，精細(xì)化運(yùn)行，從而提高生產(chǎn)效率。由于本人從事相關(guān)工作時(shí)間較短，對工主令控制器系統(tǒng)鉆研成都有限，論文中難免出現(xiàn)紕漏，望廣大同仁予以包含，發(fā)現(xiàn)相關(guān)論文中出現(xiàn)的問題還望雅正。