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P L C在大跨度滚筒取料机同步行走纠偏中的应用 杨智 北京起 重运 输机械 设 计研 究院 北京 1 0 0 0 0 7 摘要介绍了 P L C在大跨度滚筒取料机同步行走纠偏控制中的应用及系统控制方案的设计特点。阐述了 保持两侧行走同步的自动闭环控制原理，结合实际工况简述系统的工作过程。 关键词大跨度滚筒取料机；闭环控制；同步纠偏 ；工作过程 中图分类号 T H 2 4 8 文献标识码 B 文章编 号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 0 0 2 0 0 4 4 0 4 Abs t r a c tThe e s s a y i n t r o d uc e s t h e a pp l i c a t i o n o f PL C i n d e v i a t i o n c o r r e c t i o n c o n t r o l t o wa r d s y nc hr o n i z e d t r a v e l i ng f o r l a r g e s pa n d r u m r e c l a i me r s，a s we l l a s t he d e s i g n c h a r a c t e r i s t i c s o f a c o n t r o l s o l ut i o n t o a n y s y s t e m g e a r e d t o wa r d s u c h a g o a 1 ．B y u s i n g a c t u a l c a s e s o f o p e r a t i n g c o n d i t i o n i n e x p l a i n i n g t h e wo r k i n g p r o c e s s o f s u c h a s y s t e m ，i t f u r t h e r e l a b o r a t e s o n t h e o p e r a t i n g pr i n c i pl e o f t he t y p e o f a u t o ma t i c c l o s e l o o p c o n t r o l a i me d a t s yn c h r o n i z e d t r a ve l i ng on b o t h s i d e s ． Ke y wo r d s l a r g e s p a n d r u m r e c l a i me r ； c l o s e l o o p c o n t r o l ； s y n c h r o n i z e d t r a v e l i n g d e v i a t i o n c o r r e c t i o n； wo r ki n g pr o c e s s 随着世界工业化进程的不断深化 ，钢铁 工业 不断发展。在一些大 型钢 厂中 ，滚筒取料机 是最 为重要 的原料输送设备。该设 备 的工作效率 、自 动化程度、安全可靠性都直接影响着生产效率。 滚筒取料机 主要结构包括 主横梁、固定在 主横梁上的 固定腿、通过摆动机构连接在 主横梁 上的摆动腿等。固定腿和摆动腿分别骑在料堆 两 侧的不同轨道上。作为大跨度 的工程机械 ，轨道、 两侧腿的行走阻力 、两侧 的制动效果 、车轮打滑、 两端不同的工作 负载等原 因都 可能导致两侧 行走 不同步。如果两侧行走偏差 不能及时纠正 ，可能 会造成机械结 构变形受损、取料机脱轨等严 重的 工程事故。因此 ，设计 基于 P L C的大跨度 滚筒取 料机同步行走控制系统 ，具有重要的意义。 1 同步 纠偏 系统 的组成 首钢曹妃甸 滚筒取料机 设备 总质量约 3 8 0 t ， 高约 1 0 m，轨距跨 度 4 0 I n ，行走距离 6 8 0 In，额 定取料能力 2 1 0 0 t ／ h ，最大取料能力 2 3 0 0 t ／ h 。 纠偏控制 系统 由检测单元 、处 理单元 、执行 单元 、保护单元、显示操作单元 和通讯单元组成 ， 如 图 1 所示 。 1 检测单元 检测单元 的核心元件是 安装在摆动腿上 的拉 绳编码器。当两侧行走不 同步时 ，摆动腿相对 主 4 4 显示操作 I 单元 0 固定侧 行走 电机 摆动侧 行走电机 横梁转动。固定在主横梁 上的金 属拨杆 能放大这 细微的转动而拨动挡板 ，拉 绳编码 器的绳索抽头 会随着挡板 的摆动而前后伸缩 。当处在两侧 同步 零位时，拉绳 的数值是 固定 的。因此 ，行 走不 同 步可以由拉绳伸缩的数值变化表现出来 。 2 处理单元 处理单 元 的核心 部 分是 P L C处 理 器 ，通 过 P L C预置 的数学模 型进行分析计算 ，并给 出相应 的纠偏数值 。 3 执行单元 执行单元是分别控制 固定侧 和摆动侧行走 电 机的 2台变频器 ，变频器 能根据 P L C发 出的指令 控制电机 的转动速度 ，根 据纠偏数值调整主横梁 两侧腿 的行走速度 ，从而保证大车同步行走 。 4 保护单元 起重运输机械 2 0 1 0 2 保护单元的设定是 必须 的，滚筒取料 机设置 了双重同步保护。不仅在 P L C程序上设 定 了纠偏 极限值 软件保护 ，还设置了机械行程开关 ，以 实现超过机械允许范围的极 限保护 硬件保护 。 5 显示操作单元 显示操作单元 可 以让操作员 更直观 地 了解设 备的同步状态 ，但通过 当前 行走 同步状 态和报警 信息 的可视化 ，便 于操作 员及 时 处理 紧急 情况 ， 保证生产效率和生产安全 。本单元 的核心元件是 安装在司机室的触摸屏。 相对位 图 2 同步控制原理 图 3 同步 纠偏 系统 的方案设计 6 通信单元 以上单元的数据 交换都 由通 信单元 完成 ，本 3 1 快慢行走工况 系统 的通信单元采用了多种形式的网络通信。 由于取料机 的特殊 工艺 要求 ，大车需具 备快 ① 同步检测元件 T R拉绳 编码器通过 P r o f i b u s 总线 网络和 A B P L C的 S S T模块通信 。总线 网络的 硬件上注意两终端必须 接上终端 电阻，软件上 必 须在 S S T模块上进行主站和从站 的设置 。 ② A B P L C通过本地机架上 C o n t r o l N e t 模块和 两侧行走变频器 的 C o n t r o l N e t 通信卡 、可视 化人 机界面 的交 换信 息 ，组成 了 C o n t r o l N e t 控 制 网。 这样 P L C就 能控制变频器 ，实现大车行走 同步纠 偏。还能在 司机 室的 上位触摸屏 上显示 信息 ，监 控整个纠偏系统。 ③ 极限行程开关通过硬线电缆连接到 A B P L C 主机架上的数字量输入模块 ，这样 P L C就能直 接 采集动作信号了。 2 同步纠偏系统的控制原理 滚筒取料机 的同步行走 控制 系统 通过 同步编 码器采集数据 ，通过 P L C判断主横梁两侧行走 机 构在行走过程 中产生 的偏差 ，并通 过闭环调 整变 频的速度 ，从而保持大车行走 同步。 同步 控 制 原 理 的 核 心 内 容 是 比 例 微 积 分 P I D的闭环控 制 ，也就 是使 过程变量保持 在希 望的设定点上 ，如图 2所示。 通过安装在摆动腿 上的 同步编码 器绳索 长度 的变化 ，实时检测取料 机两侧行走偏 差情况 。并 且通过 P L C计算 、比较 、处理 ，得到相对 位移偏 差 。P L C程序通过 P I D运算 得到控制 变量 ，运用 控制变量 同时调整 两侧 变频器输 出频 率 ，从 而控 制两侧 8台电机速度 ，达到大车行走 同步的目的。 起重运输机械 2 0 1 0 2 速行走泊车工 况和慢速行走取 料工况 。快速行走 和慢速行走分别由两侧 8台快速 电机和 8台慢速电 机实现 子母锥型电机 。2台快速行走 变频器分 别控制 固定腿上的4台快速电机和摆动腿上的4台 快速电机。2台慢速行走变频器分别控制 固定腿上 的 4台慢速电机和摆动腿上的 4台慢速 电机 。 3 ． 2同步纠偏要求 由于取料机是 大跨度 的大 型工程机 械，一旦 出现严重的行走不 同步情况 ，会 引起钢结构损坏 ， 可能造成重 大的人身危 害和经济 损失 ，所 以 ，同 步纠偏属于取料机的核心技术 。 根据机械设计要求 ，本系统拉绳前后伸缩 3 ． 7 e lT l 时，根据偏差 可以正常调整 同步行走 ；拉绳前 后伸缩超出 3 ． 7 C IT I 时 ，马上报警停车 。在拉绳前 后伸缩 5 c m处同步极 限行程开关动作 ，报警停车。 此外 ，P L C必须对编码 器 自身 状态进行 监控 ，编 码器一旦出现故障，系统也会报警停车。 3 ． 3正 常调 整和极 限调整 根据工艺设计 了上述 多重保 护 以后 ，就会 出 现 2种不 同的调整工况。假 设拉绳相对 同步零基 准值的变化值为 X，2种调整如下所述。 1 正常范围的同步调整 当 一 3 ． 7 c m≤X≤3 ． 7 O 1T I 时 ，不论快速慢速 ， 都属于正 常同步调整 范围。这 时同步纠偏 的原 则 为 摆动侧和 固定侧 出现不 同步 的情 况时 ，通 过 做减速调整使其同步。具体来说，行走在出现偏 差 自动调整 时 ，不是 以单一 的固定 侧或摆动侧 为 基准调整 ，而 是判断偏差 以后 ，减 小超前侧 的行 走速度 ，滞后侧 的行走速度按 照原设定速度 保持 一 45 不变 。其原因是 首先 ，大跨 度行走机 构两侧 出 现偏差已经非常危 险，同步 的调整应该在最 安全 的条件下进行 。只有降低速度或完全停车才视 为 较安全的处理方案。如果加速追赶 ，一侧速度必 将高于操作 员设 定速 度 ，这样 非常 危 险。其 次 ， 如果操作员 开始就设定 最大速度行走 ，此时 出现 跑偏，两侧都不能再提高速度，这样无法调整。 2 非正常极限范围的同步调整 当 X3 ． 7 e m时 ，同步系统 立即报警并联锁取料机停 车。这 时只能通过现场 工作人员采用手动方式慢速后退调整 同步，使其 偏差恢复到 P L C自动调整范 围。此属于极 限同步 调整范围。 超出正常同步调 整范 围，表 明大车两侧行走 机构出现严 重偏差 ，已经不能正常工作 ，必须马 上 自动停 车。这时操 作员必须在排除 问题 ，并确 定大车没有损坏 的情况下 ，手动进行 慢速后退操 作调整 同步，使 大车两侧恢复 同步位置 。因为是 紧急情况 ，所 以只允许慢速后退。 这时的同步 纠偏 原则 超前侧 的行走 速度 自 动为 0 ，滞后 侧 自动 以最大速度行 走 ，追赶超 前 侧。其原因是 首先 ，此情况可 能 已经造成机 械 结构受力不均 ，长 时间下去 ，会损 坏设备 ，必须 在条件允许 的最短时间内将 大车调整到同步位置。 所以超前侧停止不动 ，而滞后侧全速追赶 。其次 由于此时只能慢 速调整 ，最 高速度是 7 c m ／ mi n ， 已经相对很慢 。所 以允许滞后侧全速追赶。 3 ． 4采用模糊控制理论 由于 固定侧 和摆动 侧偏差 的范 围相 对不大 ， 再加上机构运行 的惯性 ，设备反应 的灵敏度 ，系 统要调整到绝对的同步基准点是很难实现 的。这 点在极限同步调整时特别明显。由于很难达 到绝 对的零位 ，所 以在极 限同步调整时 ，设定相应正 负数值范围为相对的零基准。 4 同步纠偏系统的工作过程 假设拉绳相对同步零基准值的变化值为 ，同 步零基准值为 ，拉绳的实时长度为 ，即 X X1一Xo 根据实际机械 的工 艺得知 绳子变短 ，X X o ，X为正。同步控 制系统的工作过程如图 3所示。 一 46 一 快速前进． 慢速前进． _ 3 7 c m≤X O - 3 7 c m≤ 0 0 ≤3 7 c m 0 ≤3 7 c m 快速后退 一 慢速后退 一 7 c mX O - 3 7 c m 0 ≤3 7 c m X 3 7 c m 图 3 工作状态示 意图 ■主横梁 固定侧6摆动侧 4 ． 1 快／ 慢 速前 进 当 一 3 ． 7 a m≤X 0时，绳子变短 。摆动侧慢 于固定侧。这 时，摆动侧速 度不变 ，调整 固定侧 变频器，使速度降低。达到同步范围时，固定侧 变频器恢复到原给定速度 。 当0 ≤3 ． 7 e m时 ，绳子变长。摆动侧快于 固定侧。这时，固定侧速度 不变 ，调 整摆动侧变 频器，使速度降低。达到同步范围时，摆动侧变 频器恢复到原给定速度。 4 ． 2快速 后退 当 一 3 ． 7 e m≤X0时 ，绳子变短 。摆动侧快 于固定侧 。这 时，固定侧 速度不变 ，调整摆动侧 变频器 ，使速度 降低。达 到同步范 围时，摆动侧 变频器恢复到原给定速度。 当 0 ≤3 ． 7 e m时，绳子变长。摆动侧慢于 固定侧。这时，摆动侧速度 不变 ，调 整 固定侧变 频器 ，使速度 降低 。达 到同步范 围时，固定侧变 频器恢复到原给定速度。 4 ． 3慢速后 退 当超出正常 同步调整极 限时 ，取料机 停止行 走 ，只能在操作 员允许的情况下 ，采用远程手动 方式慢速后退调整 同步 ，达 到同步允许 范围 自动 停止。 当 一5 e m≤ 3 ． 7 c m时 ，绳子变长。摆 动侧慢于 固 定侧。这时 ，调整摆动侧变频器 ，使速度为 1 0 0 ％ ， 固定侧行走机构停止运行 变频器速度为 0 。在 调整 的过程 中检测绳 长变化 ，当 0≤X≤0 ． 3 e m 时，说明两侧 已调整到同步允许范围，停车待命 。 起重运输机械 2 0 1 0 2 新型翻车机制动器控制器的应用 刘鑫 神华黄骅港务公司 沧州0 6 1 1 1 3 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 0 0 2 0 0 4 70 2 翻车机 卸载是火车卸煤 的基本方式 。翻车机 的定位车和推车机上 的制动 器动作频繁 ，可靠性 要求很高。黄骅港 2期翻车机用 的是 电磁制动器 ， 具有结构简 单 ，动作 迅速 ，外观 尺寸小 ，安装 紧 凑等优 点。但 原配 套提供 的控制 器存 在寿 命 短、 工作不稳定 等 问题 ，不 能很 好地 适应 现场 要求 。 因此 ，黄骅港港务公司采用了新型制动器控制器。 1 制动器控 制器控制原理 触发电路如图 1中虚线框 内部分所示 。图2示 出触发电路 中稳压管 V D 、V D 的电压示意图。触 发电路用 2 2 0 V、5 0 H z 工频 电源，在正半周期晶闸 管触发，负半周期 晶闸管承受反压截止 。下面分析 触发电路在正半周期的触发过程。设 V D 稳压 a V， 如图2中曲线 1 ；V D 稳压 b V，如图2中曲线 2 。 1 在 正半 周期 ，通 过 回路 R 、R 、C 对 C 充电；同时在 t 。 ～ t 时段 ，在 回路 R 2 、 、C 、 R 中，V 会很 快达 到 0 ． 7 V，使 三极 管 B G 导 通 ，此时 B G 的 会很低 ，不能使 B G 导通 。 时刻 ，当 c 充电到 6 V时 ，稳压管 D 被击穿起 到 稳压作用 ，后面的电路 电压被嵌位到 b V，瞬间 c 中电流消失 ，V ． 70 ，B G 截止。这时 ，6 V 电压 通过 R 6 、C 2 对 C 2充 电 ，当 v c 20 ． 7 V时 ，B G l 导通。B G 的发射极电流为晶闸管控制极 G提供 图 1 触发 电路 图 图 2 稳压管 D 、D 上 的电压不 意图 足够大的电流使 晶闸管 触发导通。触 发时 间在每 个周期正半周期稍大于 t 处 ，这就是小触发角。 2 在正半周期 时，有 2条 回路对电容 c 充 电。1 条是 R 3 、R ／ ／ R l 0 、C 3 ，充 电时间 常数 R 3 R ／ ／ R ， 0 C 3 ；另 1条是 R 2 、C 6 、D 5 、c 3 。其 中，由于参数 的选择 ，后 1条 回路 的电流 比较大。 而 C 放电时，放电回路只有 R 3 、R 、C ，放电时 5 结束语 编码器的精确性 、可靠性 、耐用 性 、先 进性 等技术指标 的不断提 高 ，P L C技术、变频 器技术 和网络技术的不断发展 ，都为 同步行走 控制 系统 的实现提供 了充分 的条件 。同步行走 控制系统 充 分发挥 了 P L C控制器 的各种优 点 ，不仅可保证 设 备可靠工作 ，抗 干扰能力 强 ，功能完 善，维修 方 便 ；而且操作简单 ，程序编写灵活多样。 目前首钢曹妃 甸滚筒取料 机 已投 入生产 ，在 起重运输机械 2 0 1 0 2 实际生产过程 中，通过 P L C实现对行走 的 自动纠 偏控制 ，保证 了大跨度滚筒取 料机 固定侧 和摆动 侧行走 同步，并提高了设备 的安全性能。 参考 文献 [ 1 ]张健成 ，刘朋杰 ，金鹏，等 ．桥式取料机同步控制系 统的分析、设计与应用[ J ] ．动力工程，2 0 0 4 6 ． [ 2 ]宋桂江． 用 P L C自动控制变频调速系统解决大跨度门式 取料机大车同步问题[ J ] ．港口科技动态，2 0 0 0 2 ． 作者地址 北京市雍和宫大街 5 2号 邮 编 1 0 0 0 0 7 收稿 日期 2 0 0 9 0 61 1 -- - 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