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l 匐 化 基于P L C 的焦炉机车联锁定位系统设计 Desi gn o f coke o ven l ocom ot i v e i nt er l ock i ng p osi t i oni ng s y st em b ased on PL C 吴兰,张涌涛,薄敬东,李奇平 WU L a n , ZHANG Y on g - t a o, BO J i n g d o n g, LI Q. _ p i n g 河北联合大学,唐山 0 6 3 0 0 9 摘要本文叙述了德国西门子公司的S I M A T I C s 7 2 0 0 可编程控制器在焦炉四车联锁定位系统中的应 用。具体介绍了焦炉机车连锁定位系统的构成、炉号识别与自动定位系统的原理和方法、无 线通讯原理及以推焦车为对象的PL C 软件设计。 关键词可编程控制器;自动定位;联锁控制;无线通讯 中图分类号T P 2 7 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 2 1 1 下 - 0 0 0 5 - 0 3 D o i 1 0 . 3 9 6 9 / J . i s s n . 1 0 0 9 -0 1 3 4 . 2 0 1 2 . 1 1 下 . 0 2 0 引言 。 焦炉机车是焦化生产的主体设备,即装煤车 、 推焦车、拦焦车和熄焦车 ,主要完成装煤 、推焦 、 导 焦、熄 焦等工作 。装煤车按作业计划从煤塔取 煤 ,称重 后送入 炭化 室内 ;推焦车 与装煤 车在同 一 轨道上,当焦炭成熟 后负责推焦 ;拦焦车和熄 焦车在焦炉 另一侧 ,拦焦车轨道在上 ,熄焦车轨 道在下 ,拦焦车负责将成熟的焦炭导入熄焦车内, 熄焦车把红焦送往熄焦塔熄灭。按 照生产工艺 的 要求 ,焦 车需要处于一种 “ 运行一对 正停 车一 运 行”的状态,如何能实时准确的获得焦车 当前所处 的炉号 ,并 使焦车准确停 在指定的位 置是焦炉持 续可靠生产 的必要保证。为此 ,我们 在综合考虑 成本、精 度、性能 等基 础之上,制定 出了一套适 合我国大 多数 中小焦化厂的基于 P L C的焦炉机车 自动定位 与联锁控制系统。利用 P L C组 网技术和 无线通讯装置 ,建立起一个工业局域 网,较好的 实现 了机车 的精确定位和联锁控制 ,经永顺焦化 公司 1 、2 炉使用 ,系统运行稳定可靠、结构简 单 、施工维护方便 。 1 联锁定位系统的构成 本 系统 利用一 系列 自动化装置和技术搭建起 一 主 四从 的工控 局域 网,一主为 中央监控 站,四 从包括装煤 车站、推焦车站 、拦焦车站和熄焦车 站 ,通过各站 问的通讯实现 了焦炉四车 的可靠联 锁与精确定位 。系统结构如图 1所示。 1 中央监控站中央监控站主要 由工业控制 图1 系统 结构示意 图 计算机、无 线通讯单 元等组 成。中央监控站的主 要功能有 1 实时显示各大车的位置和状态信息; 2 作为通讯主站对各大车进行轮询式通讯; 3 生成推焦计划 表,并传送到各大车上 ; 4 记录、 统计报表的生成。 2 推焦车站 由车载的 P L C控制器、无线通 讯单元和触摸屏等组成。主要功能有 1 实现推 焦车的定位与联锁控制; 2 各大车运行状态的监 控 ; 3 与中央站通讯 ; 4 将推焦车 的操作信息 传于拦焦车 、熄焦车和装煤车。 3 拦焦车站 由车载的 P L C控制器、无线通 讯单元、触摸屏等组 成。主要功能有 1 实现拦 焦车的定位与联锁控制; 2 各大车运行状态的监 控 ; 3 与中央站通讯 ; 4 将拦焦车 的操作信息 收稿日期2 0 1 2 - 0 5 -1 8 作者简介吴兰 1 9 8 7 一,女,河北石家庄人,在读研究生,研究方向为过程控制。 第3 4 卷第1 1 期2 0 1 2 - 1 1 下 【 5 l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 lI5 出 传于拦焦车、熄焦车; 5 对推焦车的推焦动作进 行联锁控制。 4 熄焦车站 由车载的 P L C控制器、无线通 讯单元、触摸屏等组成。主要功能有 1 各大车 运 行状 态的监控 ; 2 与 中央站通讯 ; 3 将 熄焦 车的操作信息传于推焦车、拦焦车 ; 4 对拦焦车 的导焦操作进行联锁控制 。 5 装煤车站 由车载 的 P L C控制器 、无线通 讯单元 、触摸屏等组成。主要功能有 1 各大车 运行状态 的监控; 2 与 中央站通讯 ; 3 与推焦 车间进行装煤联锁控制。 2 炉号识别与 自动定位 机 车位置 的精确检 测直接影响定位系统的控 制精度。本 系统利用旋转编码器 、光 电开关与可 编程控制 器组 成数字检测单元,将编码器连接在 惯性轮的轴上,随着轮子的转动,编码器产生一 系列的脉冲信号,P L C对脉冲数进行计数、累加 和 比较 ,不仅 可以检测 电机转速 ,还可以检测 电 机 的转 向和转子相对于定子 的位置 ,从 而得 出机 车所处的相对位置和移动的位移量 。 炉号识 别的准确与否是整个控制系统可靠运 行 的关键地方之一。本 系统通过将 P L C中高速计 数器 的脉冲数转化为大车的实际距 离,然后根据 实际距离计 算 出当前炉号 ,并显示 在触摸屏上。 具体过程如下 以轨 道的起 始端 为基准 ,在四个 车上各装一个特制的惯性轮 当普通轮子打滑时, 惯性轮依然正常转动 ,在此轮子的轴上安装旋转 编码器,轮子的直径是 固定的,为 2 0 0 mm,每转 一 周旋转编 码器记下相应 的脉冲数 ,再通过 P L C 的高速计数模块 ,将编码器传送的脉冲信号转化 为数字形式 ,并进行计数 ,已知旋转编码器每 圈 2 0 0 0个 脉冲 ,每 圈对应 6 2 8 . 3 1 8 5 mm,只要计算 出轮子转过 的圈数 ,就可 以确定大车 当前的实际 位 置 。 在实际运行 中,由于存在雨雪天气轮子打滑 和车轮磨损等原因,造成编码器的计数 误差,为 此设计了定位板 光电开关形式 的位移校正装置。 定位板为普通的钢板,上端开有窄缝,缝 隙宽度 大 约 1厘 米,下端 根据 8 4 2 1 码 的 规律 开孔 ,最 多开六个孔。如三号定位板的编码为 0 0 0 0 1 1 ,开 孔 为 1 ,不开孔 为 0 。为匹配 此定位 板 ,采用具 有七个光耦的槽式光电开关 与之对应组成位移校 正 装置 ,如图 2所示。槽式光电开关通 常是标准 1 6 1 第 3 4 卷第 1 1 期2 0 3 2 -5 1 下 的 U字型结构,其发射器和接收器分别位于 U型 槽 的两边 ,并形成一光轴,当被检测物体经过 u 型槽且 阻断光轴时 ,光 电开关就产生了可 检测到 的开关量信号 。在轨道旁每隔 5米安装一个定位 板,在惯性轮上安装一个 U型槽 ,使其跟大车一 起运 动。正常情况下 ,光电开关均 导通 ,为高电 平。当遇到 定位板 的起 始边缘 时,P L C的 1 0 .0由 高电平变为低电平 ,当遇到定位板的窄缝边缘时, 1 0 . 0由低电平变为高电平 ,当通过了窄缝时又变为 低 电平 ,直到 完全通 过定位板 ,1 0 . 0恢 复到高 电 平 ,就这样 ,大车 每走 5米,就会形成一个 与窄 缝 同宽 的高 电平脉冲 ,P L C在检测到此窄缝 脉冲 后会触 发中断 ,清空此时高速计数器值。与此同 时,检测此定位板六个光电开关 的状态可 以确定 大车到达几号定位板 ,当大车行走到一号定位板, 六个光电开关的状态为 0 0 0 0 0 1 ,此时将相应 的寄 存器置为 5米 ,当走到二号定位 板,六个光 电开 关 的状态 为 0 0 0 0 1 0 ,置 相应 寄存器 为 l 0米 ,依 此类推 ,可以满足 6 4个定位板的精确定位,而本 系统共二十块定位板 ,完全可以满足校正的需要。 至此,可以利用上述方法 比较准确 的知道大车相 对某一定位板的距离,再加上定位板的准确距离, 就可 以得到大车 的实际位移 ,再经过换 算,可完 成当前炉号的 自动识别。 图2 定位板 与槽式开关不意 图 3 无线通讯 在 焦炉 的生产过 程 中,为 了保证 安全生 产、 避免操作事故 的发生 ,四大车之 间的信息必须可 靠传送 ,因此利用 Z i g b e e组 网技术建立一个无线 工控局域网 ,便 于数据 查询 和分布 式控 制 ” 。该 局域网的拓扑结构为点对点型 ,如图 3所示。 图3网络拓扑结构 主站处 于主动 地位 ,协调 网上 的信息 交换 , 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 骞 、l 匐 化 从站处于被动地位 ,只能由主站向从站发送信息 , 而从站不 能主动向主站 发送信息,且 各从站 间必 须经过主站 的中转才能交换信 息,无法直接通信 , 这样 可避 免信息冲突。数据 的传送方 式为半双工 的串行通讯方式 ,主、从站 间的通信协议 为 自由 口通信 ,设置波特率为 3 8 4 0 0 b p s , 通过设置 Z i g b e e 的参数 ,使得各从站的 Z i g b e e一旦接收到信息就 自动进入 P L C的缓存区 ,为透传模式 。 在各站的 P L C中都定义 一块用于存储接收数 据和发送数据 的数据区 ,并有两个控 制字节分别 控制两个方 向的数据传递 ,即发送和接收。从站 的 Z i g b e e 一直处于接收的状态,主站要发送的信 息先通过 RS 2 3 2串口进入主站 Z i g b e e的 B u f f e r 中, 此时的数据已经被 Z i g b e e调制成模拟量信 息,通 过调幅 的方式发送到各从站 的 Z i g b e e ,然 后,各 从 站 Z i g b e e 把 模 拟 量信 号 转换 成数 字 信 号,通 过 R S 4 8 5串口按 同步传输方式发送给 P L C,各站 P L C一旦检 测到信 息中含本站站号和地址 ,立刻 利 用 Z i g b e e发送 回头信 息,待 信息 发送完成 后, 又立刻复位 “ 接收允许” 位 ,等待下一次接收。 由于 焦化厂的电磁干扰十分复杂 ,但这些干 扰 的功 率频 谱 主要 集 中在 低频 段 ,大约 为 1 0 0 - 1 0 0 0 Hz ,而 z i g b e e工 作 在 2 0~ 2 5 0 k b p s的较 低 速 率 , 分 别 提 供 2 5 0 k b p s 2 . 4 GH z 、4 0 k b p s 9 1 5 MHz 和 2 0 k b p s 8 6 8 MH z 的原始数据吞吐率 , 满 足低速率传输数据的应用需求。 4 P L C 软件设计 以推 焦车站为例介绍 P L C软件设计 的整体思 想。由于该 系统 比较 复杂 ,所 以程序可 以分为 四 大部分 来设计 ,第一 部分是 系统 的初始化程 序 , 主要包括 P L C自由 口模式、波特率 、信息校验方 式、高速计数器等参数的设定及一些中端 子程序、 存储器区的定义 ;第二部分为推焦车 的运行状态 程序 ,主要是将大车 的绝对距离与 当前炉号对应 起来 ,其 中包括大车正 行、逆 行 的判 断,1 0 . 0上 升沿与下降沿触发的中断程序;第三部分是通讯 程 序,即完成上位机 与该站 的信 息交流 ,使得上 位机 、各从站都能知道大车 的状态信息和工作计 划 信息 ;第 四部分是大车联 锁控制程序 ,即完成 推 焦动 作,推焦车 、拦焦车和熄焦车之 间必须严 格联 锁,在满足一级允推和二级允推的条件后进 行推焦 ,还包括特殊情况下拦、熄二车紧急制动。 系统的整体程序流程图如图 4所示。 图4系统整体程 序流程 图 5 结束语 该监控系统是根据焦化生产的要求而设计的, 综合利用了 P L C控制技术、检测技术、无线通信 技术和计算机技术 ,实现 了集散式 四大车 的操作 实时监控 、信号联锁、行车控制和生产计划的 自 动调度 与管理 ,是一套低成本的控制系统。通过 自制惯性轮的轴 内安置旋转编码器来 完成大车位 置检 测,再加上槽式光电开关和固定在各车轨道 上 的定位板 ,来避免轮子打滑和磨损等带来 的误 差。实 践表 明,此 系统可达 到较高 的定位精 度; 通过采用 Z i g b e e无线通讯,避免 了在现 场布线和 布局 的工作 ,并且易于模拟调试 ,使 系统具有扩 展性 ;通过触摸屏显示可实现推 焦过程 的集中联 锁和控制 ,减少 了工人的劳动强度,提高 了生产 的安全性 ;通过 在上位机 建立友 好的人机界 面, 来完成 四大机 车的模拟动态显示 ,使工作人 员及 时了解 各机车 的工作状态 ,有效保证推 焦作业的 准确进行,对稳定焦炉炉温 、提高焦炭质量、节 能降耗和延长炉体寿命极为有利 ,能为企业带来 可观的经济效益 。 参考文献 【 1 】杜东, 黄尚先.P L C在准确定位 系统 中的应用【 J 1 . 电气传 动, 2 0 0 0 , 3 0 1 4 7 4 9 . 【 2 】马明前 , 宁芳青. 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