基于歐姆龍PLC的旋臂采樣機自動控制系統(tǒng)設計

1 引言

　 隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，原煤耗用量持續(xù)增長。近兩年來，全國煤炭資源出現(xiàn)了供應緊張的局面，尤其是電力用煤全面告急，部分電廠陷入了停機待煤的尷尬境地；同時，由于電煤供應日趨市場化、多元化，造成煤質(zhì)波動幅度增大，煤種雜、入爐煤質(zhì)控制難度加大，使發(fā)電廠鍋爐燃煤偏離設計煤種，鍋爐穩(wěn)定燃燒受到破壞，引發(fā)的設備缺陷明顯增多，嚴重影響了鍋爐安全經(jīng)濟穩(wěn)定運行?；鹆Πl(fā)電行業(yè)的主要原料——煤炭，逐步全面推向市場，價格也隨之開放，煤炭的費用在火力發(fā)電廠的成本已占70～80%的份額；焦化行業(yè)也面臨著同樣困境。因此，對煤炭質(zhì)量的檢測，已也引起火力發(fā)電、焦化行業(yè)的高度重視。以前的檢測是工作人員到煤廠隨機采取一份煤樣送往化驗室化驗，化驗室根據(jù)此樣品的化驗結(jié)果核算成本。這樣的采樣方法既浪費時間，工作環(huán)境較差，樣品的代表性準確性不高，從而使自動化設備采樣替代人工采樣勢在必行。進入90年代，入場煤采制樣設備(汽車入場煤，火車入場煤)達到了迅速發(fā)展。同時，自動化技術(shù)在入場煤采制樣設備的廣泛運用，極大地把工人從繁雜的體力勞動和不安全的工作環(huán)境中解放出來，顯著地改善了工人的工作環(huán)境和提高了工人的工作效率。針對這種情況，我公司研發(fā)出一種新型全自動旋臂采樣機，該設備在山西長治地區(qū)焦化行業(yè)投入應用后，取得了良好的經(jīng)濟效益。

　入場煤旋臂采樣機是焦化、火電行業(yè)的一個重要采樣設備。為了保護設備，在采樣時必須有效的控制其回轉(zhuǎn)角度在規(guī)定的范圍之內(nèi)，因此設置了回轉(zhuǎn)保護裝置。傳統(tǒng)的保護裝置是在回轉(zhuǎn)體的下部安裝行程開關(guān)，此開關(guān)易損壞，使設備的回轉(zhuǎn)保護失效。我公司在對山西屯留焦化廠旋臂采樣機的設計過程中，利用可編程計數(shù)器的高速計數(shù)器功能配合旋轉(zhuǎn)編碼器的使用，有效地實現(xiàn)了對回轉(zhuǎn)角度的測量和對設備的回轉(zhuǎn)保護，提高了設備的可靠性、準確性，使旋臂采樣機所采樣品更具有代表性。下面將從旋轉(zhuǎn)編碼器的機械安裝、電氣接線、plc的組態(tài)、計算機自動控制等幾個方面進行介紹。

2 旋臂采樣機機械組成部分及工作原理

　　2.1 機械部分

　　旋臂采樣機機械部分由支架、平臺、旋臂、小車走行機構(gòu)、升降機構(gòu)、螺旋采樣機構(gòu)組成。

　　2.2 控制系統(tǒng)及工作原理

　 本系統(tǒng)采用pii的研華工控機，捷瑞公司的rs232轉(zhuǎn)rs322/485工業(yè)通訊卡，數(shù)據(jù)庫采用與工廠信息管理系統(tǒng)相一致數(shù)據(jù)庫visual foxpro6.0，采用視頻捕捉卡，圖像分割器及閉路監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場檢測儀表對生產(chǎn)中各個參數(shù)自動、連續(xù)地進行檢測，同時將信號反饋給現(xiàn)場plc和上位機，并在上位機顯示器上顯示出來；plc和上位機比較程序中設定的工藝參數(shù)，自動地調(diào)節(jié)某臺設備的工況(啟動、停止)及存儲煤質(zhì)數(shù)據(jù)，從而自動滿足生產(chǎn)過程需要。

　 采用歐姆龍公司歐姆龍c200系列可編程控制器為控制核心，另有兩塊i/o模塊，一塊輸出模塊，一塊8輸入的模擬量轉(zhuǎn)換模塊，用于轉(zhuǎn)換在線分析儀檢測到的數(shù)據(jù)。各種開關(guān)量及模擬量輸入到plc后，由上位機發(fā)出執(zhí)行指令，plc經(jīng)過運算后，將其運算結(jié)果輸出到電機、電動液壓推桿等執(zhí)行機構(gòu)。硬件部分還采用了歐姆龍接近開關(guān)。其控制原理圖如圖1所示。

圖1 自動旋臂采樣機控制系統(tǒng)原理圖

(1)上位機與plc通信

　本系統(tǒng)采用了北京亞控科技發(fā)展有限公司的組態(tài)王6.0作為組態(tài)軟件，通過plc編程口與上位機通信。組態(tài)王6.0是運行于microsoft windows nt / xp 中文平臺的全中文界面的組態(tài)軟件，采用了多線程、com組件等新技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)適時多任務，具有開放的程序接口，可以自由地存取數(shù)據(jù)，且與各種關(guān)系數(shù)據(jù)庫能夠完整連接。

　　(2)系統(tǒng)功能

　本系統(tǒng)的操作完全由上位機完成，操作人員運用鼠標點擊要操作的對象，上位機通過組態(tài)王6.0將指令傳遞給plc，plc經(jīng)過運算后決定要進行的工作。系統(tǒng)設置了兩種工作方式：手動運行、自動運行。

3 回轉(zhuǎn)保護及實現(xiàn)過程

　旋臂采樣機核心技術(shù)部分是回轉(zhuǎn)部分，當采樣時，圈定采樣區(qū)域，出現(xiàn)采樣點位后，采樣點的坐標一經(jīng)確定，坐標(x,y)的數(shù)值也就確定，橫坐標通過旋臂角度確定，通過公式y(tǒng)=ktgβ，其中系數(shù)k由減速機的減速比和電機轉(zhuǎn)速確定，β為旋轉(zhuǎn)角度。采用plc控制，其原理是利用與回轉(zhuǎn)機構(gòu)連接的編碼器向plc發(fā)出脈沖，plc通過接收的脈沖信號進行高速計數(shù)，當與回轉(zhuǎn)角度對應的脈沖超出所規(guī)定的范圍時，plc根據(jù)組態(tài)邏輯對回轉(zhuǎn)液壓電機進行相應的控制，從而達到保護設備的要求。小車縱向行走直接通過編碼器向plc發(fā)出脈沖，plc通過接收的脈沖信號進行高速計數(shù)，根據(jù)上位機所賦值進行調(diào)節(jié)。

　　3.1 編碼器的機械連接

　回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置設置在轉(zhuǎn)盤上，驅(qū)動原理為液壓電動機帶動渦輪減速機，通過聯(lián)軸器經(jīng)由傳動軸，帶動小齒輪嚙合固定在門座架上的大齒輪圈使回轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動。為了使旋轉(zhuǎn)編碼器與回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置相連接，工程實施中的編碼器與渦輪輸出軸之間增加了連接軸，圖2為旋轉(zhuǎn)編碼器與回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置連接示意圖。這樣當驅(qū)動裝置帶動小齒輪嚙合大齒輪圈使回轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動的同時，也帶動旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)，從而使回轉(zhuǎn)部分的回轉(zhuǎn)與編碼器的軸的旋轉(zhuǎn)建立了相對應的關(guān)系，也為plc對回轉(zhuǎn)電機的控制奠定了基礎。

圖2 編碼器與回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置連接示意圖

　　3.2 旋轉(zhuǎn)編碼器與plc的接線

　在旋轉(zhuǎn)編碼器與回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置連接好后，需將編碼器的脈沖信號輸入plc中。這次改造，plc僅連接一個旋轉(zhuǎn)編碼器，故采用plc內(nèi)置的高速計數(shù)器0來計數(shù)，不需另外配置高速計數(shù)器模板。因采樣機回轉(zhuǎn)時可2個方向回轉(zhuǎn)，故編碼器使用2個方向脈沖信號，即遞計數(shù)增脈沖和遞減計數(shù)脈沖。信號接線時，旋轉(zhuǎn)編碼器的a向脈沖接在plc的00004輸入點，b向脈沖接在plc的00005輸入點，復位z信號接在00006輸入點。圖3為編碼器與plc接線圖。因編碼器e6b2-cwz6c為pnp開集輸出，故接線應嚴格按照圖2中所示，不得接反，cpu的com端接+24v否則編碼器不工作。

圖3 編碼器與plc接線圖

3.3 旋轉(zhuǎn)編碼器在plc中的組態(tài)

　　(1) plc與編程設備的連接

　系統(tǒng)采用vc++開發(fā)了一套系統(tǒng)，采用組態(tài)王通訊，利用安裝有編程支持軟件的工控機，通過與歐姆龍plc的連接對程序下載、調(diào)試、在線監(jiān)測，極大的縮短了工程人員的編程、調(diào)試工作。

　　(2)保護功能實現(xiàn)方法分析

　 在設計時，將采樣機懸臂與軌道中心線的平行位置設為初始位，其與軌道中心線的夾角定義為初始位置角，懸臂在初始位向右方時，位置角為正，相反懸臂在初始位向左方時，位置角為負。設初始位的位置角為0°，對應旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖設為p0=0；當懸臂在初始位的右方時，位置為正，懸臂向右旋轉(zhuǎn)時，脈沖數(shù)值增加，位置角變大，懸臂向左旋轉(zhuǎn)時，脈沖數(shù)值遞減，位置角變??；懸臂向左轉(zhuǎn)時，脈沖數(shù)值及位置角的絕對值都增大，但脈沖數(shù)及位置角的方向均為負，懸臂向右旋轉(zhuǎn)時，脈沖數(shù)值及位置角的絕對值減少，如圖4所示。

圖4 懸臂回轉(zhuǎn)角及脈沖數(shù)值范圍

　　控制方式為：采樣開始時，當p1 歐姆龍編碼器選型為e6b2-cwz6c，p0=200p/r，k1=6，根據(jù)回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的傳動系數(shù)算出k2=70，故pv=420α。為此，根據(jù)回轉(zhuǎn)保護要求，采樣時的兩個對應回轉(zhuǎn)限位位置的編碼器脈沖值p1、-p1及采取煤樣時的兩個對應的回轉(zhuǎn)限位位置的編碼器脈沖值p2 、-p2及懸臂回轉(zhuǎn)180°時的脈沖值p3，均可通過公式得出。

　　(3)plc編程

　 在使用cpu內(nèi)置的高速計數(shù)器0時，在執(zhí)行程序前必須在編程模式下進行有關(guān)pc設置設定，包括對dm6638進行輸入刷新字設置及對dm6642進行高速計數(shù)器0設置。

4 程序控制

　 利用plc的高速計數(shù)器0實現(xiàn)回轉(zhuǎn)保護的程序。程序中ctbl指令的功能是在plc上電的第1個掃描周期中，登陸區(qū)域比較表，并啟動比較，比較表的通道為dm0000，非微分型ini指令執(zhí)行的操作是在plc上電的第1個掃描周期中，將hr00和hr01通道的內(nèi)容(plc斷電前瞬時的高速計數(shù)器的當前值)傳送到高速計數(shù)器的當前寄存器sr230和sr231中，作為高速計數(shù)器的新當前值。塊傳送指令xfer的功能是實時將高速計數(shù)器的當前寄存器rs230和rs231通道的內(nèi)容傳送到hr00和hr01中。因此，plc斷電后，仍能記住采樣機懸臂的當前位置。

　ar11.00~ar11.07為高速計數(shù)器0的范圍比較值，即當高速計數(shù)器0的當前值落入對應的8個區(qū)域時，對應此標志位為1，否則為0。圖中用了4個標志位ar11.00~ar11.03，分別對應4個區(qū)域范圍滿足條件標志。

5 程序調(diào)試

　　利用裝有支持軟件的移動計算機與plc的連接，使用支持軟件提供的各種調(diào)試功能實時對plc程序進行調(diào)試。調(diào)試時需注意兩點：

　　(1)一是采樣機懸臂與軌道中心線平行時，將輸入點0.03接置on，對高速計數(shù)器0進行復位；

　(2)二是實際采樣機懸臂旋轉(zhuǎn)時，高速計數(shù)器的脈沖增減的方向和設計時可能不符，如設計時，使懸臂右轉(zhuǎn)時脈沖遞增，左轉(zhuǎn)時脈沖遞減，實際可能恰恰相反。

　 (3)解決方法：一是調(diào)節(jié)編碼器的a、b向接線，二是在比較表中調(diào)整設定時數(shù)據(jù)及方向(正、負號)，參照圖4，若原區(qū)2在比較表中設定區(qū)域為p1

6 問題及解決

　 設計時原計劃采用西門子plc226+歐姆龍編碼器+歐姆龍接近開關(guān)，但在實際工程工作中，因采用的編碼器為npn型，plc的公共端需接成+24v，這給整個弱電系統(tǒng)帶來很大隱患，后采用歐姆龍plc后，這一問題達到完美的解決。由于旋轉(zhuǎn)編碼器的應用，使旋臂采樣機的回轉(zhuǎn)保護功能變得準確、可靠且易維護，有效地解決了傳統(tǒng)設備系統(tǒng)中采用行程開關(guān)方式出現(xiàn)的動作不可靠、設備易損等問題。同時也為采用歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器對采樣機的仰俯角度的精確控制及保護問題提供了技術(shù)基礎及實現(xiàn)依據(jù)。

7 結(jié)束語

　自動旋臂采制樣機是針對燃煤焦化廠對控制入廠煤的質(zhì)量而研發(fā)的產(chǎn)品，采制樣裝置通過精心設計，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、采樣精度高、對煤中的難碎異物具有很強的適應能力等特點?？刂葡到y(tǒng)采用“xd——2000監(jiān)控系統(tǒng)”及“可編程程序控制器”二級控制，既滿足大量數(shù)據(jù)的實時運算處理，又達到控制要求，各控制單元、執(zhí)行機構(gòu)、檢測原件都充分考慮了其可靠性和抗干擾性。采樣系統(tǒng)的設計、制造完全符合有關(guān)國家標準和國際標準，可保證采樣數(shù)據(jù)準確性，滿足商業(yè)結(jié)算或正平衡計算發(fā)電煤耗的要求，實踐證明該系統(tǒng)控制可靠，界面友好、操作方便。由于老式旋臂采樣機在山西有很大的市場，本系統(tǒng)也可用于老式旋臂采樣機的改造；該裝置不僅可用于焦化廠、燃煤電廠及類似以煤作燃料的大型企業(yè)，也可用于冶金、礦山、港口等行業(yè)礦粉類物料采樣。