機(jī)械電子式軟起動裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近年來，在煤炭、冶金、電力、建材、石油、化工等行業(yè)，帶式輸送機(jī)得到普遍應(yīng)用，帶式輸送機(jī)的相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)研究取得了很大進(jìn)展，但仍然存在傳動效率低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且可靠性較差，缺少自動化控制與通信協(xié)議等方面缺陷，未形成有效軟起動控制系統(tǒng)。因此，有必要研究開發(fā)性能優(yōu)良、傳動效率高、機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)簡單、工作壽命長，價(jià)格便宜和安裝維護(hù)方便的新型機(jī)械電子式軟起動系統(tǒng)。

1. 機(jī)械電子式軟起動控制系統(tǒng)組成及原理

由上位計(jì)算機(jī)、變頻器、可編程控制器(PLC)等組成。為了實(shí)現(xiàn)對工作儀器的保護(hù)，將變頻器、可編程控制器、傳感器等安裝在控制柜內(nèi)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)為異步電動機(jī)、差動行星減速機(jī)構(gòu)，控制對象為帶式輸送機(jī)。

控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上為主從式二級控制，其中計(jì)算機(jī)為主，PLC為從。在完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)后，計(jì)算機(jī)通過與PLC之間的通訊將控制程序下裝至PLC。計(jì)算機(jī)作為工業(yè)控制主機(jī)，擔(dān)負(fù)著對PLC程序的在線修改，信號采集、數(shù)據(jù)記錄與處理和控制輸出等任務(wù)，而大量的循序動作的處理則交由PLC處理。

控制系統(tǒng)工作時(shí)，PLC得電啟動，在啟動調(diào)速電機(jī)的過程中，PLC通過控制變頻器的輸出頻率來控制調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速，使其按照設(shè)定升速規(guī)律達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速。在其達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速后，PLC通過接觸器(Mc)接通主電機(jī)電源，主電機(jī)啟動，由于差動輪系的速度合成，負(fù)載端無輸出。當(dāng)負(fù)載起動時(shí)，在PLC的控制下調(diào)速電機(jī)按設(shè)定規(guī)律減速，負(fù)載緩慢輸出直至達(dá)到工作轉(zhuǎn)速。負(fù)載軟停車時(shí)，PLC控制變頻器的輸出頻率使調(diào)速電機(jī)按設(shè)定曲線加速，主電機(jī)繼續(xù)按額定轉(zhuǎn)速工作，通過速度合成，負(fù)載緩慢減速為零。當(dāng)系統(tǒng)完全停車時(shí)，PLC將與主電機(jī)相連接觸器斷開，主電機(jī)停止，然后切斷調(diào)速電機(jī)的電源，系統(tǒng)完全停車。

2. 機(jī)械電子式軟起動的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 可編程控制器的選型

1.可編程控制器控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)估算

確定I/O點(diǎn)數(shù)是可編程控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，估算出被控對象的I/O點(diǎn)數(shù)后，就可選擇點(diǎn)數(shù)相當(dāng)?shù)目删幊炭刂破鳎x擇相應(yīng)規(guī)模的可編程控制器并留有100%-15%的I/0余量。

2.內(nèi)存估計(jì)

用戶所需的內(nèi)存容量受到以下幾個(gè)因素的影響:內(nèi)存利用率;開關(guān)量輸?shù)遁敵鳇c(diǎn)數(shù);模擬量輸入輸出點(diǎn)數(shù);用戶的編程水平。一個(gè)程序段中的接點(diǎn)數(shù)與存放該程序段所代表的機(jī)器語言所需的字?jǐn)?shù)的比值稱為內(nèi)存利用率。可編程控制器開關(guān)量輸入/輸出總點(diǎn)數(shù)是計(jì)算所需內(nèi)存容量的重要依據(jù)。具有模擬量控制的系統(tǒng)要用到數(shù)字傳送和運(yùn)算功能指令，功能指令對內(nèi)存的利用率較低，所占的內(nèi)存數(shù)較多。用戶程序的優(yōu)劣對程序長短和運(yùn)行時(shí)間都有較大影響。對同樣的系統(tǒng)，不同用戶編寫的程序可能會使程序長短和執(zhí)行時(shí)間差距很大。

綜上所述，內(nèi)存大小的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為:

總存儲器字?jǐn)?shù)二(開關(guān)量輸入點(diǎn)數(shù)+開關(guān)量輸出點(diǎn)數(shù))*10+模擬量點(diǎn)數(shù)*150

按計(jì)算存儲器字?jǐn)?shù)的25%考慮余量。

3. 響應(yīng)時(shí)間分析

可編程控制器順序掃描的工作方式使它不可能可靠的接受持續(xù)時(shí)間小于掃描周期的輸入信號。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是指輸入信號產(chǎn)生時(shí)刻與由此而引起的輸出信號狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)刻的時(shí)間間隔: 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間=輸入濾波時(shí)間+輸出濾波時(shí)間+掃描周期通過對可編程控制器各功能及參數(shù)的綜合考慮權(quán)衡，設(shè)計(jì)選用西門子SIMATIC57-200可編程控制器，選用西門子CPU226，型號(6ES7216-2BD21 0XB0)，可滿足控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。 選用S7-200 CPU 226，該模塊包括一個(gè)中央處理單元(CPU)、電源以及數(shù)字量I/O點(diǎn)，集成在一個(gè)緊湊、獨(dú)立的設(shè)備中。CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行程序和存儲數(shù)據(jù)，用掃描方式通過I/O部件接收現(xiàn)場的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，以便對工業(yè)控制任務(wù)或過程進(jìn)行控制。輸入和輸出是系統(tǒng)的控制點(diǎn):輸入部分從現(xiàn)場設(shè)備(如傳感器或開關(guān))中采集信號，輸出部分則控制電機(jī)以及工業(yè)過程中的其它設(shè)備。電源向CPU及其所連接的任何模塊提供電力。通信端口允許將S7-200 CPU同編程器或計(jì)算機(jī)等其它設(shè)備連接起來，當(dāng)與計(jì)算機(jī)相連時(shí)，可組成多級控制系統(tǒng)。狀態(tài)信號燈顯示了CPU的工作模式，本機(jī)I/O的當(dāng)前狀態(tài)，以及檢查出的系統(tǒng)錯(cuò)誤。

2.2可編程控制器與計(jì)算機(jī)的通信

數(shù)據(jù)通信就是在同一級內(nèi)或者在不同級之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送和接收?？删幊炭刂破髋c計(jì)算機(jī)的通信是拓寬可編程控制器應(yīng)用的一個(gè)重要方面，也是完成多重控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)多級控制的有效途徑?？删幊炭刂破髋c計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，計(jì)算機(jī)僅用于在線編程、修改參數(shù)和數(shù)據(jù)顯示?？删幊炭刂破髋c計(jì)算機(jī)之間的通信是通過RS-485口與RS-232口進(jìn)行的，信息交換的方式為字符串方式，運(yùn)用RS-485和RS-232通道，容易配置一個(gè)與計(jì)算機(jī)通信的系統(tǒng)。將所有軟元件的數(shù)據(jù)和狀態(tài)由可編程控制器送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測。用計(jì)算機(jī)改變可編程控制器設(shè)備的初始值和設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對可編程控制器的上位控制。S7-200系列PLC配備有專用于RS-485通信的標(biāo)準(zhǔn)D型插座。

3.控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過程中，程序編寫采用計(jì)算機(jī)加V3.1 STEP Micro/WIN軟件來實(shí)現(xiàn)。程序的設(shè)計(jì)方案，主要是依據(jù)控制系統(tǒng)流程圖和控制系統(tǒng)的所完成的主要功能實(shí)現(xiàn)。在了解控制系統(tǒng)功能及控制方式的基礎(chǔ)上，根據(jù)帶式輸送機(jī)起制動過程的不同工況，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)在各個(gè)工作階段的控制程序。

程序設(shè)計(jì)主要包括以下進(jìn)程:

(1)系統(tǒng)自檢，對控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤向用戶報(bào)警，否則進(jìn)入下一步。

(2)由對電磁接觸器的控制實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)的分時(shí)啟動。在程序設(shè)計(jì)中采用定時(shí)器，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)間時(shí)，相應(yīng)電機(jī)在PLC的作用下開始啟動，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)電機(jī)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速。調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制需要通過可編程控制器控制變頻器的輸出頻率來完成。用戶可以在程序中修改主、調(diào)速電機(jī)啟動時(shí)間間隔。主電機(jī)與調(diào)速電機(jī)的啟動由相應(yīng)的電磁接觸器控制。

(3)以定時(shí)器實(shí)現(xiàn)軟起動與軟停車過程，不同時(shí)段帶式輸送機(jī)按用戶設(shè)定時(shí)間及轉(zhuǎn)速曲線逐步起動與停車。

(4)需要停車時(shí)實(shí)現(xiàn)順序斷電，并能夠在緊急停車時(shí)直接解除所有電源。順序斷電采用定時(shí)器，按照用戶設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行。

4.總結(jié)

本文的創(chuàng)新點(diǎn)：本系統(tǒng)使用可編程控制器對變頻器的輸出頻率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。調(diào)速電機(jī)與主電機(jī)的轉(zhuǎn)速經(jīng)差動行星輪系的速度合成，可使傳動系統(tǒng)在很大范圍內(nèi)無級調(diào)速，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的可控起動，傳動效率高。該系統(tǒng)已經(jīng)在生產(chǎn)中使用，其工作十分的穩(wěn)定，效果較好。