機械電子式軟起動(dòng)裝置的控制系統設計

近年來(lái)，在煤炭、冶金、電力、建材、石油、化工等行業(yè)，帶式輸送機得到普遍應用，帶式輸送機的相關(guān)理論和實(shí)驗研究取得了很大進(jìn)展，但仍然存在傳動(dòng)效率低，系統結構復雜且可靠性較差，缺少自動(dòng)化控制與通信協(xié)議等方面缺陷，未形成有效軟起動(dòng)控制系統。因此，有必要研究開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良、傳動(dòng)效率高、機械結構與控制系統簡(jiǎn)單、工作壽命長(cháng)，價(jià)格便宜和安裝維護方便的新型機械電子式軟起動(dòng)系統。

1. 機械電子式軟起動(dòng)控制系統組成及原理

由上位計算機、變頻器、可編程控制器(PLC)等組成。為了實(shí)現對工作儀器的保護，將變頻器、可編程控制器、傳感器等安裝在控制柜內。執行機構為異步電動(dòng)機、差動(dòng)行星減速機構，控制對象為帶式輸送機。

控制系統在結構上為主從式二級控制，其中計算機為主，PLC為從。在完成控制系統的軟件設計后，計算機通過(guò)與PLC之間的通訊將控制程序下裝至PLC。計算機作為工業(yè)控制主機，擔負著(zhù)對PLC程序的在線(xiàn)修改，信號采集、數據記錄與處理和控制輸出等任務(wù)，而大量的循序動(dòng)作的處理則交由PLC處理。

控制系統工作時(shí)，PLC得電啟動(dòng)，在啟動(dòng)調速電機的過(guò)程中，PLC通過(guò)控制變頻器的輸出頻率來(lái)控制調速電機轉速，使其按照設定升速規律達到預定轉速。在其達到預定轉速后，PLC通過(guò)接觸器(Mc)接通主電機電源，主電機啟動(dòng)，由于差動(dòng)輪系的速度合成，負載端無(wú)輸出。當負載起動(dòng)時(shí)，在PLC的控制下調速電機按設定規律減速，負載緩慢輸出直至達到工作轉速。負載軟停車(chē)時(shí)，PLC控制變頻器的輸出頻率使調速電機按設定曲線(xiàn)加速，主電機繼續按額定轉速工作，通過(guò)速度合成，負載緩慢減速為零。當系統完全停車(chē)時(shí)，PLC將與主電機相連接觸器斷開(kāi)，主電機停止，然后切斷調速電機的電源，系統完全停車(chē)。

2. 機械電子式軟起動(dòng)的控制系統硬件設計

2.1 可編程控制器的選型

1.可編程控制器控制系統I/O點(diǎn)數估算

確定I/O點(diǎn)數是可編程控制器設計的關(guān)鍵問(wèn)題，估算出被控對象的I/O點(diǎn)數后，就可選擇點(diǎn)數相當的可編程控制器，選擇相應規模的可編程控制器并留有100%-15%的I/0余量。

2.內存估計

用戶(hù)所需的內存容量受到以下幾個(gè)因素的影響:內存利用率;開(kāi)關(guān)量輸刀輸出點(diǎn)數;模擬量輸入輸出點(diǎn)數;用戶(hù)的編程水平。一個(gè)程序段中的接點(diǎn)數與存放該程序段所代表的機器語(yǔ)言所需的字數的比值稱(chēng)為內存利用率?？删幊炭刂破鏖_(kāi)關(guān)量輸入/輸出總點(diǎn)數是計算所需內存容量的重要依據。具有模擬量控制的系統要用到數字傳送和運算功能指令，功能指令對內存的利用率較低，所占的內存數較多。用戶(hù)程序的優(yōu)劣對程序長(cháng)短和運行時(shí)間都有較大影響。對同樣的系統，不同用戶(hù)編寫(xiě)的程序可能會(huì )使程序長(cháng)短和執行時(shí)間差距很大。

綜上所述，內存大小的經(jīng)驗計算公式為:

總存儲器字數二(開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)數+開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)數)*10+模擬量點(diǎn)數*150

按計算存儲器字數的25%考慮余量。

3. 響應時(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時(shí)間小于掃描周期的輸入信號。系統響應時(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: 系統響應時(shí)間=輸入濾波時(shí)間+輸出濾波時(shí)間+掃描周期通過(guò)對可編程控制器各功能及參數的綜合考慮權衡，設計選用西門(mén)子SIMATIC57-200可編程控制器，選用西門(mén)子CPU226，型號(6ES7216-2BD21 0XB0)，可滿(mǎn)足控制系統的設計要求。 選用S7-200 CPU 226，該模塊包括一個(gè)中央處理單元(CPU)、電源以及數字量I/O點(diǎn)，集成在一個(gè)緊湊、獨立的設備中。CPU負責執行程序和存儲數據，用掃描方式通過(guò)I/O部件接收現場(chǎng)的狀態(tài)和數據，以便對工業(yè)控制任務(wù)或過(guò)程進(jìn)行控制。輸入和輸出是系統的控制點(diǎn):輸入部分從現場(chǎng)設備(如傳感器或開(kāi)關(guān))中采集信號，輸出部分則控制電機以及工業(yè)過(guò)程中的其它設備。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同編程器或計算機等其它設備連接起來(lái)，當與計算機相連時(shí)，可組成多級控制系統。狀態(tài)信號燈顯示了CPU的工作模式，本機I/O的當前狀態(tài)，以及檢查出的系統錯誤。

2.2可編程控制器與計算機的通信

數據通信就是在同一級內或者在不同級之間進(jìn)行數據的傳送和接收?？删幊炭刂破髋c計算機的通信是拓寬可編程控制器應用的一個(gè)重要方面，也是完成多重控制任務(wù)，實(shí)現多級控制的有效途徑?？删幊炭刂破髋c計算機聯(lián)網(wǎng)時(shí)，計算機僅用于在線(xiàn)編程、修改參數和數據顯示?？删幊炭刂破髋c計算機之間的通信是通過(guò)RS-485口與RS-232口進(jìn)行的，信息交換的方式為字符串方式，運用RS-485和RS-232通道，容易配置一個(gè)與計算機通信的系統。將所有軟元件的數據和狀態(tài)由可編程控制器送入計算機，由計算機采集數據，進(jìn)行分析和運行狀態(tài)監測。用計算機改變可編程控制器設備的初始值和設定值，實(shí)現計算機對可編程控制器的上位控制。S7-200系列PLC配備有專(zhuān)用于RS-485通信的標準D型插座。

3.控制系統的軟件設計

在控制系統的軟件設計過(guò)程中，程序編寫(xiě)采用計算機加V3.1 STEP Micro/WIN軟件來(lái)實(shí)現。程序的設計方案，主要是依據控制系統流程圖和控制系統的所完成的主要功能實(shí)現。在了解控制系統功能及控制方式的基礎上，根據帶式輸送機起制動(dòng)過(guò)程的不同工況，設計了系統在各個(gè)工作階段的控制程序。

程序設計主要包括以下進(jìn)程:

(1)系統自檢，對控制系統狀態(tài)監測，若發(fā)現錯誤向用戶(hù)報警，否則進(jìn)入下一步。

(2)由對電磁接觸器的控制實(shí)現雙電機的分時(shí)啟動(dòng)。在程序設計中采用定時(shí)器，當達到預設時(shí)間時(shí)，相應電機在PLC的作用下開(kāi)始啟動(dòng)，在設定的時(shí)間內電機達到設定轉速。調速電機的轉速控制需要通過(guò)可編程控制器控制變頻器的輸出頻率來(lái)完成。用戶(hù)可以在程序中修改主、調速電機啟動(dòng)時(shí)間間隔。主電機與調速電機的啟動(dòng)由相應的電磁接觸器控制。

(3)以定時(shí)器實(shí)現軟起動(dòng)與軟停車(chē)過(guò)程，不同時(shí)段帶式輸送機按用戶(hù)設定時(shí)間及轉速曲線(xiàn)逐步起動(dòng)與停車(chē)。

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

4.總結

本文的創(chuàng )新點(diǎn)：本系統使用可編程控制器對變頻器的輸出頻率進(jìn)行控制，實(shí)現對調速電機轉速的控制。調速電機與主電機的轉速經(jīng)差動(dòng)行星輪系的速度合成，可使傳動(dòng)系統在很大范圍內無(wú)級調速，實(shí)現對負載的可控起動(dòng)，傳動(dòng)效率高。該系統已經(jīng)在生產(chǎn)中使用，其工作十分的穩定，效果較好。