基于PLC的焦炉机车联锁定位系统设计.pdf

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． P L C 在 焦车定位 与连锁控制 系统 中的 应用【 J 】 ． 中国仪器仪表， 2 0 0 7 ， 4 5 7 6 0 ． 【 3 】王锐 ， 田鹏 飞． P L C 在焦化 厂焦炉 车辆 自动控 制系统上 的应用f J ] ． 科技情报开发与经济， 2 0 0 7 ， 1 7 2 7 2 2 2 2 2 3 ． 第3 4 卷第1 1 期2 0 1 2 1 1 下 [ 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m