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1、 第八届工业仪表与自动化学术会议第八届工业仪表与自动化学术会议 PLC 与与 MM440 在高炉卷扬上料系统中的应用在高炉卷扬上料系统中的应用 Application of PLC and MM440 In MaterialFeeding System Of Blast Furnace Hoist 王翠萍 朱凌云 （东华大学信息科学与技术学院，上海 201620） 摘 要：介绍了 PLC 和变频调速技术在高炉卷扬上料系统中的应用，并引入了串级 PID 控制算法，该系统具有运行可靠、调试方便、保护功能齐全等特点，提高了生产效率，在生产、设备运行、操作、维护等各方面都达到了满意效果。 关键词：PL
2、C MM440 变频调速 卷扬 Abstract: The application of PLC and the frequency conversion timing system on charging of blast furnace was introduced. This system has very good safety and credibility. On the other hand, the system has very convenient testing and complete protecting function. So efficacy is improv
3、ed and every aspect such as working, handling , defending from production facility has reached satisfied effect. KeyWords: PLC（Programmable Logic Controller） MM440 Frequency conversion timing Hoist 0 引言 在钢铁企业中， 上料系统是高炉不可缺少的部分。 高炉上料的形式主要有料车卷扬上料和传 输带上料两种。卷扬料车上料机结构紧凑、占地面积小，对中小高炉有足够的上料能力，能实现 自动控制。 在中小高炉
4、中广泛采用料车卷扬上料。 我们将德国西门子公司的S7-400PLC和MM440 变频器引入 350 m3高炉主卷扬调速系统中代替老式的系统，提高了系统的可靠性，改善了起制 动及加减速控制的性能指标，显著节约了电能。该设计已成功地应用于江苏某钢厂，投产至今一 切生产运作良好，系统稳定。 1 卷扬上料过程 1.1 工作过程 高炉卷扬上料主要工作过程是：各种原料经过槽下配料后进入中间料斗，送到料坑后，中间 斗把料放入料车，中间料斗闸门关到位，并且炉顶准备好后，料车启动，经过一加速匀速一 级减速二级减速检查位，到达炉顶停车。两上料小车是在同一个卷筒下，左车上行时，对应 右车下行，左车到顶，相应右车到底
5、；上行和下行两个料车用一个卷扬机拖动，不但节省了电动 机的功率，而且电动机运行时总有一个重料车上行，没有空行程，这样拖动电动机总是处于电动 状态运行。 1.2 工作特点 料车卷扬机是料车上料机的拖动设备，根据料车运行的工作过程，其工作特点为： 能够频繁启动、制动、停车、反向，转速平稳，过渡时间短； 能够按一定的速度运行； 623 第八届工业仪表与自动化学术会议第八届工业仪表与自动化学术会议 能广泛地调速； 系统工作可靠。 1.3 设计依据 350 m高炉、电动机容量 200KW、转速 745 r/min、卷筒直径 1500 mm、料车行程 50 s 和钢 绳全行程 65 m。 料车在斜桥上的运
6、行分为起动、加速、稳定运行、减速、倾翻和制动 6 个阶段，在整个过程 中包括一次加速、两次减速。料车运行速度曲线和加速度曲线图 1 所示。 V (m/s) m/s2t1t2t3 t4t5t1t2t3 t4t5a3a5a1tt图 1 料车运行速度曲线和加速度曲线 2 变频调速系统主要设备介绍 2.1 MM440 变频器 变频器是集电力电子技术、自动控制技术、计算机技术为一体的高科技产品,具有安全可靠、 使用方便等特点，己被广泛应用于电机速度控制系统中,成为工业控制领域里应用广、发展快的 新一代自动控制装置。 高炉上料中的卷扬电机的速度控制是上料控制系统的核心， 采用变频调速 己成为众多中小高炉上
7、料系统中控制速度的首选方案。 与传统的变电阻等调速方式相比， 变频调 速可有效避免料车失控发生飞车的现象，确保料车按照预定方式安全可靠地运行。 西门子公司生产的 MM440 变频器由微处理器控制， 采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双 极晶体管（IGBT）作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其 脉冲宽度调制的开关频率是可选的， 因而降低了电动机运行的噪声， 具有全面而完善的保护功能。 因此选用 MM440-200KW/3，型号为：6SE6440-2UD42-0GA1。该变频器采用高性能的矢量控制技 术，具有超强的过载能力，能提供持续 3s 的 200%过载能力。同时提
8、供低速转矩输出和良好的动 态特性。 2.2 S7-400 PLC 可编程控制器选用西门子的 S7-400，该 PLC 具有通用性应用、高性能、模块化设计的性能 特征，具有紧凑设计模块。使用了 MMC 存储数据和程序，系统免维护。 电源选 PS307（10A） ，插入 1 号槽；中央处理器选 CPU 412-2DP，6ES7 412-2XG04-0AB0， 插入 2 号槽；数字量输入模块选 SM 421（DI32*24VDC） ，6SE7 421-1BL00-0AA0 五块，分别插 入 4-8 号槽，地址分别为 I0.0I3.7, I4.0I7.7, I8.0I11.7, I12.0I15.7,
9、 I16.0I19.7；数字量输 出模块选 SM 422（DO32*24VDC）, 6SE7 421-1BL00-0AA0 两块,插入 9 号和 10 号槽，地址分别 为 Q0.0Q3.7，Q4.0Q7.7；模拟量输入模块选 SM 431（AI8*13BIT） ，6ES7 431-1KF00-0AB0 两块；插入 11 号和 12 号槽，地址为 PIW512PIW527，PIW528PIW543。 624 第八届工业仪表与自动化学术会议第八届工业仪表与自动化学术会议 3 主卷扬变频调速系统 在图 2 中，K5-aK8-a 均来自 PLC 系统输出，其中 K5-aK8-a 分别控制电动机的正、反
10、 转和一次减速、二次减速，K5-a 控制机械抱闸的开、闭。模拟输出分别接电流显示和转速显示。 Y1、Y2 作为变频器的状态输出，分别去 PLC 的输入，用于 PLC 检测变频器低速检查和抱闸允 许的工作状态。 卷扬上料系统最担心的是料车失控，为了避免事故发生，采用了电磁抱闸和松绳保护措施， 同时设置了变频器保护。 在确保接线无误的情况下，合上电源并设置 MM440 参数，设置 P0010=30，P0970=1，然后 按下 P 键，使变频器恢复到出厂默认值。设置需要的变频器其它各项参数在此不一一赘述。 利用西门子的 STEP7 软件编写 PLC 梯形图程序进行速度控制。STEP7 可以完成系统的
11、硬件 配置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断等功能。用 STEP7 的 LAD 编程，控制实现左料车上行、右料车上行、左车限位、右车限位、料车高速运行、中速运行、低 速运行，以及实现工作指示灯、故障指示灯、故障音响报警及抱闸继电器的控制等功能。 变频器 MM440M3电流显示转速显示低速显示抱闸检查变频正常左车上行右车上行一次减速 二次减速运行允许图 2 主卷扬变频调速系统 4 控制算法的引入 串级 PID 控制算法如图 3 所示，旋转编码器测量电机转速值，构成算法的副回路控制；经 加速度传感器构成算法的主回路控制。 PID1PID2变频器输出频率电机转速实验装置加速度旋
12、转编码器加速度传感器图 3 串级 PID 控制算法原理图 625 第八届工业仪表与自动化学术会议第八届工业仪表与自动化学术会议 采用串级PID控制算法，实现闭环控制，控制对象为加速度值。加速度给定值经加速度与速 度的关系式a=42n2r/9.8 折算成速度值，作为内环PID2 控制对象。变频器工作在带速度反馈的矢 量控制方式下， 速度反馈环节由装于变频电机端的旋转编码器构成， 改变变频器的输出频率值使 转速稳定，实现高精度的速度控制。实际被控对象加速度值经传感器反馈由外环PID1 环节完成， 修正内环的速度给定值，从而实现加速度的串级PID控制。串级PID控制的优点是：速度控制 环节的控制周期
13、小于加速度环节的控制周期，内环所受到的干扰当还未影响到被控量(即加速度) 时，就得到速度回路环节的控制； 速度控制环节的变化，由自身给予调节，对加速度的控制 的影响大为减弱； 通过速度环节回路PID自整定算法，可提高整个系统的响应速度。 在 Step7 中用 SFB41/FB 41，SFB42/FB42，SFB43/FB43 实现 PID 控制。设定点以浮点格式 在“SP_INT”端输入，过程变量可以在外围设备（I/O）或者浮点数值格式输入， “CRP_IN”功 能可以将“PV_PER”外围设备数值转换为一个浮点格式的数值。 “PV_IN”过程变量输入可以设 置一个初始值到“过程变量输入”输入
14、端或者连接一个浮点数格式的外部过程变量。 “GAIN”比 例增益输入端可以设置控制器的比例增益系数。注意： “设定值通道”和“过程变量通道”中的 参数，应该有相同的单位。有效的受控数值被以浮点数格式输出在“受控数值”LMN 输出端上。 I/O 格式的受控数值被连接到“受控数值外围设备”LMN_PER 输出端上的控制器。 5 结束语 卷扬控制系统是实现高炉生产全过程自动控制的重要组成部分，采用 PLC 变频调速系统提 高了系统运行的平稳性、工作的可靠性，操作和维护也很方便，同时节约了大量电能。由于系统 在设置参数 P1300 时选用的是无速度反馈的矢量控制方式对电动机的速度进行控制， 可以得到大
15、 的转矩，改善瞬态响应特性，具有良好的速度稳定性，而且在低频时可以提高电动机的转矩。采 用 PLC-MM440 变频器控制的高炉卷扬调速系统给企业带来了更大的效益。 参考文献 1 马 宁,孔 红.S7-300 PLC 和 MM440 变频器的原理及应用.北京:机械工业出版社,2006,8. 2 王青芳,郭章庆.变频调速在高炉卷扬上料控制系统中的应用.河南冶金.2006,14(1):41-44. 3 蒲静涛,曲永印.变频调速在高炉上料主卷扬中的运用.北华大学学报(自然科学版).2001,2(6):542-545. 4 MM440 使用说明书.北京:西门子自动化与驱动集团.2006. 第一作者王翠萍，女，1981 年生，主要研究方向为工业网络与智能控制。626
