基于歐姆龍PLC的旋臂采樣機自動控制系統設計

1 引言

　 隨著國民經濟的發展，原煤耗用量持續增長。近兩年來，全國煤炭資源出現了供應緊張的局面，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，造成煤質波動幅度增大，煤種雜、入爐煤質控制難度加大，使發電廠鍋爐燃煤偏離設計煤種，鍋爐穩定燃燒受到破壞，引發的設備缺陷明顯增多，嚴重影響了鍋爐安全經濟穩定運行。火力發電行業的主要原料——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電廠的成本已占70～80%的份額；焦化行業也面臨著同樣困境。因此，對煤炭質量的檢測，已也引起火力發電、焦化行業的高度重視。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，化驗室根據此樣品的化驗結果核算成本。這樣的采樣方法既浪費時間，工作環境較差，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)達到了迅速發展。同時，自動化技術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境中解放出來，顯著地改善了工人的工作環境和提高了工人的工作效率。針對這種情況，我公司研發出一種新型全自動旋臂采樣機，該設備在山西長治地區焦化行業投入應用后，取得了良好的經濟效益。

　入場煤旋臂采樣機是焦化、火電行業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角度在規定的范圍之內，因此設置了回轉保護裝置。傳統的保護裝置是在回轉體的下部安裝行程開關，此開關易損壞，使設備的回轉保護失效。我公司在對山西屯留焦化廠旋臂采樣機的設計過程中，利用可編程計數器的高速計數器功能配合旋轉編碼器的使用，有效地實現了對回轉角度的測量和對設備的回轉保護，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。下面將從旋轉編碼器的機械安裝、電氣接線、plc的組態、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、升降機構、螺旋采樣機構組成。

　　2.2 控制系統及工作原理

　 本系統采用pii的研華工控機，捷瑞公司的rs232轉rs322/485工業通訊卡，數據庫采用與工廠信息管理系統相一致數據庫visual foxpro6.0，采用視頻捕捉卡，圖像分割器及閉路監控系統。現場檢測儀表對生產中各個參數自動、連續地進行檢測，同時將信號反饋給現場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，自動地調節某臺設備的工況(啟動、停止)及存儲煤質數據，從而自動滿足生產過程需要。

　 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輸入的模擬量轉換模塊，用于轉換在線分析儀檢測到的數據。各種開關量及模擬量輸入到plc后，由上位機發出執行指令，plc經過運算后，將其運算結果輸出到電機、電動液壓推桿等執行機構。硬件部分還采用了歐姆龍接近開關。其控制原理圖如圖1所示。

圖1 自動旋臂采樣機控制系統原理圖

(1)上位機與plc通信

　本系統采用了北京亞控科技發展有限公司的組態王6.0作為組態軟件，通過plc編程口與上位機通信。組態王6.0是運行于microsoft windows nt / xp 中文平臺的全中文界面的組態軟件，采用了多線程、com組件等新技術，能夠實現適時多任務，具有開放的程序接口，可以自由地存取數據，且與各種關系數據庫能夠完整連接。

　　(2)系統功能

　本系統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，上位機通過組態王6.0將指令傳遞給plc，plc經過運算后決定要進行的工作。系統設置了兩種工作方式：手動運行、自動運行。

3 回轉保護及實現過程

　旋臂采樣機核心技術部分是回轉部分，當采樣時，圈定采樣區域，出現采樣點位后，采樣點的坐標一經確定，坐標(x,y)的數值也就確定，橫坐標通過旋臂角度確定，通過公式y=ktgβ，其中系數k由減速機的減速比和電機轉速確定，β為旋轉角度。采用plc控制，其原理是利用與回轉機構連接的編碼器向plc發出脈沖，plc通過接收的脈沖信號進行高速計數，當與回轉角度對應的脈沖超出所規定的范圍時，plc根據組態邏輯對回轉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發出脈沖，plc通過接收的脈沖信號進行高速計數，根據上位機所賦值進行調節。

　　3.1 編碼器的機械連接

　回轉驅動裝置設置在轉盤上，驅動原理為液壓電動機帶動渦輪減速機，通過聯軸器經由傳動軸，帶動小齒輪嚙合固定在門座架上的大齒輪圈使回轉部分轉動。為了使旋轉編碼器與回轉驅動裝置相連接，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為旋轉編碼器與回轉驅動裝置連接示意圖。這樣當驅動裝置帶動小齒輪嚙合大齒輪圈使回轉部分轉動的同時，也帶動旋轉編碼器旋轉，從而使回轉部分的回轉與編碼器的軸的旋轉建立了相對應的關系，也為plc對回轉電機的控制奠定了基礎。

圖2 編碼器與回轉驅動裝置連接示意圖

　　3.2 旋轉編碼器與plc的接線

　在旋轉編碼器與回轉驅動裝置連接好后，需將編碼器的脈沖信號輸入plc中。這次改造，plc僅連接一個旋轉編碼器，故采用plc內置的高速計數器0來計數，不需另外配置高速計數器模板。因采樣機回轉時可2個方向回轉，故編碼器使用2個方向脈沖信號，即遞計數增脈沖和遞減計數脈沖。信號接線時，旋轉編碼器的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 旋轉編碼器在plc中的組態

　　(1) plc與編程設備的連接

　系統采用vc++開發了一套系統，采用組態王通訊，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、調試、在線監測，極大的縮短了工程人員的編程、調試工作。

　　(2)保護功能實現方法分析

　 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，懸臂向右旋轉時，脈沖數值增加，位置角變大，懸臂向左旋轉時，脈沖數值遞減，位置角變小；懸臂向左轉時，脈沖數值及位置角的絕對值都增大，但脈沖數及位置角的方向均為負，懸臂向右旋轉時，脈沖數值及位置角的絕對值減少，如圖4所示。

圖4 懸臂回轉角及脈沖數值范圍

　　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，根據回轉驅動裝置的傳動系數算出k2=70，故pv=420α。為此，根據回轉保護要求，采樣時的兩個對應回轉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限位位置的編碼器脈沖值p2 、-p2及懸臂回轉180°時的脈沖值p3，均可通過公式得出。

　　(3)plc編程

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

4 程序控制

　 利用plc的高速計數器0實現回轉保護的程序。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通道的內容(plc斷電前瞬時的高速計數器的當前值)傳送到高速計數器的當前寄存器sr230和sr231中，作為高速計數器的新當前值。塊傳送指令xfer的功能是實時將高速計數器的當前寄存器rs230和rs231通道的內容傳送到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為高速計數器0的范圍比較值，即當高速計數器0的當前值落入對應的8個區域時，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個區域范圍滿足條件標志。

5 程序調試

　　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試功能實時對plc程序進行調試。調試時需注意兩點：

　　(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，對高速計數器0進行復位；

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

　 (3)解決方法：一是調節編碼器的a、b向接線，二是在比較表中調整設定時數據及方向(正、負號)，參照圖4，若原區2在比較表中設定區域為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，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。由于旋轉編碼器的應用，使旋臂采樣機的回轉保護功能變得準確、可靠且易維護，有效地解決了傳統設備系統中采用行程開關方式出現的動作不可靠、設備易損等問題。同時也為采用歐姆龍旋轉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基礎及實現依據。

7 結束語

　自動旋臂采制樣機是針對燃煤焦化廠對控制入廠煤的質量而研發的產品，采制樣裝置通過精心設計，具有結構簡單、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。控制系統采用“xd——2000監控系統”及“可編程程序控制器”二級控制，既滿足大量數據的實時運算處理，又達到控制要求，各控制單元、執行機構、檢測原件都充分考慮了其可靠性和抗干擾性。采樣系統的設計、制造完全符合有關國家標準和國際標準，可保證采樣數據準確性，滿足商業結算或正平衡計算發電煤耗的要求，實踐證明該系統控制可靠，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，也可用于冶金、礦山、港口等行業礦粉類物料采樣。