機械電子式軟起動裝置的控制系統(tǒng)設計

近年來，在煤炭、冶金、電力、建材、石油、化工等行業(yè)，帶式輸送機得到普遍應用，帶式輸送機的相關理論和實驗研究取得了很大進展，但仍然存在傳動效率低，系統(tǒng)結構復雜且可靠性較差，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、機械結構與控制系統(tǒng)簡單、工作壽命長，價格便宜和安裝維護方便的新型機械電子式軟起動系統(tǒng)。

1. 機械電子式軟起動控制系統(tǒng)組成及原理

由上位計算機、變頻器、可編程控制器(PLC)等組成。為了實現(xiàn)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(zhí)行機構為異步電動機、差動行星減速機構，控制對象為帶式輸送機。

控制系統(tǒng)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(tǒng)的軟件設計后，計算機通過與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，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，PLC得電啟動，在啟動調速電機的過程中，PLC通過控制變頻器的輸出頻率來控制調速電機轉速，使其按照設定升速規(guī)律達到預定轉速。在其達到預定轉速后，PLC通過接觸器(Mc)接通主電機電源，主電機啟動，由于差動輪系的速度合成，負載端無輸出。當負載起動時，在PLC的控制下調速電機按設定規(guī)律減速，負載緩慢輸出直至達到工作轉速。負載軟停車時，PLC控制變頻器的輸出頻率使調速電機按設定曲線加速，主電機繼續(xù)按額定轉速工作，通過速度合成，負載緩慢減速為零。當系統(tǒng)完全停車時，PLC將與主電機相連接觸器斷開，主電機停止，然后切斷調速電機的電源，系統(tǒng)完全停車。

2. 機械電子式軟起動的控制系統(tǒng)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(tǒng)I/O點數(shù)估算

確定I/O點數(shù)是可編程控制器設計的關鍵問題，估算出被控對象的I/O點數(shù)后，就可選擇點數(shù)相當?shù)目删幊炭刂破鳎x擇相應規(guī)模的可編程控制器并留有100%-15%的I/0余量。

2.內存估計

用戶所需的內存容量受到以下幾個因素的影響:內存利用率;開關量輸?shù)遁敵鳇c數(shù);模擬量輸入輸出點數(shù);用戶的編程水平。一個程序段中的接點數(shù)與存放該程序段所代表的機器語言所需的字數(shù)的比值稱為內存利用率。可編程控制器開關量輸入/輸出總點數(shù)是計算所需內存容量的重要依據(jù)。具有模擬量控制的系統(tǒng)要用到數(shù)字傳送和運算功能指令，功能指令對內存的利用率較低，所占的內存數(shù)較多。用戶程序的優(yōu)劣對程序長短和運行時間都有較大影響。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)行時間差距很大。

綜上所述，內存大小的經驗計算公式為:

總存儲器字數(shù)二(開關量輸入點數(shù)+開關量輸出點數(shù))*10+模擬量點數(shù)*150

按計算存儲器字數(shù)的25%考慮余量。

3. 響應時間分析

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)時間小于掃描周期的輸入信號。系統(tǒng)響應時間是指輸入信號產生時刻與由此而引起的輸出信號狀態(tài)發(fā)生變化時刻的時間間隔: 系統(tǒng)響應時間=輸入濾波時間+輸出濾波時間+掃描周期通過對可編程控制器各功能及參數(shù)的綜合考慮權衡，設計選用西門子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)的設計要求。 選用S7-200 CPU 226，該模塊包括一個中央處理單元(CPU)、電源以及數(shù)字量I/O點，集成在一個緊湊、獨立的設備中。CPU負責執(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)控制任務或過程進行控制。輸入和輸出是系統(tǒng)的控制點:輸入部分從現(xiàn)場設備(如傳感器或開關)中采集信號，輸出部分則控制電機以及工業(yè)過程中的其它設備。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，當與計算機相連時，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I/O的當前狀態(tài)，以及檢查出的系統(tǒng)錯誤。

2.2可編程控制器與計算機的通信

數(shù)據(jù)通信就是在同一級內或者在不同級之間進行數(shù)據(jù)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重要方面，也是完成多重控制任務，實現(xiàn)多級控制的有效途徑?？删幊炭刂破髋c計算機聯(lián)網(wǎng)時，計算機僅用于在線編程、修改參數(shù)和數(shù)據(jù)顯示?？删幊炭刂破髋c計算機之間的通信是通過RS-485口與RS-232口進行的，信息交換的方式為字符串方式，運用RS-485和RS-232通道，容易配置一個與計算機通信的系統(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算機，由計算機采集數(shù)據(jù)，進行分析和運行狀態(tài)監(jiān)測。用計算機改變可編程控制器設備的初始值和設定值，實現(xiàn)計算機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通信的標準D型插座。

3.控制系統(tǒng)的軟件設計

在控制系統(tǒng)的軟件設計過程中，程序編寫采用計算機加V3.1 STEP Micro/WIN軟件來實現(xiàn)。程序的設計方案，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現(xiàn)。在了解控制系統(tǒng)功能及控制方式的基礎上，根據(jù)帶式輸送機起制動過程的不同工況，設計了系統(tǒng)在各個工作階段的控制程序。

程序設計主要包括以下進程:

(1)系統(tǒng)自檢，對控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測，若發(fā)現(xiàn)錯誤向用戶報警，否則進入下一步。

(2)由對電磁接觸器的控制實現(xiàn)雙電機的分時啟動。在程序設計中采用定時器，當達到預設時間時，相應電機在PLC的作用下開始啟動，在設定的時間內電機達到設定轉速。調速電機的轉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、調速電機啟動時間間隔。主電機與調速電機的啟動由相應的電磁接觸器控制。

(3)以定時器實現(xiàn)軟起動與軟停車過程，不同時段帶式輸送機按用戶設定時間及轉速曲線逐步起動與停車。

(4)需要停車時實現(xiàn)順序斷電，并能夠在緊急停車時直接解除所有電源。順序斷電采用定時器，按照用戶設定的時間間隔進行。

4.總結

本文的創(chuàng)新點：本系統(tǒng)使用可編程控制器對變頻器的輸出頻率進行控制，實現(xiàn)對調速電機轉速的控制。調速電機與主電機的轉速經差動行星輪系的速度合成，可使傳動系統(tǒng)在很大范圍內無級調速，實現(xiàn)對負載的可控起動，傳動效率高。該系統(tǒng)已經在生產中使用，其工作十分的穩(wěn)定，效果較好。