1 引言
隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，原煤耗用量持續(xù)增長。近兩年來，全國煤炭資源出現(xiàn)了供應(yīng)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(jī)待煤的尷尬境地；同時(shí)，由于電煤供應(yīng)日趨市場化、多元化，造成煤質(zhì)波動幅度增大，煤種雜、入爐煤質(zhì)控制難度加大，使發(fā)電廠鍋爐燃煤偏離設(shè)計(jì)煤種，鍋爐穩(wěn)定燃燒受到破壞，引發(fā)的設(shè)備缺陷明顯增多，嚴(yán)重影響了鍋爐安全經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。火力發(fā)電行業(yè)的主要原料——煤炭，逐步全面推向市場，價(jià)格也隨之開放，煤炭的費(fèi)用在火力發(fā)電廠的成本已占70～80%的份額；焦化行業(yè)也面臨著同樣困境。因此，對煤炭質(zhì)量的檢測，已也引起火力發(fā)電、焦化行業(yè)的高度重視。以前的檢測是工作人員到煤廠隨機(jī)采取一份煤樣送往化驗(yàn)室化驗(yàn)，化驗(yàn)室根據(jù)此樣品的化驗(yàn)結(jié)果核算成本。這樣的采樣方法既浪費(fèi)時(shí)間，工作環(huán)境較差，樣品的代表性準(zhǔn)確性不高，從而使自動化設(shè)備采樣替代人工采樣勢在必行。進(jìn)入90年代，入場煤采制樣設(shè)備(汽車入場煤，火車入場煤)達(dá)到了迅速發(fā)展。同時(shí)，自動化技術(shù)在入場煤采制樣設(shè)備的廣泛運(yùn)用，極大地把工人從繁雜的體力勞動和不安全的工作環(huán)境中解放出來，顯著地改善了工人的工作環(huán)境和提高了工人的工作效率。針對這種情況，我公司研發(fā)出一種新型全自動旋臂采樣機(jī)，該設(shè)備在山西長治地區(qū)焦化行業(yè)投入應(yīng)用后，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
入場煤旋臂采樣機(jī)是焦化、火電行業(yè)的一個(gè)重要采樣設(shè)備。為了保護(hù)設(shè)備，在采樣時(shí)必須有效的控制其回轉(zhuǎn)角度在規(guī)定的范圍之內(nèi)，因此設(shè)置了回轉(zhuǎn)保護(hù)裝置。傳統(tǒng)的保護(hù)裝置是在回轉(zhuǎn)體的下部安裝行程開關(guān)，此開關(guān)易損壞，使設(shè)備的回轉(zhuǎn)保護(hù)失效。我公司在對山西屯留焦化廠旋臂采樣機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，利用可編程計(jì)數(shù)器的高速計(jì)數(shù)器功能配合旋轉(zhuǎn)編碼器的使用，有效地實(shí)現(xiàn)了對回轉(zhuǎn)角度的測量和對設(shè)備的回轉(zhuǎn)保護(hù)，提高了設(shè)備的可靠性、準(zhǔn)確性，使旋臂采樣機(jī)所采樣品更具有代表性。下面將從旋轉(zhuǎn)編碼器的機(jī)械安裝、電氣接線、plc的組態(tài)、計(jì)算機(jī)自動控制等幾個(gè)方面進(jìn)行介紹。
2 旋臂采樣機(jī)機(jī)械組成部分及工作原理
2.1 機(jī)械部分
旋臂采樣機(jī)機(jī)械部分由支架、平臺、旋臂、小車走行機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、螺旋采樣機(jī)構(gòu)組成。
2.2 控制系統(tǒng)及工作原理
本系統(tǒng)采用pii的研華工控機(jī)，捷瑞公司的rs232轉(zhuǎn)rs322/485工業(yè)通訊卡，數(shù)據(jù)庫采用與工廠信息管理系統(tǒng)相一致數(shù)據(jù)庫visual foxpro6.0，采用視頻捕捉卡，圖像分割器及閉路監(jiān)控系統(tǒng)。現(xiàn)場檢測儀表對生產(chǎn)中各個(gè)參數(shù)自動、連續(xù)地進(jìn)行檢測，同時(shí)將信號反饋給現(xiàn)場plc和上位機(jī)，并在上位機(jī)顯示器上顯示出來；plc和上位機(jī)比較程序中設(shè)定的工藝參數(shù)，自動地調(diào)節(jié)某臺設(shè)備的工況(啟動、停止)及存儲煤質(zhì)數(shù)據(jù)，從而自動滿足生產(chǎn)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(zhuǎn)換模塊，用于轉(zhuǎn)換在線分析儀檢測到的數(shù)據(jù)。各種開關(guān)量及模擬量輸入到plc后，由上位機(jī)發(fā)出執(zhí)行指令，plc經(jīng)過運(yùn)算后，將其運(yùn)算結(jié)果輸出到電機(jī)、電動液壓推桿等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。硬件部分還采用了歐姆龍
接近開關(guān)。其控制原理圖如圖1所示。
圖1 自動旋臂采樣機(jī)控制系統(tǒng)原理圖
(1)上位機(jī)與plc通信
本系統(tǒng)采用了北京亞控科技發(fā)展有限公司的組態(tài)王6.0作為
組態(tài)軟件，通過plc編程口與上位機(jī)通信。組態(tài)王6.0是運(yùn)行于microsoft windows nt / xp 中文平臺的全中文界面的組態(tài)軟件，采用了多線程、com組件等新技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)適時(shí)多任務(wù)，具有開放的程序接口，可以自由地存取數(shù)據(jù)，且與各種關(guān)系數(shù)據(jù)庫能夠完整連接。
(2)系統(tǒng)功能
本系統(tǒng)的操作完全由上位機(jī)完成，操作人員運(yùn)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊要操作的對象，上位機(jī)通過組態(tài)王6.0將指令傳遞給plc，plc經(jīng)過運(yùn)算后決定要進(jìn)行的工作。系統(tǒng)設(shè)置了兩種工作方式：手動運(yùn)行、自動運(yùn)行。
3 回轉(zhuǎn)保護(hù)及實(shí)現(xiàn)過程
旋臂采樣機(jī)核心技術(shù)部分是回轉(zhuǎn)部分，當(dāng)采樣時(shí)，圈定采樣區(qū)域，出現(xiàn)采樣點(diǎn)位后，采樣點(diǎn)的坐標(biāo)一經(jīng)確定，坐標(biāo)(x,y)的數(shù)值也就確定，橫坐標(biāo)通過旋臂角度確定，通過公式y(tǒng)=ktgβ，其中系數(shù)k由減速機(jī)的減速比和電機(jī)轉(zhuǎn)速確定，β為旋轉(zhuǎn)角度。采用plc控制，其原理是利用與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接的編碼器向plc發(fā)出脈沖，plc通過接收的脈沖信號進(jìn)行高速計(jì)數(shù)，當(dāng)與回轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的脈沖超出所規(guī)定的范圍時(shí)，plc根據(jù)組態(tài)邏輯對回轉(zhuǎn)液壓電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制，從而達(dá)到保護(hù)設(shè)備的要求。小車縱向行走直接通過編碼器向plc發(fā)出脈沖，plc通過接收的脈沖信號進(jìn)行高速計(jì)數(shù)，根據(jù)上位機(jī)所賦值進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3.1 編碼器的機(jī)械連接
回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置設(shè)置在轉(zhuǎn)盤上，驅(qū)動原理為液壓電動機(jī)帶動渦輪減速機(jī)，通過聯(lián)軸器經(jīng)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(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動。為了使旋轉(zhuǎn)編碼器與回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置相連接，工程實(shí)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(zhuǎn)編碼器與回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置連接示意圖。這樣當(dāng)驅(qū)動裝置帶動小齒輪嚙合大齒輪圈使回轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動的同時(shí)，也帶動旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)，從而使回轉(zhuǎn)部分的回轉(zhuǎn)與編碼器的軸的旋轉(zhuǎn)建立了相對應(yīng)的關(guān)系，也為plc對回轉(zhuǎn)電機(jī)的控制奠定了基礎(chǔ)。
圖2 編碼器與回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置連接示意圖
3.2 旋轉(zhuǎn)編碼器與plc的接線
在旋轉(zhuǎn)編碼器與回轉(zhuǎn)驅(qū)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(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，故采用plc內(nèi)置的高速計(jì)數(shù)器0來計(jì)數(shù)，不需另外配置高速計(jì)數(shù)器模板。因采樣機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)可2個(gè)方向回轉(zhuǎn)，故編碼器使用2個(gè)方向脈沖信號，即遞計(jì)數(shù)增脈沖和遞減計(jì)數(shù)脈沖。信號接線時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器的a向脈沖接在plc的00004輸入點(diǎn)，b向脈沖接在plc的00005輸入點(diǎn)，復(fù)位z信號接在00006輸入點(diǎn)。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(yīng)嚴(yán)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(zhuǎn)編碼器在plc中的組態(tài)
(1) plc與編程設(shè)備的連接
系統(tǒng)采用vc++開發(fā)了一套系統(tǒng)，采用組態(tài)王通訊，利用安裝有編程支持軟件的工控機(jī)，通過與歐姆龍plc的連接對程序下載、調(diào)試、在線監(jiān)測，極大的縮短了工程人員的編程、調(diào)試工作。
(2)保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)方法分析
在設(shè)計(jì)時(shí)，將采樣機(jī)懸臂與軌道中心線的平行位置設(shè)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(shí)，位置角為正，相反懸臂在初始位向左方時(shí)，位置角為負(fù)。設(shè)初始位的位置角為0°，對應(yīng)旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖設(shè)為p0=0；當(dāng)懸臂在初始位的右方時(shí)，位置為正，懸臂向右旋轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖數(shù)值增加，位置角變大，懸臂向左旋轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖數(shù)值遞減，位置角變小；懸臂向左轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖數(shù)值及位置角的絕對值都增大，但脈沖數(shù)及位置角的方向均為負(fù)，懸臂向右旋轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖數(shù)值及位置角的絕對值減少，如圖4所示。
圖4 懸臂回轉(zhuǎn)角及脈沖數(shù)值范圍
控制方式為：采樣開始時(shí)，當(dāng)p1 歐姆龍編碼器選型為e6b2-cwz6c，p0=200p/r，k1=6，根據(jù)回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的傳動系數(shù)算出k2=70，故pv=420α。為此，根據(jù)回轉(zhuǎn)保護(hù)要求，采樣時(shí)的兩個(gè)對應(yīng)回轉(zhuǎn)限位位置的編碼器脈沖值p1、-p1及采取煤樣時(shí)的兩個(gè)對應(yīng)的回轉(zhuǎn)限位位置的編碼器脈沖值p2 、-p2及懸臂回轉(zhuǎn)180°時(shí)的脈沖值p3，均可通過公式得出。
(3)plc編程
在使用cpu內(nèi)置的高速計(jì)數(shù)器0時(shí)，在執(zhí)行程序前必須在編程模式下進(jìn)行有關(guān)pc設(shè)置設(shè)定，包括對dm6638進(jìn)行輸入刷新字設(shè)置及對dm6642進(jìn)行高速計(jì)數(shù)器0設(shè)置。
4 程序控制
利用plc的高速計(jì)數(shù)器0實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)保護(hù)的程序。程序中ctbl指令的功能是在plc上電的第1個(gè)掃描周期中，登陸區(qū)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(zhí)行的操作是在plc上電的第1個(gè)掃描周期中，將hr00和hr01通道的內(nèi)容(plc斷電前瞬時(shí)的高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值)傳送到高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前寄存器sr230和sr231中，作為高速計(jì)數(shù)器的新當(dāng)前值。塊傳送指令xfer的功能是實(shí)時(shí)將高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前寄存器rs230和rs231通道的內(nèi)容傳送到hr00和hr01中。因此，plc斷電后，仍能記住采樣機(jī)懸臂的當(dāng)前位置。
ar11.00~ar11.07為高速計(jì)數(shù)器0的范圍比較值，即當(dāng)高速計(jì)數(shù)器0的當(dāng)前值落入對應(yīng)的8個(gè)區(qū)域時(shí)，對應(yīng)此標(biāo)志位為1，否則為0。圖中用了4個(gè)標(biāo)志位ar11.00~ar11.03，分別對應(yīng)4個(gè)區(qū)域范圍滿足條件標(biāo)志。
5 程序調(diào)試
利用裝有支持軟件的移動計(jì)算機(jī)與plc的連接，使用支持軟件提供的各種調(diào)試功能實(shí)時(shí)對plc程序進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試時(shí)需注意兩點(diǎn)：
(1)一是采樣機(jī)懸臂與軌道中心線平行時(shí)，將輸入點(diǎn)0.03接置on，對高速計(jì)數(shù)器0進(jìn)行復(fù)位；
(2)二是實(shí)際采樣機(jī)懸臂旋轉(zhuǎn)時(shí)，高速計(jì)數(shù)器的脈沖增減的方向和設(shè)計(jì)時(shí)可能不符，如設(shè)計(jì)時(shí)，使懸臂右轉(zhuǎn)時(shí)脈沖遞增，左轉(zhuǎn)時(shí)脈沖遞減，實(shí)際可能恰恰相反。
(3)解決方法：一是調(diào)節(jié)編碼器的a、b向接線，二是在比較表中調(diào)整設(shè)定時(shí)數(shù)據(jù)及方向(正、負(fù)號)，參照圖4，若原區(qū)2在比較表中設(shè)定區(qū)域?yàn)閜1
6 問題及解決
設(shè)計(jì)時(shí)原計(jì)劃采用西門子plc226+歐姆龍編碼器+歐姆龍
接近開關(guān)，但在實(shí)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(gè)弱電系統(tǒng)帶來很大隱患，后采用歐姆龍plc后，這一問題達(dá)到完美的解決。由于旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用，使旋臂采樣機(jī)的回轉(zhuǎn)保護(hù)功能變得準(zhǔn)確、可靠且易維護(hù)，有效地解決了傳統(tǒng)設(shè)備系統(tǒng)中采用行程開關(guān)方式出現(xiàn)的動作不可靠、設(shè)備易損等問題。同時(shí)也為采用歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器對采樣機(jī)的仰俯角度的精確控制及保護(hù)問題提供了技術(shù)基礎(chǔ)及實(shí)現(xiàn)依據(jù)。
7 結(jié)束語
自動旋臂采制樣機(jī)是針對燃煤焦化廠對控制入廠煤的質(zhì)量而研發(fā)的產(chǎn)品，采制樣裝置通過精心設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、采樣精度高、對煤中的難碎異物具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力等特點(diǎn)。控制系統(tǒng)采用“xd——2000監(jiān)控系統(tǒng)”及“可編程程序控制器”二級控制，既滿足大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)運(yùn)算處理，又達(dá)到控制要求，各控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測原件都充分考慮了其可靠性和抗干擾性。采樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造完全符合有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)，可保證采樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，滿足商業(yè)結(jié)算或正平衡計(jì)算發(fā)電煤耗的要求，實(shí)踐證明該系統(tǒng)控制可靠，界面友好、操作方便。由于老式旋臂采樣機(jī)在山西有很大的市場，本系統(tǒng)也可用于老式旋臂采樣機(jī)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(yè)，也可用于冶金、礦山、港口等行業(yè)礦粉類物料采樣。
