激光测距在带钢炉内微张力的PLC控制系统的应用

2012-01-15李战胜

武汉轻工大学学报 2012年2期

李战胜，李智，秦岭

(武汉工业学院电气与电子工程学院，湖北武汉430023)

武汉某硅钢厂DA3生产线原设计采用电磁测距方式测量带钢在作业线炉内的微张力大小，由于该测量方式的先天性缺陷，因板厚、材质的差别所形成的导磁率不同，导致测量误差大，在变换钢种时不能有效地对驱动装置进行适时调节，造成张力控制失控，使带钢在炉内拉断或堆带，产生大量废品，每年出现故障达8次以上，还造成加热炉内燃烧环境的波动变化，影响炉体寿命。由此而造成的设备损耗，加热炉空烧造成的能源损耗等，年损失在200万元以上。为保证带钢的平稳运行，经过改进采用激光测距代替原有的电磁测距方法并加入PLC控制系统，此方法不但能够实现实时测控，而且不受板厚、材质的影响，根据测量信号实时调节驱动装置，有效地保证带钢运行平稳，避免事故的发生［1-2］。

1 激光测距的原理

激光测距无论在军事应用方面，还是在科学技术、生产建设方面，都起着重要作用。激光测距仪的测距原理是：由激光器对被测目标发射一个光信号，然后接受目标反射回来的光信号，通过测量光信号往返经过的时间，计算出目标的距离。根据所采用技术途径的不同，激光测距的方式可分为脉冲式、相位式和干涉法几种测距方法［3］。

图1 相位测距原理图

传统的光电测距仪需要合作目标(即反射镜)才能获得返回光，而考虑到带钢所处环境的特殊性，也可采用非合作目标，即利用被测物(带钢)自身的反射特性获得返回光。为此本次新的方案中采用的就是相位式测距方法。激光相位测距的原理如图1所示，激光测距仪的发射器发出的调制频率fm的正弦调幅波，发射到被测点P上，在物体表面发生漫反射，其中与发射波同轴(或成一定角度)的反射波被激光测距仪的反射器接受，由于被测距d的存在，发射波与接受波之间产生相位差φm，则被测距离与相位差之间的关系为：

式中c为光速，fm是调制光频率。测出相位角φm，就可计算出被测距离。相位测量采用差频法，如图2所示。

图2 差频原理图

图2中主振信号ed=Asin ωdt，它发射到外光路，经过距离2d后，相位变化了φm，该信号被光电接受放大后，为ems=Bsin(ωdt+φm)，加本地振荡信号e1=Csin ω1t，它分别在混频器Ⅰ、Ⅱ上与ed、ems混频，在混频器Ⅰ的差频信号eτ=Dsin(ωd-ω1)t，在混频器 Ⅱ 的差频信号 ef=Esin[(ωd-ω1)+φm]，混频后得到的差频信号eτ，ef保留原反射信号的相位信息，频率比所加的原信号降低，即差频后得到了低频信号，信号频率越低，相位变化2π需要的时间越长，这样也就便于测量，经差频后的低频信号输入相位检波器进行比较，可测出相位差φm［4］。

2 控制系统的总体设计

2.1 总体设计

根据硅钢厂DA3生产线整个工艺流程的分析，其中的技术关键之处有以下几个方面：首先最重要的是如何能够非常精确的测出带钢与测距仪器之间的距离，当然测量的精确度取决于测量仪器的性能，硅钢厂原采用的是电磁测距的方式，由于受各种因素(如因板厚、材质的差别而形成不同的导磁率)的影响其性能较差，而本文所介绍的系统采用的激光测距仪完全不受这些因素的影响，测量非常精确，而且激光测距仪结构小巧，安装调整方便，实时性也非常高;其次是如何去识别激光测距仪所测到的现场数据信息，该系统采用的德国西门子公司的S7-200PLC系列中的 CPU226，以及其扩展通讯模块EM-277和A/D转换模块EM-235对激光测距仪所采集到的现场数据进行分析和处理;然后利用PROFIBUS现场总线与工控机进行通讯，最后用组态软件WinCC进行现场信号的监控。

根据工艺要求，本系统的电控系统采用以工控机显示工艺流程控制为上位机，可编程控制器(PLC)控制为下位机，激光测距仪、相位传感器等设备为现场控制单元的三级分布式控制系统，如图3所示。上位机为通用的工业控制计算机，主要功能为显示工艺流程、电机等电器的远行状态及控制，显示激光测距仪到带钢之间的距离等模拟量，其数据存入硬盘，设计保存期暂定为一年，供定时及随时打印。下位机采用可编程控制器(PLC)，主要用于实现工艺逻辑控制以及控制算法;并可直接控制电动机。同时通过A/D转换器采集现场采集单元的输入信号。现场采集单元为激光测距仪和相位传感器，主要完成从现场采集模拟信号，变送为标准信号，经过A/D转换，进行数字PID调节运算后，控制各种执行机构。PLC和工控机之间通过现场总线相连。

图3 系统硬件组成框图

2.2 分部模块的设计

2.2.1 激光测距仪的选用和设计

首先是光源的选用，激光器的种类很多，主要以固体激光器、气体激光器和半导体激光器应用最广泛，不同光源在单色性、发散角、输出功率、相干性等主要特性上有差异，根据硅钢厂的实际情况所测量的距离较小，因此选用半导体激光器(GaAs)，它的特点是超小型、质量轻、成本低，且能量转换效率高、寿命长、易于调制。

通过所选用的激光器，利用相位测距的原理对现场数据(带钢到激光测距仪的距离)进行采集，同时该数据经过相位检波器后能够测出相应的相位差φm。利用式(1)即可得到被测距离。激光测距仪设计的优劣直接影响到整个系统性能的优劣。因此，该部分尤为重要，测量是如果采用非合作目标测距，接受光功率将大大降低，为此对接受光功率进行测定，根据非合作目标相位测距的接受光功率表达式为：

式中d为被测距离，ρ为被测表面反射率，θ为测量方向与被测点法线夹角，Aτ为有效接受面积，P1为激光发射功率，M1为调制度，K1为发射系统光学透过率，Kτ为接受系统光学透过率［5］。

由于测量的距离小，忽略空气衰减量，即可计算出反射功率。

2.2.2 PLC部分设计

激光测距仪所测量到的现场数据经过相位检波器后，输出的是相应的模拟电压信号，而计算机所能接受和处理的数据为数字信号，因此，现场信号经过相位检波器后，还要进行模拟量到数字量的转换即A/D转换。

本系统可编程控制器(PLC)选用西门子SIMATIC S7-300通用型PLC，它具有循环周期短、处理速度高、指令集功能强大、产品设计紧凑、模块化结构等显著特点，能适合自动化工程中的各种应用场合。

2.2.3 工控机与PLC接口的设计

本系统中PLC和工控机之间采用的是PROFIBUS总线。采用 S7-300(CPU为315—2DP)作为PROFIBUS一类主站。配有CP5613(PROFIBUS网卡)的PC机作为二类主站，同时作为WinCC服务器，PROFIBUS从站包括变频器 CT(通过UD73PROFIBUS—DP接口与 PROFIBUS相连)，ABB(ACS600S配置有PROFIBUS接口模块NPBNA12)，S7-300(通过 EM277与 PROFIBUS相连)，ET200M(远程坚固式分布 I/O)，触摸屏TP270、以及通过以太网与 WinCC服务器相连的WinCC客户机(上位机)。

主站S7-300(CPU为315—2DP)，它本身具有DP接口可直接与PROFIBUS相连作为一类DP主站，其负责在预定的信息周期内，循环与从站交换信息包括发送控制信息和读取从站的状态，并且通过程序实现对从站的诊断和各种I/O信息的处理。PC Station PC1(插有CP5613PROFIBUS网卡)作为PROFIBUS二类主站及WINCC服务器。在PC中装有 STEP7 Basis，SIMITIC NET，Protool/pro 和 WINCC等软件。通过STEP7 Basis软件，可以实现对PLC程序的编写、下载，对总线上的各站的硬件网络组态，监控，数据诊断，总线参数的设置等。通过WinCC视窗控制中心组态软件对系统画面进行组态，实现对系统的监控和控制。本系统采用PROFIBUS S7协议，并且在SetPG—PC Interface接口选择窗口中选择CP5613_5614(PROFIBUS)＜Active作为PC与总线的接口［6］。

2.2.4 上位监控机的设计

本监控系统采用组态软件WinCC，因为它由专业公司开发，经过正规严格的测试，可靠性高、实时性强、适用范围广、界面设计方便，通过更换不同的驱动程序，可以方便地采用不同厂家生产的硬件设备组成监控系统;同时，WinCC是目前所有组态软件中，在图形及组态功能、数据点管理、网络及通信功能等都比较强大的一种;另外，本系统下位机选用的是S7—300系列 CPU及其编程工具 STEP7，与WinCC同为德国SIEMENS公司的产品，WinCC本身提供S7-300的驱动软件，因此使PLC与上位机的连接可以变得非常容易。