主令控制器在轧钢天车控制系统中的应用

王东凯 WANG Dong-kai；曹然 CAO Ran

（河钢邯钢大型轧钢厂，邯郸 056000）

0 引言

在天车电气设备的位置动作控制中，其多点位置的检测与控制主要是由主令控制器来完成的。目前逐渐推广应用的智能主令控制器以可编程逻辑控制器（PLC）做为主控单元，以程序逻辑代替了机械凸轮的动作，以无触点代替了有触点。智能主令克服了机械主令的各种弊端问题，在现代工业电气自动化控制中得到了广泛的应用。邯钢大型轧钢厂天车控制系统采用ZNLK-16J型主令控制器，用于对天车行走和卷扬位置位移的检测。具有运行可靠、响应速度快、检测与控制精度高、人机界面好、调整方便、抗干扰能力强易于维护等优点，体现出良好的使用性能。本文首先分析了智能主令控制器的工作原理和特点，对其在轧钢天车控制系统中的应用进行了探讨。

1 智能主令控制器的构成、工作原理及关键参数

1.1 智能主令控制器的硬件构成

智能主令控制器是指以可编程逻辑控制器（PLC）做为主控单元的主令装置。其硬件结构比较简单，主要由主控单元、连接电缆、现场变送单元这三个部分组成。其中主控单元由西门子PLCS7-200做为控制核心，并由控制电源、输出继电器、西门子TD200操作面板等部分组成，安装在操作室或是控制室内；连接电缆采用软导体PVC绝缘线外加屏蔽层和PVC护套的电气连接抗干扰软电缆；现场变送单元主要设备为绝对值编码器，通过连接电缆与主控单元连接，组成智能主令控制器。按照结构型式分类，一类是凸轮固定式主令控制器；一类是凸轮可调式主令控制器。凸轮固定式主令控制器的凸轮不了调节，只能根据规定的触头闭合图进行适当的排列组合；而可调式主令控制器的凸轮片上设置有小槽，可根据规定的触头闭合图进行调整。

图1 主令控制器系统运行原理图

1.2 工作原理

智能主令控制器的工作原理与万能转换开关相类似，都是依靠凸轮来控制触头系统的闭合，根据现场传动机构提供的位置信号，通过PLC实现对机械设备位置位移的检测与控制。但是与万能转换开关相比，智能主令控制器属于一种与触点式的位置检测机构，它的触点容量非常大，操作档位也非常多。控制器的结构决定了凸轮的转角，不同形状凸轮的组合可使触头按照一定的顺序动作，而控制线路的要求则决定了凸轮数量的多少。电气机械在移动工作时，受控设备的传动机构会带动智能主令现场变送单元的编码器一起旋转。而编码器在旋转同时，会产生一系列的位置编码。这些位置编码会以电信号的方式由连接电缆将现场位置信号传输至主控单元。然后由主控单元的PLC对这些编码信号进行译码、运算、分析和累加处理，并与操作面板上设定的参数进行比较。然后由PLC根据参数差值在合适的位置给出相应的调整信号，控制电机等设备执行控制指令。控制相关电气设备完成位置、起吊等操作。主令控制器通过编码器旋转产生的位置码检测现场物体位移，同时与操作面板建立通信，将位置码信息显示在操作面板上；而操作面板作为人机对话的窗口，可由人员手动进行参数设定，实现位置设定和报警等功能。从电源控制的角度来看，智能主令控制器的控制对象是二次电路，属于以小电流控制大电流，所以其触头的工作电流并不大。

1.3 关键技术参数

①输入电压：AC85—250V；

②频率范围：47-63Hz；

③输出方式：继电器或者干接点（PLC本体继电器）；

④最大负载电流：2A/点（PLC本体继电器）；

⑤开关延时：不超过0.01s；

⑥电气寿命：平均1000万次，额定负载时不少于10万次；

⑦输出隔离：线圈对接点AC1500V，1min；接点对接点AC1500V，1min；

⑧功率：9W；

⑨输出点数：10点（可扩展）；

⑩输入点数：14点（可扩展），响应时间不超过0.2ms；

⑪记忆功能：EEPROM（写入寿命10万次）；

⑫主控单元到现场编码器单元距离：280m（如主控单元到现场编码器距离较远，可以选用Profibus总线编码器）。

2 智能主令控制器的优势

2.1 运行可靠

相比于传统的机械式主令，智能主令最大的特点之一就是以逻辑程序取代了原有的凸轮机械动作，用无触点控制取代了有触点控制。因此也避免了机械凸轮在长期运行下出现的磨损和机械卡滞等机械故障问题，提高了主令控制器运行的可靠性。

2.2 调整方便

智能主令的参数设置和限位调整全部由人员通过操作面板进行，并且操作面板上的各项参数全部采用数字显示，方便人员操作。通过这种人机对话的方式，既提高了主令控制器的响应速度和控制精度；同时也提高了设备运行中限位调整的适应性和及时性。避免了机械主令因调整精度不够或是调整限位不及时而引起的各种生产事故。

2.3 分辨率高

智能主令的分辨率大小取决于编码器的性能。目前比较流行的编码器其分辨率可达到毫秒级别，运行反馈非常迅速，精度非常高，响应速度可达到微秒级别。可以满足绝大多数工业生产中电气和机械设备的限位控制和精确定位。

2.4 通讯能力强

智能主令控制器主要依靠通讯线缆与电气设备控制系统以及中控室人机对话窗口实现通讯，具有远程通讯的功能。可以较为方便地与自动控制系统PLC建立通信连接。系统通讯可直接在上位机的CRT上显示机械车辆运动过程的全部轨迹。其通讯线路采用耐腐蚀、抗干扰的软导体PVC绝缘线外加屏蔽层和PVC护套的电气连接抗干扰软电缆，保证了通讯的可靠传输，通讯能力强。

2.5 保护功能全

智能主令具有倒转、脱轴、过速等保护功能，可有效避免各类生产事故的发生。

3 智能主令控制器的软件设计思想

由小型PLC和高分辨率编码器构成的智能主令控制器，原有的机械凸轮动作由逻辑程序所替代，可满足许多需要精确多点定位的场合使用。从智能主令控制器的工作原理来看，逻辑程序是其工作运行的关键，在控制器的软件编程中需要解决以下问题：

①编码转换。智能主令控制器使用电信号进行通信传输，保证电信号的稳定传输是主令正常工作的关键。为了提高主令控制器的抗干扰性，编码器选用格雷码输出，而格雷码却不能被PLC所识别。因此需要用软件将格雷码转换为PLC可以识别的二进制码。

②编码器过圈。有些主令控制器采用的是单圈编码器，需要在使用时采用软件检测编码器过圈时的编码变化；并用计数器计圈。多圈的实际位置码数可用编码器分辨率×圈数＋当前码数进行计算。如果主令采用多圈编码器的话，则不存在编码器过圈的问题。

③原点设定。在智能主令控制器的逻辑程序中，原点并不是某一个固定点，而是对应物体整个行程中一个具体的物理位置，是一个参考点。在PLC编码器中，原点编码为“0”。编码中的原点可以是物体在行程中的任意一点，可根据需要设定编码原点。被测体的实际位置对应的编码称为“当前位”。编码设定中，无论是“当前位”，还是其他限位的设定，都是以原点作为参考点的。它反映了以参考点“原点”为坐标下，被测体当前所在位置，即编码数。当“原点”所对应的实际物理位置发生变化时，“当前位”以及其他限位所反映的实际物理位置都会相应地发生变化。

④计算测体位置。相对于“原点”的编码，在PLC的编码中，被测体在整个行程中的任意位置都会一个确定的编码。这些编码按照十进制整数连续排列，都反映了物体当前位置与“原点”位置之间的距离关系，也就是编码中的点数。这种十进制的编码数列用数字的形式具体而准确地反映了物体的实际位置，然后再通过单位换算即可计算出当前位置距离原点位置的精度和米数。测体位置精度计算过程如下：设被测物体当前所处的位置为“0”位，该物体行程终点位置为1000，则整个行程是1000个点。如果被测物体实际位移为40m，则每个点所对应的距离则是40mm。也就是说被测物体从“0”位开始，每增加或是减少一个点，则该物体实际运行位置就会对应地向正向或是反向运行40mm。每个点所对应的距离就是该主令控制器的精度，即40mm/点。

⑤输出限位。被测物体移动到某个点位时，主令控制器会将“当前位”编码与在PLC内部的设定值进行比较。当该比较值达到一定条件时，主令控制器会相应地输出“断开”或是“接通”状态，从而参与系统的连锁控制，起到限位保护的作用。

⑥操作面板TD200编程组态。西门子所提供的编程软件中有TD200的编程向导，通过它可自动生成数据块与PLC建立通信。PLC使用该数据块输出相关控制指令，由人机交互界面控制完成参数设定和显示控制功能。

⑦保护。智能主令设有限位保护功能，以避免因控制器或限位故障而发生一些生产事故。已知被测物体实际速度，可以计算出编码器在PLC每个扫描周期中被测体由位置变化所引起的码数变化量。如果该变化量超过正常值则说明主令控制器出现故障。这时在排除电气设备故障后，则可从编码器处继续查找原因，可能是编码器连接断线或是超速所引起。如果被测体是位能负载，则可根据被测物体码数变化与该物体运动方向指令是否相同，继而检测和判断被测物体传动轴是否与编码器轴脱开，或者是发生溜车。及时检测并发现故障后，主令控制器即会通过限位保护发出报警和停车指令，从而避免事故发生。

4 主令控制器在轧钢天车控制系统中的应用

4.1 轧钢天车的作业特点

在轧钢生产中，天车主要用于吊装运输作业，是轧钢生产的关键设备，伴随钢坯入库到成品装车发运的整个生产流程，其使用是非常频繁的。轧钢天车在作业时需要与其他机械设备、地面人员配合密切，准确动作，才能完成各种吊装运输工作，保证安全吊装和避免事故发生。轧钢天车吊装物件的种类非常多，包括轧机、轧辊、机具、钢件等。而且吊运地点几乎遍布整个厂区，特别是在轧钢原料和成品作业区使用最为频繁。在轧机检修、换辊或者是吊运钢件、处理废钢时，经常会使用到天车。从轧钢天车的使用来说，走行起停、吊装、加减速是其主要的动作内容。因此天车能否正常、稳定、高效运行直接关系到轧钢厂的生产节奏和经济效益，保证天车处于良好的运行状态是轧钢能够生产的必要条件。（图2）

图2 轧钢天车控制原理图

4.2 主令控制器在轧钢天车控制系统中的应用

从天车的作业特点来看，车辆的位移和卷扬起吊是其主要的动作方式。在天车需要走行时，天车操作人员可通过控制面板向天车控制系统发出相应的指令，控制天车行走。同时，智能主令控制器会将天车的位置和位移信号传输给PLC，然后由PLC编码器计算测体位置，准确反映天车的位移情况。天车司机便可通过主令对天车的行走位置和速度进行准确的控制，从而达到指定位置完成吊装作业。同时，智能主令所具有倒转、脱轴、过速、限位等保护功能，也可有效避免各类生产事故的发生。智能主令控制器响应速度快、运行可靠、分辨率高、人机界面友好，可应用于包括轧钢天车在内的所有需要检测位置和位移的场合。可保证天车的准确动作和稳定运行，取得了让人满意的使用效果和显著的经济效益。

5 结束语

本文通过阐述主令控制器系统在轧钢天车中的应用，充分体现现代工业化生产的智能化、信息化。保障了天车运行的效率和安全问道运行，使得操作人员控制精度大大提高，精细化运行，从而提高生产效率。由于本人从事相关工作时间较短，对工主令控制器系统钻研成都有限，论文中难免出现纰漏，望广大同仁予以包含，发现相关论文中出现的问题还望雅正。