镍铁自动化行车控制系统方案.doc

镍铁矿热炉自动化行车控制系统技术方案武汉利德测控技术股份有限公司饶生峰 13720209557目 录1前言32系统控制结构33系统组成结构44格雷母线定位技术85系统安全保障196上位机功能说明216.1系统简介216.2权限管理与登录216.3主菜单226.4行车操作及状态显示236.5行车故障显示246.6行车趋势图246.7生产产量报表256.8料罐车操作及状态显示266.9料罐车故障显示266.10登录报表277现场图片287.1矿热炉平板车格雷母线定位287.2矿热炉炉顶自动化行车格雷母线定位281 前言 格雷母线技术是利德公司具有自主知识产权的专利技术，已成功应用于港口、钢铁、铁路等众多领域，具有非接触、检测精度高、寿命长等特点，定位精度可达5mm。 行车控制系统采用全自动的工作方式，无论上料、下料、到位都由系统自动，完成，运行过程中无需人为干入，只需在初始步时，操作人员正确选择现场状态，如加入哪个料仓、再按下自动启动即可。2 系统控制结构图 1系统控制结构图行车的三种控制方式选择在行车司机室进行，在进行控制方式切换时，行车的任何机构动作的动作停止。只有选择为“自动”时，才能进行自动运行控制，该控制方式在上位机上进行。当行车上选择“自动”时，上位机可以选择“远程自动”和“远程手动”两种方式。a) 远程自动时，当行车满足自动运行条件，可以在上微机启动自动运行，这时行车将自动进行取料、加料、放空罐等循环动作。b) 远程手动时，用户可以输入一个坐标，行车自动走行至该处；也可以对各机构手动选择速度和走行方向来控制。c) 行车和料罐车间的动作通过通讯来协调，实现自动取料罐和放空料罐的动作。 d)行车出现紧急情况时，可以在上微机上按下急停按钮来紧急停车。为防止自动时设备失控，自动控制系统对通讯状态进行实时监视，一旦通讯异常，则行车和自动控制系统的PLC均会自动紧急停车，确保系统运行的安全。 e)增加第三套行车控制系统实现1/2号行车的备份，当1/2号行车故障时，通过手动切换可以替代该行车。3 系统组成结构 系统主要是对行车实施自动控制。以提高工作效率和工作质量。图 2控制系统组成结构图从部件所处的控制层级来分:可分为中控级、现场级部件。中控级部件:上位机、光纤交换机、中控PLC、无线网桥等系统组成，实现自动/手动操作，自动操作的初始化选择等。现场级部件:主要有PLC、光纤交换机、RS485通讯模块、变频器、振荡台、地址解码器、天线箱、格雷母线、AD转换模块、称量机构、车检地址解码器、天线箱、格雷母线、车检振荡台等；其中地检格雷母线安装在现场行车小车一侧，天线箱安装在小车上，车检格雷母线安装在现场行车大车一滑线侧，天线箱安装在大车上，除大车车检格雷母线振荡台安装在中控制室，其他设备安装在行车电气室的电气柜里。现场站又可以分为电源部分、地址检测部分和控制部分。电源部分：l 隔离变压器:将380V电压变成220V电压,起电压隔离作用。l 24V开关电源:将220V电压变成24V直流电压,为需要24V电压的部件供电。地址检测部分：l 震荡台:产生39Khz的正弦波交流信号送到天线箱。其输出信号峰峰值一般为5-8V。不的随意改变其输出值的大小。l 天线箱:将震荡台送来的39Khz的正弦波交流信号滤波放大,变成电磁场信号。l 格雷母线:接收天线箱发射的电磁场信号,将其变为50-200mv的交流电压送到地址解码器解析出地址。 l 地址接口板:转换物理接线方式,把格雷母线通过接线端子送来的模拟信号再通过排线送到地址解码器。l 地址解码器:对输入的模拟信号滤波、放大处理后得到小吊的物理地址。同时接收AD模块通过串口送来的重量值，再将地址和重量通过另一串口主动送到PLC中。重量检测部分：l 重量传感器：将所承受的重量转换为电流输出通过无线方式传输到PLC的RS232模块。控制部分:l PLC：运行程序，采集地址、重量信息、平车状态数据，综合处理后送地址、重量、各种状态信息给中控室上位机，同时输出相关控制方向，速度到变频器，控制平移电机动作。行车控制1）、车载柜2、地面柜（中控室内）4 格雷母线定位技术基于格雷母线的位置检测有两种方式：地上检测方式和车上检测方式，两种检测方式格雷母线的结构基本一样。本系统采用地上检测方式。1.格雷母线的结构 图 3格雷母线外形图针对工业生产上的大型移动机车的自动化而采用的格雷母线是一种结构独特的非屏蔽电缆，它是地址检测的最重要的部件。 轨间电缆可采用很多种布线方式，如使格雷母线每隔一定距离相交叉，形成交叉感应回线，如图2所示。图中的L1和L2分别是线圈的长和宽。 图 4交叉格雷母线的位置测试 图5是1对L线，5对G线，1对R线的实用电缆平铺图，格雷母线的外侧是二根起保护作用的钢缆，钢缆内侧有多根导线绞合在一起，每根导线均为交叉形式，G0、G1、G2、G3、G4对线交叉间隔为100、200、 400、800、160Omm，而宽度相同均为100mm，根据功能区分可分为通信线(L)，地址线(G)，地址基准线(R)三种，如果将这些对线平铺，可以得到图3所示的电缆结构平铺图。在实际使用上，为了避免在同一位置上同时存在着多个交叉点，所以在电缆的编制上均是采用格雷码的编码方式。图 5格雷母线对线平铺图图 6无线感应地址测试原理图2.地面位置检测原理如图7所示，机车上的天线由多匝导线绕制而成，长为100 mm，宽为10O mm。格雷母线沿机车轨道平铺，安放在机车上的天线尽可能在格雷母线的水平正上方。当电缆的天线在格雷母线G0对线第1号位置发射信号或发射载波时，在电缆的始端，R端与G2端收到的信号相位相同，而由于G0与G1对线端口与发射位之间存在着奇次交叉，所以，R端与G0端G1端收到的信号相位相反。电缆端口的信号分别经过地上局的带通滤波后，各路G线信号分别与R线信号进行比较鉴相，同相为0，反相为1，此时，实际上已经得到一个三位的格雷码011，对应十进制数为3。 图 7地面测试地址示意图3.精密地址检测原理不管是地面位置测试方法，还是车上位置测试方法，其定位精度为天线纵向长度，也即G0对线交叉点的距离。为了提高机车位置测量精度而进一步缩小交叉点间的距离，势必会使天线与电缆之间收到的信号的幅度减小而难以检测，所以必须另外采取方法来进行精密地址检测。 图8是精密定位检测的示意图。随着天线的移动，天线或电缆收到的信号的电压幅度U0呈三角波形状，这电压幅度相对反映了天线的精密位置。但是，由于天线离电缆的距离和天线发射信号的幅度，本身是不稳定的，所以以上的方法并不能准确测试精密地址。为此，引进了另一对与G0错开交叉的对线L0，此对线中产生的电压幅度的三角波曲线也正好与G0对线产生的电压幅度的锯齿波曲线错开，这二根曲线随着天线离电缆的远近和发射信号的大小同时涨落，所以它们之间的比值U0/u0是稳定的，那么我们可以用这个值来计算出精密地址的值来，理论上可以获得任意高的定位精度。由于天线没有抗干扰能力，它发射信号时伴随噪声的发射，格雷母线地址对线获得有用信号时也不能抑制噪声，比值U0/u0与相应的位置关系也就不准，这样就不可能获得很高的定位精度，必须对比值U0/u0与相应的位置关系采用数字化以提高定位的抗干扰能力。目前可以用这种方法稳定地将最小的交叉地址间隔(一般为100 mm)分为20份，即可达到 5 mm的定位精度。图 8 电压模拟量变化与精密地址的关系4.格雷母线位置检测方式的特点通过安装在移动机车上的天线箱与敷设在地上的格雷母线之间的电磁耦合来检测移动机车的位置，无机械性接触磨损，因而可高速准确地检测和传送位置信息；由于格雷母线为多对以一定规律交叉扭绞结构，能有效地抑制外部散杂电平的干扰；由于是利用各对地址线接收到的信号的相位和基准线接收到的信号的相位相比较，以同相为“0”，反相为“1”进行组合而得到的地址信息，所以地址稳定，不受电平波动的影响；能在移动机车行走范围内连续地、高精度地检测绝对地。选择那一种地址检测工作方式要根据控制系统的需求来考虑决定。如果控制系统的重心在移动站上，则采用车上检测方式较好；如果控制系统的重心在固定站，则采用地上检测方式较合适。5.地上检测系统的构成主要由地址编码发生器、天线箱、格雷母线、位置检测单元、PLC模块等部分组成。主要完成地址编码信号的发射以及位置的检测，并将位置信息输送到用户的PLC中。主要技术指标、地址分辨率：5mm、数据输出接口： RS232转Modbus Plus、发振调制频率：地址检测系统39Khz。、地面站功耗：100W、车载站功耗：100W、天线箱和母线间的距离60-200mm可调图 9地上检测示意图地址解码器面板显示说明图 10检测单元面板PWR:亮系统电源正常S01：闪烁系统正常运行S02：亮来自天线箱的信号过小S04：亮接口单元（继电器输出单元）刷新指示S05：亮串行通信口0的接收指示S06：亮串行通信口0的发送指示S07：亮串行通信口1的接收指示S08：亮串行通信口1的发送指示A01-A15：亮地址检测的格雷码指示。A01为高位，A15为低位数码指示高四位的单位为米，低三位的单位为毫米6、车上检测方式(1)车上检测方式的特点是： 编码电缆为信号“发射天线”，车上安装有地址“接收天线”； 地址检测单元在车上，各车直接得到本车的地址； 各车的地址分别通过通信送到地面站，地面站再通过通信“告诉”其他车。 (2)车上检测原理及框图车上检测原理及框图如图6、7所示。编码电缆始端箱终端箱天线箱地址检测单元阻抗配单元功率放大器地址编码发生器 图6 车上位置检测原理框图7、编码电缆位置检测方式的特点（1）由于通过安装在移动机车上的天线箱与敷设在地上的编码电缆之间的电磁耦合来检测移动机车的位置，所以无机械性接触磨损，因而可高速准确地检测和传送位置信息；（2）由于编码电缆为多对以一定规律交叉扭绞结构，能有效地抑制外部散杂电平的干扰；（3）由于是利用各对地址线接收到的信号的相位和基准线接收到的信号的相位相比较，以同相为“0”，反相为“1”进行组合而得到的地址信息，所以地址稳定，不受电平波动的影响；（4）能在移动机车行走范围内连续地、高精度地检测绝对地址。选择那一种地址检测工作方式要根据控制系统的需求来考虑决定。如果控制系统的重心在移动站上，则采用车上检测方式较好；如果控制系统的重心在固定站，则采用地上检测方式较合适。本系统采用了车上检测和地上检测两种检测方式。图7 车上位置检测方式原理示意图8、车上检测系统的构成如图6所示，系统由地面站和车载站组成 （1）、地面站：由编码电缆、终端箱、地面发振装置等部分组成。如图8所示。 地面站主要完成如下任务：地址编码、功率放大，信号发射。图8 地面站原理框图（2）、车载站：主要由地址检测单元、天线箱等部分组成。如图9所示。车载站主要完成地址编码信号的接收和解调（地址检测）。图9 车载站原理框图9、车上检测主要技术指标1、地址分辨率：5mm2、数据输出接口：RS2323、工作频率：50.000Khz.4、车载站功耗：100W10、车上检测地址检测单元面板显示说明图10 地址检测单元面板图如图10所POW为电源指示灯，亮说明系统供电正常，灭说明系统供电不正常。RUN为系统运行指示灯，它不断闪烁说明系统工作正常，否则系统已经停止运行。ERR为出错指示灯，如果它亮，则说明有一天线箱工作不正常。RX0和TX0为串口通讯指示灯,RX0闪烁说明通讯接收正常,TX0闪烁说明通讯发送正常。G15至G0为格雷码地址显示指示灯，亮说明该位为1，灭为0。数码管显示当前位置，单位为m，如9.235m。P2为RS232/RS485通讯端口。P5为天线箱信号输入接口，IN1+和IN1-为一对天线输入，IN2+和IN2-为一对天线输入。P6为系统24V供电接口，+24V接到端子的+24V，电源地接到GND。11格雷母线维护注意事项故障1、本手册仅适用于各部件配置如下的系统：地址检测单元采用数码显示地址检测单元具有通讯协议转换模块2、本系统所有部件的设定参数不得任意更改或调整，这样有可能致使系统运行异常甚至瘫痪；系统在运行或维修时对部件间的连接电缆不要带电插拨，带电插拨可能损坏某些元器件。3、各类系统设置文件不许更改，以防止系统环境发生变化。4、设备地线要可靠接地防止干扰信号的窜入。12格雷母线故障处理本系统标准化程度高，具有高可靠性；结构简单，地址检测和数据通信彻底分开，技术思路清楚，便于维护。（1）地址检测保证地址检测系统可靠、无故障运行是此系统的基础。由于地址检测系统各功能部件安装位置、所处环境不同，其出现故障的可能性也不同，在系统出现异常时，为了迅速定位、排除故障，应遵循以下原则：故障查找顺序为车载部件>电气室部件>格雷母线部件；优先使用交换法定位故障，利用订购的备件或备用设备上相同型号的部件对可能的故障部件替换，不要轻易对部件进行拆御或对设定值进行调节。故障现象1：检测不到平车地址，平车在轨道上行走，但此时相应地址解码的格雷码LED指示灯不亮，LCD上显示地址为乱码。系统断电重启后查看故障是否消除。先查看天线箱是否被碰掉或者歪斜、连至天线箱的电缆是否被挂断打开分站控制柜，用万用表测量地址信号发生单元(振荡台)输出端电压，正常情况下有效值为4-10V，出厂设置为6-7V；用万用表或示波器查看匹配放大单元各G线上的输出，随着机车移动，正常情况下，G线上信号的峰峰值在 0-3V左右变化拨下匹配放大单元输入电缆，用万用表测量R线、L线和各G对线的电阻值应为20-60左右，检查R、L、G对线是否短路、断路在上步测量明确电缆部分存在故障时，查看电缆是否损坏、段间箱或始端箱的连接异常故障现象2：地址解码模块上地址显示正常，但触摸屏中无法显示正常数据。此种故障出现时一般有以下几种情况：（1）地址解码模块到PLC之间的硬线路由发生断路故障，请检查地址板到PLC的232通讯线是否正确，以及周边电缆的连接状况。检查控制柜当中PLC以及主站PLC运行灯是否正常。（2）协议转换模块供电发生异常或模块损坏，查看协议转换模块面板上的电源指示灯是否正常，通讯灯是否正常闪烁。故障现象3：平车自动运行当中，和其他平车不同步并在某些不固定位置左右摇摆不定。（1） 检查天线箱是否歪斜，不正对格雷母线。如歪斜请重新安装天线箱，检查格雷母线是否有划伤及没拉紧现象。检查电控柜当中格雷母线接线板上的各个接线是否松动。（2） 替换法更换电控柜当中的地址板以及震荡台。 5 系统安全保障为了防止人为操作失误和系统设备出现故障引起人身伤亡、设备损坏事故，本系统添加了一些安全保障急停报警功能。注意：本系统不能消除和杜绝所有的安全隐患！序号故障名称说明处理方法1变频故障变频器发生了故障根据故障代码处理好外部故障,按下故障复位按扭,如不能恢复,到现场断开变频器供电开关,1分钟后再合上,2电机热保护故障电机热继断开检查电机及热继3走行故障平车运行过程中在同一个位置停车过长时间行车机构打滑,电机不动作或格雷母线系统造成地址故障4急停故障HMI急停按扭按下、PLC之间及PLC与上位机之间通讯超时1. 处理完突发情况后,解除急停2. 检查网线连接、设备供电。3. 检查无线网桥、交换机和POE的工作状态是否正常5料罐仪表通讯故障PLC与料罐称重仪表RS485通讯超时检查PLC通讯模块、相应称重仪表工作状态6行车位置调整故障行车与目标位置对中失败检查行车相应机构制动器及电气回路7行车上限位报警行车上限位动作1. 检查上限位是否工作异常2. 绝对值编码器工作是否异常8上位机与主控PLC之间通讯故障上位机与主控PLC之间通讯超时检查上位机和主控PLC的网线和水晶头是否完好，水晶头是否正常插入通讯口，上位机网卡是否异常，光纤交换机是否工作异常。9主控PLC与行车PLC之间通讯故障主控PLC与行车PLC之间通讯超时检查主控PLC与行车PLC的网线和水晶头是否完好，水晶头是否正常插入通讯口，各通讯模块和通讯口是否异常，无线网桥供电和工作情况是否异常，光纤交换机是否工作异常，光纤和光纤跳线是否完好。10主控PLC与平车PLC之间通讯故障主控PLC与平车PLC之间通讯超时检查主控PLC与平车PLC的网线和水晶头是否完好，水晶头是否正常插入通讯口，各通讯模块和通讯口是否异常，光纤交换机是否工作异常，光纤和光纤跳线是否完好。 备注：上述安全功能只有在设备正常工作时才起作用，如果设备不正常，可能会出现错误急停和报警现象。在操作本系统过程当中除满足以上安全保护外，还必须严格遵守起重行业安全操作规范。6 上位机功能说明6.1 系统简介本系统的主要功能是对行车进行自动控制，实现自动抓取料罐、自动加料、自动放回空罐这一循环生产过程。该自动控制系统的所有操作都在上位机画面上进行，整个生产过程可在上位机实时监控。该系统的控制方式分为HMI手动和自动两种方式。上位机画面上主要有以下功能：行车位置显示（X、Y、Z三个方向）、12个料罐重量显示、行车的自动和手动操作、急停和故障复位、故障查询、使用人员管理与登录报表、生产报表、料罐坐标设置。 6.2 权限管理与登录配置用户：有管理权限的人员可以添加和删除授权使用的操作员、技术员等用 户，并可设置各用户的初始密码。密码修改：当前登录人员修改自己的登录密码注销：当前登录人员退出登录状态用户登录：使用人员登录监控系统6.3 主菜单主菜单主要用于监控画面的选择新增的第三套行车系统增加了通讯切换功能：与1#平车通讯：按下本按扭时中间的行车取代1#行车工作。（柜本面板上旋扭选择打到左边）与2#平车通讯：按下本按扭时中间的行车取代2#行车工作。（柜本面板上旋扭选择打到右边）取消与平车通讯：按下本按扭时取消上两个操作。恢复原系统工作状态。（柜本面板上旋扭选择打到中间位）用1号窑加2号罐区：按下本按扭可以用中间行车从1号窑区将料提到2#区，用本功能时要确认2#区行车处于安全不干涉位。用2号窑加1号罐区：按下本按扭可以用中间行车从2号窑区将料提到2#区，用本功能时要确认1#区行车处于安全不干涉位。取消跨区操作：按下本按扭时取消上两个操作。恢复原系统工作状态。6.4 行车操作及状态显示4.1料罐监控该画面的主要内容为12个料罐的坐标和实时重量显示，各料罐的使用情况。增加第三套行车后料罐坐标根据外部选择而发生变化：1）、与1#平车通讯时显示1#罐区12个罐坐标。2）、与2#平车通讯时显示2#罐区12个罐坐标。3）、用1号窑加2号罐区时显示2#罐区12个罐坐标。4）、用2号窑加1号罐区时显示1#罐区12个罐坐标。4.2行车控制 “遥控”、“空操”和“自动”用于指示行车当前的工作状态选择情况。只有在行车司机室选择“自动”时，才可以在画面上对行车进行远程控制，远程控制分为远程手动和自动。 主电源控制：主要用于在“自动”方式时，对行车的主回路合闸。限位：用于指示行车各机构的限位动作情况。6.5 行车故障显示该画面主要显示行车的报警信息。点击“行车历史报警”可以查看以前的报警记录，并可打印该记录。6.6 行车趋势图趋势图画面主要显示行车的位置和重量的适时与历史曲线图。6.7 生产产量报表生产报表画面用于选择查看平车和电动平车的年、月、日生产报表。下面以行车的日报表举例说明。 该表格显示的是行车一个班组的加料情况，包括每次加料的时间和重量。该表格自动根据上位机时间来区分班组，每个班组记录8小时的数据，每条记录均是自动生成。用户也可以通过画面上的“设置打印时间”按钮来手动设置报表显示区间。“打印”按钮用于打印该页报表。年报表和月报表与此类似。6.8 料罐车操作及状态显示该画面显示的是电动平车的工作状态，主要包括料罐的重量、平车的位置，锁紧装置的状态，操作按钮主要用于对料罐车上的罐子有无和是否有料情况进行初始化确认操作、自动运行操作、锁紧装置的远程操作、料罐车半自动运行操作、急停操作等。这些操作只在电动平车操作面板选择“远程”时有效。6.9 料罐车故障显示 与行车的故障显示类似，该画面显示的电动平车部分的故障报警记录。料罐车趋势图 该画面主要显示电动平车的称重信号曲线，包括实时和历史两部分。6.10 登录报表 该报表主要记录所有被授权的使用人员登录和注销的情况。7 现场图片7.1 矿热炉平板车格雷母线定位7.2 矿热炉炉顶自动化行车格雷母线定位