专利名称：干熄焦提升机无人化控制设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及干熄焦提升机无人化控制设备。
背景技术：
干熄焦提升机是钢铁企业的生产用基础设备，位于钢铁产品生产链的前端，属于重要生产设备，该设备技术要求高、可靠性要求更高，并且是全自动无人作业设备，在国内该设备基本依赖进口，并且多数设备已经服役十几年甚至几十年，基本处于故障率高，备件短缺，维护成本居高不下的状态。在目前钢铁产业普遍疲软的情况下，这种状态无疑是雪上加霜。在国内几大钢厂中，目前使用的干熄焦提升机电控系统都是国外技术，由于当时国内技术落后，相关技术领域基本空白，所以只能采用进口技术和设备。经过当初的技术可能是世界领先的，但随着技术的进步，这些技术明显已经落后，并且当初采用的电气元件基本已经停产，现在无论是维修还是备件采购都十分困难。目前国内相关行业制造商已经积累了多年的经验，技术已经趋于成熟，同时在国家大力倡导自主技术、节能减排的形式下，所以研制一套拥有自主知识产权的干熄焦提升机无人化控制设备已经迫在眉睫。
实用新型内容为解决上述问题，本实用新型提供一种有效地解决方案，实现干熄焦提升机无人化控制设备，将干熄焦提升机无人化控制设备完全国产化，核心技术完全自主研制。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:该干熄焦提升机无人化控制设备包括起升变频器、走行变频器、机上PLC、操作台PLC、HM1、起升位置编码器、走行位置编码器、中控室通讯模块和自动化控制模块通过数据通讯总线相连；自动化控制模块由总线接口电路、总线解码电路、电源电路、存储器电路、看门狗电路、CPU电路构成；总线接口电路、总线解码电路、电源电路、存储器电路、看门狗电路均连接到CPU电路，一起构成一个独立模块；起升电动机与起升变频器相连；起升速度编码器也起升变频器相连；起升电动机与起升速度编码器同轴连接；走行电动机与走行变频器相连；走行速度编码器与走行变频器相连；走行电动机与走行速度编码器同轴连接。经过多方考证，在国内各大钢厂进行了解，汇总出干熄焦提升机的基本工作流程如下:1.电机车运行到位后向中控室发出到位信号。2.中控室根据该信号控制牵弓I车牵弓I焦罐到提升机下方。3.然后中控室向提升机发出取罐信号4.提升机在得到取罐信号后控制起升机构起升，由于起升夹具的机械结构的特殊性，在起升过程中会自动夹取焦罐5.提升机起升到上升极限后停止6.然后提升机向中控室发生请求信号[0013]7.中控室在接收到提升机的信号之后发出目标焦炉位置信号和走行指令。8.提升机在接收到中控室的目标位置信号和走行信号之后控制走行机构向目标焦炉位置前进。9.到达目标位置之后提升机下降。10.提升机下降到目标焦炉上方。11.然后由于焦罐的机械结构的特殊性，或由于焦罐的自重将焦罐底门打，焦炭落入焦炉。12.然后提升机自动上升。13.提升机到达上升极限后停止。14.然后同时控制走行机构返回到原始位置。15.然后提升机控制起升机构下降。16.下降到起升原始位置之后，进入等待状态，并向中控室发出流程结束信号。根据上述工艺流程，并结合起重机的控制工艺，研制出本实用新型。由于提升机本体还是属于起重机范畴，所以本实用新型是在起重机的控制系统中增加自动化控制模块来实现。上述工艺中电机车和牵引车虽然是流程中的环节，但却是与提升机没有直接关联，这两个设备是由中控室控制的，所以本实用新型也不包含这两部分设备。本实用新型的主要内容是通过起升变频器控制起升电动机运转实现提升机的升降功能，同时通过起升电动机的同轴编码器将起升电动机的转速反馈到起升变频器，构成速度闭环，保证起升机构的速度更加可靠稳定，并且在任意速度下都可以发出满力矩，保证载荷不会出现下滑现象。另外通过走行变频器控制走行电动机实现提升机的水平移动功能，通用也通过走行电动机的同轴编码器实现走行机构的速度闭环控制。起升机构和走行机构的变频器通过机上PLC进行控制。同时在起升机构和走行机构上均安装位置检测编码器用于检测各个机构的实时位置，以便实现自动定位功能。中控室的信号通过通讯模块连接到提升机，这样提升机就可以向中控室发出信号和接收中控室的信号了。驾驶室的操作指令是通过驾驶室PLC接收后发送到机上PLC的。而自动化就是通过自动化模块来实现的。自动化模块与变频器、位置编码器机上PLC、驾驶室PLC、HMI以及中控室通讯模块都连接在一条数据通讯总线上的，这样自动化模块就可以全局掌控提升机的所有设备，所以可以根据中控室的指令，提升机的位置等等信息控制提升机按照既定的工艺流程运行。自动化模块为本实用新型的核心部件，将负责整个提升机自动化运行数据的计算和流程地控制。自动化模块主要由总线处理单元、CPU单元、存储器单元三部分构成，总线处理单元又包括总线接口电路和总线数据编解码电路，负责CPU和总线数据的交换。存储器单元负责对CPU的临时数据的存储和对工艺流程数据的存储。CPU单元是自动化模块的核心，负责所有数据地计算和处理，同时也负责工艺流程的实现，协调外围的总线单元和存储器单元的工作。本实用新型的有益效果是实现了干熄焦提升机无人化控制技术的国产化，填补国内相应领域的技术空白，减少了起重机操控人员，降低了人员成本和人身伤亡的事故率，提高了生产效率也同时降低干熄焦提升机相关设备的制造成本和备件采购成本。
[0027]图1是本实用新型的系统结构示意图。图2是本实用新型自动化模块的结构图。图3是本实用新型的ProfiBus-DP总线接口电路图。图4是本实用新型的ProfiBus-DP总线解码的电路图。图5是本实用新型的CPU电路图。图6是本实用新型的存储器电路图。图7是本实用新型的看门狗电路图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本实用新型的具体实施例。
实施例:1.系统构成整机电控系统结构图如图1所示，本实用新型主体仍然是一台起重机，只不过比普通起重机少了一个走行机构，只是在自动化方面技术含量很高，所以图1所示只是涉及本实用新型核心部分的简图，实际设计仍然需要按照起重机常规标准设计，只是将涉及自动化部分按照图1简图设计即可，而起重机设计已经有相关标准所以本实用新型不再涉及这些内容。如图1所示，本实用新型主要分为三个回路，一是主回路，二是控制电源回路，三是通讯回路。主回路由断路器Q0、主接触器K0、起升断路器Q10、起升变频器U1、起升电动机M01、走行断路器Q11、走行变频器U2、走行电动机M02构成。实现提升机的二维运行。控制电源回路主要由控制电源断路器Q1、控制变压器T11、控制电源自动开关F31、24V电源P1、机上PLC电源开关F32、操作台PLC电源开关F33构成。而通讯回路为本实用新型的核心，自动化的实现和自动化的数据传递都将通过通讯回路实现。通讯回路主要由起升变频器U1、走行变频器U2、机上PLC、操作台PLC、HM1、自动化控制模块，起升位置编码器B03、走行位置编码器B04构成、中控室通讯模块U7构成，其中由于机上PLC和操作台PLC通常相距很远，所以在通讯回路中增加了光电模块U4和U5将机上PLC和操作台PLC通过光纤通讯回路进行连接，避免因为通讯回路过长导致干扰和信号衰减。本实用新型的核心部件集中在通讯回路，而自动化工艺的实现由自动化模块来完成，采用这种方案主要的优势在于实现了提升机自动化的模块化设计，因为提升机主体仍然是起重机范畴仍然需要安装起重机的工艺标准设计，所以在去掉自动化模块和中控室通讯模块后，剩余的部件仍然构成一个完整的起重机工作系统，所以在本实用新型中将这个提升机剩余起重机范畴的部件独立设计仍然构成一个完整的起重机系统，然后将自动化模块和中控室通讯模块融合到其通讯回路中来实现提升机的自动化，这样在不对传统起重机进行大范围的设计变动的情况下实现提升机的自动化设计，不需要重新对起重机进行大范围设计，从而大量节省了设计工作量，同时也降低了设计难度和设计成本，提高了整体的可靠性。而自动化控制模块由于只需要关注自动化的工艺流程和数据处理工作，而对然后具体实现提升机的各个机构的控制和保护工作的实现却不需要关心，因为这部分属于传统起重机范畴已经有成熟的技术，由机上PLC去实现了。自动化控制模块是本实用新型的核心部件，负责自动化工艺的实现，其结构图见图2。自动化控制模块主要由电源电路、总线接口电路、总线解码电路、存储器电路、看门狗电路、CPU电路构成。由于采用了总线结构属于自动化模块的设计也就简单了，不需要复杂的输入输出接口 了。其中电源电路为整个模块各部分提供电源，总线接口电路由光电隔离和RS485转换两部分构成，主要负责将本实用新型进接入到提升机的总线系统中，提升机总线中的数据通过该接口与本实用新型进行数据交换。光电隔离用于将提升机的总线和本实用新型的总线进行电气隔离防止电气干扰和电平的不匹配，同时也完成RS485和后面的RS232电路的转换。本实例的数据总线采用ProfiBus-DP总线，Prof iBus_DP总线实际上也是RS485协议总线，所以RS485电路就是负责将光电隔离后的信号进行RS485转换接入到提升机的ProfiBus-DP总线上。总线解码电路包括SPC3电路和RS232电路，RS232电路负责将光电隔离电路输出的RS232信号进行转换送到SPC3电路。SPC3电路负责将RS232电路的数据进行解码后传递到CPU电路，也将CPU电路输出的数据进行编码，使其符合ProfiBus-DP总线要求。存储器电路负责存储CPU的临时数据和工艺流程数据，看门狗电路负责对CPU的工作情况进行实时监控，保证CPU —直处于良好的工作状态。2.自动化控制模块详细说明图3是本实用新型的Prof iBus-DP总线接口电路图，图4是本实用新型的ProfiBus-DP总线解码的电路图。ProfiBus-DP 总线接口 主要由 RS485 芯片 65ALS1176，高速光耦 U23、U24、U25 完成，高速光耦的型号是6N317。高速光耦即负责将后面的RS485电路也本实用新型进行电气隔离同时也负责完成将RS485的电路信号转换为RS232信号供SPC3电路使用。SPC3电路以SPC3芯片为核心完成RS232电路的信号解码和CPU电路的信号编码工作，完成数据从CPU到总线的双向转换。SPC3是西门子公司的ProfiBus-DP协议专用编解码芯片，为开发ProfiBus-DP总线提供必要的硬件支持，同时也简化和繁杂的软件编写工作，节省了 CPU的占用率，使CPU可以将精力大部分放在工艺流程的实现上。图4是本实用新型的CPU电路，由于本实用新型要求快速的对速度进行响应和计算，所以要采用高速的CPU做为中央处理器，本实例采用高速STM32芯片完成，STM32属于ARM7系列CPU，由ST公司研制，以高速、稳定、低功耗著称。本实用新型选择的CPU型号为STM32F103C8T7，具有128k的程序ROM，20K的RAM，4个定时器，16路PWM以及37路IO接口，72M的工作频率，可以在_40°C 105°C下工作，完全满足工业应用的要求，同时该CPU还具有USB2.0，IIC总线等等功能，只是本实用新型用不到。CPU电路负责对本实用新型的各部分电路的数据进行采集计算和指令输出以及工业流程的实现。由于计算量比较大，需要对很多数据进行处理，所以该CPU的存储器空间就有点不够了，为保证可靠性，所以本实用新型增加了存储器电路，见图6，本实用新型采用了HM62812-70PC静态存储器，该存储器具有128k的存储空间，完全可以满足本实用新型的数据运算要求了。图7是本实用新型的看门狗电路，虽然本实用新型采用的CPU具有高稳定性，但现场环境恶劣，所以为保证在任何情况下，CPU都能稳定工作，所以增加了看门狗电路，本实用新型草原了頂813L作为看门狗电路的芯片，该芯片具有温度，电压，CPU信号监视等多项功能，完全可以保证CPU的可靠工作。3.工作原理本实用新型的工作原理如下:I)中控室通过通讯模块向提升机发出取罐信号，自动化模块在读取到该信号之后比较提升机的位置信息，在条件满足之后向机上CPU发出提升机起升的指令。2)机上CPU在得到自动化模块的起升指令之后，进行保护条件判断，在条件满足之后向起升变频器发出起升指令，起升变频器控制起升电动机执行起升动作。3)提升机起升到上升极限后，机上CPU取消对起升变频器的起升指令，从而起升停止。之后机上PLC向自动化模块发出起升完毕信号。4)自动化模块在接收到机上PLC的起升完毕信号之后向中控室通讯模块发出请求下一步指令的信号。5)中控室在接收到请求下一步指令信号之后发出目标焦炉位置信号和走行指令。6)自动化模块在接收到中控室的目标位置信号和走行信号之后，进行走行位置判断，在满足条件之后向机上PLC发出走行向目标焦炉位置前进的信号。7)机上PLC在卷上到走行控制信号后再进行一系列走行保护逻辑的判断，在满足条件之后向走行变频器发出控制指令，走行变频器在该指令控制下控制走行电动机运行，从而提升机向目标炉方向运行。8)在提升机向目标炉运行过程中机上PLC和自动化模块都在实时检测提升机的位置和保护状态，保证提升机的安全运行。自动化模块在检测到提升机到达目标位置之后向机上PLC发出挑战指令，机上PLC控制提升机走行停止，自动化模块检测到提升机停止之后向机上PLC发出提升机下降指令。9)机上PLC在接收到该指令之后控制起升变频器进行提升机下降动作。10)在提升机下降过程中自动化模块检测提升机的起升位置和焦炉限位的状态，当焦罐到达焦炉顶的时候，自动化模块通过机上PLC控制起升机构停止运行。11)在提升机停止之后，自动化模块通过中控室的通讯模块检测焦罐的装焦情况，在确认装焦结束之后通过机上PLC控制起升变频器执行起升动作。12)同样提升机到达上升极限后，自动化模块通过机上PLC控制提升机停止。13)然后自动化模块再通过机上PLC控制走行机构返回到原始位置。14)然后自动化模块通过机上PLC控制起升机构下降到起升原始位置。15)下降到起升原始位置之后，自动化模块进入等待状态，并向中控室发出流程结束信号。4.软件编制依据上述控制工艺控制流程和通讯协议编制本实用新型的自动化控制模块的程序和机上PLC的程序，实现干熄焦提升机无人化控制设备功能。
权利要求1.一种干熄焦提升机无人化控制设备，其特征在于:该干熄焦提升机无人化控制设备包括起升变频器、走行变频器、机上PLC、操作台PLC、HM1、起升位置编码器、走行位置编码器、中控室通讯模块和自动化控制模块通过数据通讯总线相连；自动化控制模块由总线接口电路、总线解码电路、电源电路、存储器电路、看门狗电路、CPU电路构成；总线接口电路、总线解码电路、电源电路、存储器电路、看门狗电路均连接到CPU电路，一起构成一个独立模块；起升电动机与起升变频器相连；起升速度编码器也起升变频器相连；起升电动机与起升速度编码器同轴连接；走行电动机与走行变频器相连；走行速度编码器与走行变频器相连；走行电动机与走行速度编码器同轴连接。
专利摘要一种干熄焦提升机无人化控制设备，包括起升变频器、走行变频器、机上PLC、操作台PLC、HMI、起升位置编码器、走行位置编码器、中控室通讯模块和自动化控制模块通过数据通讯总线相连；自动化控制模块由总线接口电路、总线解码电路、电源电路、存储器电路、看门狗电路、CPU电路构成一个独立模块；起升电动机与起升变频器相连；起升速度编码器也起升变频器相连；起升电动机与起升速度编码器同轴连接；走行电动机与走行变频器相连；走行速度编码器与走行变频器相连；走行电动机与走行速度编码器同轴连接。本实用新型减少了起重机操控人员，降低了人员成本和人身伤亡的事故率，降低干熄焦提升机相关设备的制造成本和备件采购成本。
文档编号G05B19/05GK202929421SQ201220591529
公开日2013年5月8日 申请日期2012年11月9日 优先权日2012年11月9日
发明者周德峰 申请人:大连宝信起重技术有限公司