德國進口KNF全系列N035ANE

步進電機的基本原理 

　　     步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應用。 

　　     步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。 

　　現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。 

　　永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度； 

　　反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 

　　混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用較為廣泛，也是本次細分驅(qū)動方案所選用的步進電機。 

　　步進電機的一些基本參數(shù)： 

　　電機固有步距角： 

　　它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型電機給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°），這個步距角可以稱之為‘電機固有步距角’，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。 

　　步進電機的相數(shù)： 

　　是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器，則‘相數(shù)’將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。 

　　保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）： 

　　是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機重要的參數(shù)之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機。 

　　DETENT TORQUE： 

　　是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT TORQUE 在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應式步進電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。 

　　步進電機的一些特點： 

　　1．一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。 

　　2．步進電機外表允許的溫度。 

　　步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度*正常。 

　　3．步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 

　　當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。 

　　4．步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。 

　　步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 

　　步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應用

 本文主要通過對焦化生產(chǎn)自動配煤控制系統(tǒng)的工藝分析，應用西門子SIMATIC工業(yè)自動化產(chǎn)品包含可編程控制器、網(wǎng)絡(luò)通訊、驅(qū)動等技術(shù)實現(xiàn)了整個配煤過程的全自動分布式監(jiān)控，滿足焦爐生產(chǎn)高質(zhì)量焦炭的需要，系統(tǒng)的投用提高了生產(chǎn)效率，降低了管理成本，為企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟效益。
［關(guān)鍵詞］：西門子 SIMATIC 焦爐 自動配煤控制系統(tǒng)
　　　　一、  引 言
　　隨著當今科學技術(shù)的迅猛發(fā)展, 特別是控制技術(shù)，工業(yè)IT技術(shù)，數(shù)據(jù)庫技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等普及應用，對現(xiàn)代化企業(yè)的工業(yè)過程控制要求越來越高,全自動計量配料控制系統(tǒng)在各行業(yè)的應用已屢見不鮮，它是成品生產(chǎn)的首要環(huán)節(jié)，特別是有連續(xù)供料要求的行業(yè)，其配比的過程控制直接影響了成品的質(zhì)量，它是企業(yè)取得經(jīng)濟效益的先決條件。雖然行業(yè)各自不同的工藝特點對配料控制要求也不同，但其高可靠性，先進性，開放性，免維護性，可擴展性是各行業(yè)所追求的*目標。而西門子SIMATIC工業(yè)自動化產(chǎn)品正是符合當今這一潮流的代表。
　　二、  項目簡介
　　在配煤煉焦生產(chǎn)工藝過程中，需要將各種不同的精煤如：肥煤、氣煤、瘦煤、焦煤、貧煤等以適當比例配合成混合煤稱之為自動配煤過程，它是整個焦化生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)，對生產(chǎn)高質(zhì)量的焦炭、合理利用煤炭資源及生產(chǎn)成本控制具有重大意義。山西太鋼焦化有限公司（太鋼合資經(jīng)營企業(yè)─惠晉焦業(yè)）7.63米焦爐有著之稱，乃至亞洲大焦爐，它屬于先進環(huán)保的搗固焦爐，該工程由德國伍德公司提供焦爐技術(shù),負責初步設(shè)計，終形成年產(chǎn)全焦115萬噸的生產(chǎn)能力，可確保太鋼300萬噸/年 不銹鋼生產(chǎn)所需優(yōu)質(zhì)鐵水對焦炭低硫高強度的要求，實現(xiàn)大型、高效、環(huán)保、節(jié)能的清潔生產(chǎn)目標，是太鋼實施全力打造競爭力的不銹鋼企業(yè)戰(zhàn)略步驟之一。為使焦爐煤料的配比更加準確及系統(tǒng)可靠，實現(xiàn)自動配煤裝置智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，向企業(yè)級實時數(shù)據(jù)庫和管理數(shù)據(jù)庫提供準確的數(shù)據(jù)來源，為此在反復比較了當今市場流行的自動化方案優(yōu)劣基礎(chǔ)上，后選擇西門子SIMATIC自動化產(chǎn)品解決方案，由上海大和衡器有限公司進行系統(tǒng)設(shè)計集成。
焦化廠外景照
三、  系統(tǒng)工藝要求
　　1. 工藝概述
　　每個儲煤槽中的單種煤通過圓盤給料機均勻地落到定量給料機皮帶上，稱量和速度信號分別進入到控制系統(tǒng)，經(jīng)過乘積運算處理計算出實際給料量，將實際給料量與設(shè)定的給料量不斷進行比較輸出兩路PID控制信號，分別對圓盤給料機和定量給料皮帶機進行雙變頻調(diào)速控制，使之精確地以恒定的期望給料速率出料，保持每臺CFW給料流量的恒定，以確保所設(shè)定總配比的要求。自動配煤裝置實現(xiàn)24套圓盤給料機、定量給料機的順序起停、報警以及模擬量的輸入、輸出，實現(xiàn)系統(tǒng)全自動、半自動及手動的控制，完成不同原煤料混勻給料、煤比計算及配煤流量控制并實現(xiàn)配料系統(tǒng)與帶式輸送機的起停連鎖。圓盤及定量給料皮帶機原理如圖1所示：
2.計量控制原理
　　CFW定量給料機主要分為四大單元：稱重單元、皮帶測速單元、積算控制單元、驅(qū)動單元,其中稱重單元，皮帶測速單元，驅(qū)動單元作為給料機的部件安裝在機械本體上。

　　稱重單元主要由計量托輥和兩個應變式荷重傳感器組成。稱重傳感器安裝在高精度的平臺上，其測量出輸送帶上物料的單位長度重量；皮帶測速單元采用高精度脈沖編碼器安裝在從動滾筒的軸端，通過滾筒轉(zhuǎn)動產(chǎn)生脈沖信號，以上重量信號（毫伏級）及脈沖信號分別傳送至積算控制系統(tǒng)。

　　其積算稱重原理如下所示：

Q：輸送量 (重量范圍 0～t1) (kg)
q：瞬時輸送量 (kg/min)
W：物料的單位長度重量 (kg/m) (載荷密度)
V：皮帶速率 (m/min)
設(shè)輸送帶的運行長度為[l]，輸送帶的速度為[v]，輸送帶運行時間為[t], 
其關(guān)系為l=vt
因此在輸送帶運行了t1時間后，輸送帶的運行長度為l1=vt1，
那么，輸送流量可用下列方程式表示：



給料機的輸送量為A，B，C三點所包圍的面積。

如下圖所示。

W = f (l) : 在任選的單位運行長度 [l] 上的載荷密度
Wdl  : 在微小運行距離(dl)上的輸送量
   
　　上述表明：要計算獲得輸送量，需通過稱量傳感器檢測到煤流的單位長度的瞬時重量信號，同時速度傳感器檢測到速度脈沖信號。通過控制儀表將重量信號與速信號進行乘積運算，從而求得輸送量，并通過輸送量積算求得累積量。

　　3.工藝設(shè)備主要參數(shù)
物料粒度：         0～80mm
物料散密度：       800kg/m3
物料水分：         10～12％
物料溫度：         常溫
給料方式：         圓盤給料
皮帶驅(qū)動電機：     3.7KW 3φAC380V
圓盤驅(qū)動電機：     15KW 3φAC380V 
軸端編碼器:        600P/R DC12V～24V      
給料機輸送帶寬度：       800mm
輸送機能力范圍：      10～100t/h
輸送機速度：         0.1m/s～1m/s
輸送機傾斜角度：        0℃
輸送機頭、尾滾筒中心距：  3m～3.5m
配料秤系統(tǒng)精度：         優(yōu)于0.5%

　　四、  控制系統(tǒng)構(gòu)成
　　1．系統(tǒng)總貌
　　整個自動配煤裝置為生產(chǎn)現(xiàn)場無人化管理，所有的操作和監(jiān)視均在中央控制室中進行，系統(tǒng)采用分布式計算機監(jiān)控管理方式，主要由兩套西門子S7-300PLC、兩套WINCC V6.0監(jiān)控軟件及工控機、48套SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE70工程型變頻器、24臺CFC-200回路調(diào)節(jié)控制器、3套OSM等控制單元構(gòu)成一個基于TCP/IP 100M光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的SCADA系統(tǒng)。其中各關(guān)鍵裝置如：PLC、變頻器、調(diào)節(jié)控制器、分布式I/O之間數(shù)據(jù)傳輸采用Profibus-DP協(xié)議通訊方式，以確保高實時性和高動態(tài)響應要求，Profibus通訊速率可達12Mbit/S, 8個節(jié)點網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總線循環(huán)時間較快可至0.2ms，在制造業(yè)自動化和流程工業(yè)自動化的總安裝站點數(shù)已突破1千萬，比任何其它現(xiàn)場總線標準高出許多，它的節(jié)點設(shè)備數(shù)量占有率目前穩(wěn)具*，它是范圍內(nèi)目前能夠以標準方式應用于所有領(lǐng)域并貫穿整個過程鏈的現(xiàn)場總線。這種系統(tǒng)架構(gòu)充分利用發(fā)揮了西門子SIMATIC自動化產(chǎn)品的資源，具有高可靠性，強抗干擾能力和靈活的可擴充性，可獨立完成對設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，精度控制，監(jiān)控聯(lián)鎖。上位機WINCC V6.0組態(tài)軟件作為HMI，通過操作畫面對實時數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，報警，實現(xiàn)生產(chǎn)工藝過程參數(shù)的實時曲線、歷史趨勢顯示、報警記錄、配方管理、產(chǎn)量統(tǒng)計、各類數(shù)據(jù)歸檔和安全連鎖保護，同時通過VBA編程實現(xiàn)Excel報表輸出、打印及預覽等功能。系統(tǒng)需要監(jiān)測重量、速度、位置、缺料、堵料、皮帶打滑、電機啟停、電流、轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速等一千多個模擬量I/O和數(shù)字量I/O控制點,具有48個PID閉環(huán)控制回路和2套遠程監(jiān)控系統(tǒng)操作站。整套系統(tǒng)通過光纖交換機進入Ethernet與焦業(yè)公司的其它焦化工藝段及廠級管理網(wǎng)進行銜接，達到管控一體化水平。自動配煤裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示：

 
2．系統(tǒng)配置
　　本系統(tǒng)24臺配煤秤分為兩個工藝段各為12臺，每個工藝段控制單元由1個S7-315-2DP CPU主站（含1個本地擴展主站）及2個ET200M從站、12個CFC-200及6SE70變頻器配帶CBP2從站所組成，兩個工藝段控制單元經(jīng)光纖工業(yè)以太網(wǎng)進行互連，兩臺帶有WinCC V6.0的工控機組成配煤系統(tǒng)操作員站，其中一臺兼有工程師站功能。 

德國進口KNF全系列N035ANE