德國進(jìn)口heytec全系列GPR075-(Serie 23) B5

步進(jìn)電機(jī)的基本原理 

　　     步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 

　　     步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。 

　　現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。 

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

　　反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 

　　混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用較為廣泛，也是本次細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案所選用的步進(jìn)電機(jī)。 

　　步進(jìn)電機(jī)的一些基本參數(shù)： 

　　電機(jī)固有步距角： 

　　它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如86BYG250A型電機(jī)給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時(shí)為0.9°、整步工作時(shí)為1.8°），這個(gè)步距角可以稱之為‘電機(jī)固有步距角’，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。 

　　步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)： 

　　是指電機(jī)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(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)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(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則‘相數(shù)’將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。 

　　保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）： 

　　是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。 

　　DETENT TORQUE： 

　　是指步進(jìn)電機(jī)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(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。 

　　步進(jìn)電機(jī)的一些特點(diǎn)： 

　　1．一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。 

　　2．步進(jìn)電機(jī)外表允許的溫度。 

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

　　3．步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 

　　當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢；頻率越高，反向電動(dòng)勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 

　　4．步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。 

　　步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 

　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)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(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用

 本文主要通過對焦化生產(chǎn)自動(dòng)配煤控制系統(tǒng)的工藝分析，應(yīng)用西門子SIMATIC工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品包含可編程控制器、網(wǎng)絡(luò)通訊、驅(qū)動(dòng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)配煤過程的全自動(dòng)分布式監(jiān)控，滿足焦?fàn)t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(jì)效益。
［關(guān)鍵詞］：西門子 SIMATIC 焦?fàn)t 自動(dòng)配煤控制系統(tǒng)
　　　　一、  引 言
　　隨著當(dāng)今科學(xué)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(yīng)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(dòng)計(jì)量配料控制系統(tǒng)在各行業(yè)的應(yīng)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(jì)效益的先決條件。雖然行業(yè)各自不同的工藝特點(diǎn)對配料控制要求也不同，但其高可靠性，先進(jìn)性，開放性，免維護(hù)性，可擴(kuò)展性是各行業(yè)所追求的*目標(biāo)。而西門子SIMATIC工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品正是符合當(dāng)今這一潮流的代表。
　　二、  項(xiàng)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(dāng)比例配合成混合煤稱之為自動(dòng)配煤過程，它是整個(gè)焦化生產(chǎn)的一個(gè)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?fàn)t有著之稱，乃至亞洲大焦?fàn)t，它屬于先進(jìn)環(huán)保的搗固焦?fàn)t，該工程由德國伍德公司提供焦?fàn)t技術(shù),負(fù)責(zé)初步設(shè)計(jì)，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(qiáng)度的要求，實(shí)現(xiàn)大型、高效、環(huán)保、節(jié)能的清潔生產(chǎn)目標(biāo)，是太鋼實(shí)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?fàn)t煤料的配比更加準(zhǔn)確及系統(tǒng)可靠，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配煤裝置智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，向企業(yè)級實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和管理數(shù)據(jù)庫提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來源，為此在反復(fù)比較了當(dāng)今市場流行的自動(dòng)化方案優(yōu)劣基礎(chǔ)上，后選擇西門子SIMATIC自動(dòng)化產(chǎn)品解決方案，由上海大和衡器有限公司進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成。
焦化廠外景照
三、  系統(tǒng)工藝要求
　　1. 工藝概述
　　每個(gè)儲煤槽中的單種煤通過圓盤給料機(jī)均勻地落到定量給料機(jī)皮帶上，稱量和速度信號分別進(jìn)入到控制系統(tǒng)，經(jīng)過乘積運(yùn)算處理計(jì)算出實(shí)際給料量，將實(shí)際給料量與設(shè)定的給料量不斷進(jìn)行比較輸出兩路PID控制信號，分別對圓盤給料機(jī)和定量給料皮帶機(jī)進(jìn)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(dòng)配煤裝置實(shí)現(xiàn)24套圓盤給料機(jī)、定量給料機(jī)的順序起停、報(bào)警以及模擬量的輸入、輸出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全自動(dòng)、半自動(dòng)及手動(dòng)的控制，完成不同原煤料混勻給料、煤比計(jì)算及配煤流量控制并實(shí)現(xiàn)配料系統(tǒng)與帶式輸送機(jī)的起停連鎖。圓盤及定量給料皮帶機(jī)原理如圖1所示：
2.計(jì)量控制原理
　　CFW定量給料機(jī)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(dòng)單元,其中稱重單元，皮帶測速單元，驅(qū)動(dòng)單元作為給料機(jī)的部件安裝在機(jī)械本體上。

　　稱重單元主要由計(jì)量托輥和兩個(gè)應(yīng)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(dòng)滾筒的軸端，通過滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)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(yùn)行長度為[l]，輸送帶的速度為[v]，輸送帶運(yùn)行時(shí)間為[t], 
其關(guān)系為l=vt
因此在輸送帶運(yùn)行了t1時(shí)間后，輸送帶的運(yùn)行長度為l1=vt1，
那么，輸送流量可用下列方程式表示：



給料機(jī)的輸送量為A，B，C三點(diǎn)所包圍的面積。

如下圖所示。

W = f (l) : 在任選的單位運(yùn)行長度 [l] 上的載荷密度
Wdl  : 在微小運(yùn)行距離(dl)上的輸送量
   
　　上述表明：要計(jì)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(shí)重量信號，同時(shí)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(jìn)行乘積運(yùn)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(dòng)電機(jī)：     3.7KW 3φAC380V
圓盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)：     15KW 3φAC380V 
軸端編碼器:        600P/R DC12V～24V      
給料機(jī)輸送帶寬度：       800mm
輸送機(jī)能力范圍：      10～100t/h
輸送機(jī)速度：         0.1m/s～1m/s
輸送機(jī)傾斜角度：        0℃
輸送機(jī)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(gè)自動(dòng)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(jìn)行，系統(tǒng)采用分布式計(jì)算機(jī)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(jī)、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(gè)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(shí)時(shí)性和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，Profibus通訊速率可達(dá)12Mbit/S, 8個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總線循環(huán)時(shí)間較快可至0.2ms，在制造業(yè)自動(dòng)化和流程工業(yè)自動(dòng)化的總安裝站點(diǎn)數(shù)已突破1千萬，比任何其它現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)高出許多，它的節(jié)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)方式應(yīng)用于所有領(lǐng)域并貫穿整個(gè)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(dòng)化產(chǎn)品的資源，具有高可靠性，強(qiáng)抗干擾能力和靈活的可擴(kuò)充性，可獨(dú)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(jī)WINCC V6.0組態(tài)軟件作為HMI，通過操作畫面對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，報(bào)警，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝過程參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線、歷史趨勢顯示、報(bào)警記錄、配方管理、產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)、各類數(shù)據(jù)歸檔和安全連鎖保護(hù)，同時(shí)通過VBA編程實(shí)現(xiàn)Excel報(bào)表輸出、打印及預(yù)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(jī)啟停、電流、轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速等一千多個(gè)模擬量I/O和數(shù)字量I/O控制點(diǎn),具有48個(gè)PID閉環(huán)控制回路和2套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)操作站。整套系統(tǒng)通過光纖交換機(jī)進(jìn)入Ethernet與焦業(yè)公司的其它焦化工藝段及廠級管理網(wǎng)進(jìn)行銜接，達(dá)到管控一體化水平。自動(dòng)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(gè)工藝段各為12臺，每個(gè)工藝段控制單元由1個(gè)S7-315-2DP CPU主站（含1個(gè)本地?cái)U(kuò)展主站）及2個(gè)ET200M從站、12個(gè)CFC-200及6SE70變頻器配帶CBP2從站所組成，兩個(gè)工藝段控制單元經(jīng)光纖工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行互連，兩臺帶有WinCC V6.0的工控機(jī)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(jìn)口heytec全系列GPR075-(Serie 23) B5