关键词：铁牛；变频控制；PLC控制；S7-200Smart；MODBUS通讯；编码器
一、引言
项目背景：目前国内炼铁厂运往炼钢厂的铁水罐车一般是内燃机车驱动的，在出铁过程中，当一个铁水罐装满后需要移动位置装另一个罐子时，铁水罐车也是内燃机车驱动的。以一次大约运输4个铁水罐，每罐装满需要30分钟计算，总共需要2个小时。这种方式内燃机车被占用时间过多，造成运行和维护费用较高。而且存在火车司机或其它工作人员被铁水烧伤的危险以及发生过机车烧毁事故。此问题国内已有部分钢厂也在尝试通过自已的方式解决。某机电公司和物流管理中心根据我司情况联合我设计人员，在参考其它钢厂的基础上，提出用电力牵引机车（俗称铁牛）替代内燃机车的方案，即在部分铁水罐车轨道上增加一台电力牵引机车，目前已在7#高炉成功实施并平稳运行了半年多。在减少直接投资（用造价百多万元的铁牛替代千多万元的内燃机车）、并在提高了效率，降低了运行和维护费用，取得了良好的经济效益和社会效益。
二、铁牛供配电及电气传动系统介绍
下面分“配电及传动”和“PLC控制系统”两部分说明铁牛系统的设计思路和调试要点。
如上图所示，铁牛采用电缆卷筒移动供电方式，相比某些钢厂采用的安全滑线供电方式，具有三个优点：一是现场安装比较方便，二是供电质量和可靠性更高，三是避免了在空间上和其它工业管线的冲突。电缆卷筒采用磁滞式恒张力电缆卷筒，放线时依靠铁牛自身的牵引力与磁滞阻力的相互配合匀速放线，铁牛后退时卷筒自身的电机才开始工作，通过皮带驱动磁滞头和减速机，完成收线。
铁牛的核心动力-主电机采用两台45KW变频电机驱动，变频器选用高性能的矢量控制型变频器，带制动电阻（以获得更好的制动性能），变频器选用功率较电机功率放大一个等级，适合于重载转矩控制场所。两台变频器主回路前端设置一台共用的电源接触器，可在发生紧急情况时控制接触器断开电源，实现紧急停车。据了解目前国内其它钢厂分别采用一条轨道设置一台铁牛的方式，我司目前一座高炉有6条出铁轨道，如果一条轨道配置一台铁牛需要6台铁牛，为节约投资，一座高炉只配置了4台铁牛，因此当出铁口发生变化时，需要利用火车牵引把铁牛从一条轨道转移到另一条轨道。转道前需要拆除与地面开关箱的连接，因此会失去电源供应，为了在转道时能够打开电液推杆式抱闸，我司铁牛的行走抱闸设置了手动松闸功能，设计从火车机头外接一个AC380V三相电源到铁牛抱闸回路，手动操作使抱闸通电后即可打开抱闸。
三、铁牛控制系统及功能介绍
铁牛的控制系统以西门子S7-200smartPLC为核心，S7-200smart是西门子新一代的小型PLC产品，与S7-200CN同系列相比运算速度更快，存储容量更大，集成了一个RS485通讯接口和一个以太网接口，编程调试更加方便，因此具有很高的性价比。PLC采集铁牛的运行状态信号、前后限位开关信号、三种操作方式的操作指令信号以及编码器测量到的铁牛实时位置信号，然后根据设定的程序由PLC输出指令控制铁牛前进或后退。铁牛具备本地操作、遥控操作、炉前远程操作三种操作方式，每种操作方式又设置了手动控制和自动控制两种方式（所谓自动控制方式是指按下一键前进或一键后退启动按钮后，无需操作工人按住按钮不放手，铁牛就可以自动前进或后退，到达设定的距离后自动停止，这样就可以大大减轻操作工人的劳动强度）。
铁牛的PLC外部电路如下图所示:下面我将按功能分别介绍铁牛的控制系统。
3.1自动前进或后退功能：
铁牛的三种操作方式都具备一键前进或一键后退功能，自动前进或后退是指铁牛按设定的长度参数移动一段距离后又自动停止，因此有必要检测铁牛的实时位置。检测位置的方式有很多，如编码器、编码电缆、电子扫码器、接近开关、激光测距、超声波测距等等，编码器又分单圈、多圈、齿轮式、电子磁感式、增量式或绝对值式等多种形式，虽然目前的激光测距和超声波测距技术比较成熟，但是我司铁牛的最长移动距离有115米，而且工作环境比较恶劣复杂，最终选定的是采用电子式多圈绝对值编码器，通过MODBUS通讯方式连接PLC，PLC通讯程序读取编码器检测到的位置信号，经过转换后变成铁牛的实时位置信息，并发达到数码显示屏上显示。根据不同时间铁牛位置信号的对比，PLC就知道铁牛前进或后退了多少距离，到达设定的距离后就自动停下来，从而实现自动前进或后退功能。
3.2编码器自身故障检查与判断功能
由上文可知，编码器设备的好坏对于实现自动前进或后退功能至关重要，如果编码器损坏（读到的数据不再变化），PLC就无法知道铁牛的实时位置，如果继续前进不停止，就会拉断电缆，造成损失和增添维修工人的麻烦。因此PLC程序中设置了编码器自身故障的检查与判断功能，铁牛运行时PLC周期性的对比实时位置数据，如果发现数字不变化，就判断为编码器故障，停止自动前进或后退，并发送故障代码至数码显示屏。
3.3急停控制功能
对于铁牛这种设备来说，生产现场出现紧急情况是常有的，因此急停功能是必不可少的，而且非常重要。三种操作方式下都具备急停功能，而且机旁急停的优先级最高。遥控急停功能只在操作点选择开关选择遥控时有效，远程急停功能只在操作点选择开关选择远程操作台时有效。急停发生后，首先变频器以最快的制动速度进行制动，抱闸也闭合进行制动，延时一定时间后，跳开主电源接触器实现断电。
3.4自动鸣笛功能
除了机旁操作箱上有手动鸣笛按钮外，通过PLC控制程序还具备自动鸣笛安全功能，当变频器上电、铁牛前进或后退时，安装在铁牛车外的声光报警器就会自动报警，以提醒附近的工作人员注意，以确保安全。
3.5限位保护功能
铁牛在运行初期经常发生限位误动作、机械限位开关被撞坏、限位失灵导致电缆被拉断等现象，对铁牛的稳顺运行造成了一定影响，针对这一现象，在铁牛车身前后都安装了光电感应式限位开关装置和机械式行程开关作为前后限位保护（双重保护），PLC程序中也设置了限位信号自锁功能（PLC只要一检测到限位信号，就会通过内部中继自保，需反方向移动才能解除限位信号自锁）。通过这个措施这情况得到了根本解决。
3.6通过编码器限制前进距离功能
铁牛前进时如果停不下来，将导至电缆拉断，除了通过前进限位开关停止前进外，通过PLC程序检测到的铁牛实时位置与设定的前进距离限制值比较，如果大于限制值，就发出一个停止前进的命令（并自锁，通过后退解锁），使铁牛停下来。一般情况下，这个前进限制要求在前进限位开关动作之前发出。
3.7编码器的自动清零功能
铁牛到达后限位时，PLC会输出一个持续2S的开关信号使编码器数据清零，这一功能在当发现铁牛实时位置数据不准的时候和铁牛转道后非常有用，编码器清零后，将以后限位为起点重新检测铁牛移动的距离，相当于完成了仪表的清零校准功能。
3.8系统故障自检与报警记录显示功能
铁牛使用初期，PLC不具备系统故障自检与报警记录显示功能，当发生设备故障之后，维护工人往往不知道故障发生的原因。为此，我通过PLC编程增加了系统故障自检功能，并在铁牛上增设了一块SmartLineIE700型的触摸屏，设置组态了数据记录和报警记录，通过触摸屏可以显示查看铁牛的历史操作记录、运行记录和报警记录，有利于设备的信息化管理和故障查处。
3.9定位校准功能
本铁牛设计了一键精准定位功能，但在运行过程中发现，由于打滑以及运行距离过长造成的累积误差，会偶尔偏移目标位置100毫米以上的情况，而影响铁水罐同出铁口的对准。现通过在目标位置之前1000毫米处加装带放射版的光电开关os60-rpv2b6q实现一次校准，消除了上述问题。
四、总结
本铁牛为我司自主设计研发、制做，本铁牛的投运对于减少设备投入、提高铁水入炉温度、提高内燃机车利用率和降低生产成本等方面取得了良好的成效，在电气控制方面，设计结合自身特点努力实践、持续改进、不断创新，为铁牛的稳定运行提供可靠的技术支持。作为电气及自动化控制设计者我们会继续在运行可靠性、人机信息交换功能（信息联网）方面进行持续改进，使之更好的服务于生产现场。
参考文献
[1]《钢铁企业电力设计手册》冶金工业出版社2014
[2]《西门子PLC通信技术》
论文作者:张华成,殷继盛
论文发表刊物:《电力设备》2019年第10期
论文发表时间:2019/10/22
标签：铁牛论文; 功能论文; 编码器论文; 操作论文; 铁水论文; 方式论文; 位置论文; 《电力设备》2019年第10期论文;