德国进口Schmidt全系列DTMB-10K-ST

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步进电机的基本原理 

　　     步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 

　　     步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为)的特点，广泛应用于各种开环控制。 

　　现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。 

　　永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度； 

　　反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 

　　混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用较为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。 

　　步进电机的一些基本参数： 

　　电机固有步距角： 

　　它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。 

　　步进电机的相数： 

　　是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 

　　保持转矩（HOLDING TORQUE）： 

　　是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。 

　　DETENT TORQUE： 

　　是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。 

　　步进电机的一些特点： 

　　1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 

　　2．步进电机外表允许的温度。 

　　步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度*正常。 

　　3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 

　　当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 

　　4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。 

　　步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 

　　步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用

 本文主要通过对焦化生产自动配煤控制系统的工艺分析，应用西门子SIMATIC工业自动化产品包含可编程控制器、网络通讯、驱动等技术实现了整个配煤过程的全自动分布式监控，满足焦炉生产高质量焦炭的需要，系统的投用提高了生产效率，降低了管理成本，为企业带来了较大的经济效益。
［关键词］：西门子 SIMATIC 焦炉 自动配煤控制系统
　　　　一、  引 言
　　随着当今科学技术的迅猛发展, 特别是控制技术，工业IT技术，数据库技术，网络技术等普及应用，对现代化企业的工业过程控制要求越来越高,全自动计量配料控制系统在各行业的应用已屡见不鲜，它是成品生产的首要环节，特别是有连续供料要求的行业，其配比的过程控制直接影响了成品的质量，它是企业取得经济效益的先决条件。虽然行业各自不同的工艺特点对配料控制要求也不同，但其高可靠性，先进性，开放性，免维护性，可扩展性是各行业所追求的*目标。而西门子SIMATIC工业自动化产品正是符合当今这一潮流的代表。
　　二、  项目简介
　　在配煤炼焦生产工艺过程中，需要将各种不同的精煤如：肥煤、气煤、瘦煤、焦煤、贫煤等以适当比例配合成混合煤称之为自动配煤过程，它是整个焦化生产的一个重要环节，对生产高质量的焦炭、合理利用煤炭资源及生产成本控制具有重大意义。山西太钢焦化有限公司（太钢合资经营企业─惠晋焦业）7.63米焦炉有着之称，乃至亚洲大焦炉，它属于先进环保的捣固焦炉，该工程由德国伍德公司提供焦炉技术,负责初步设计，终形成年产全焦115万吨的生产能力，可确保太钢300万吨/年 不锈钢生产所需优质铁水对焦炭低硫高强度的要求，实现大型、高效、环保、节能的清洁生产目标，是太钢实施全力打造竞争力的不锈钢企业战略步骤之一。为使焦炉煤料的配比更加准确及系统可靠，实现自动配煤装置智能化、数字化、网络化，向企业级实时数据库和管理数据库提供准确的数据来源，为此在反复比较了当今市场流行的自动化方案优劣基础上，后选择西门子SIMATIC自动化产品解决方案，由上海大和衡器有限公司进行系统设计集成。
焦化厂外景照
三、  系统工艺要求
　　1. 工艺概述
　　每个储煤槽中的单种煤通过圆盘给料机均匀地落到定量给料机皮带上，称量和速度信号分别进入到控制系统，经过乘积运算处理计算出实际给料量，将实际给料量与设定的给料量不断进行比较输出两路PID控制信号，分别对圆盘给料机和定量给料皮带机进行双变频调速控制，使之精确地以恒定的期望给料速率出料，保持每台CFW给料流量的恒定，以确保所设定总配比的要求。自动配煤装置实现24套圆盘给料机、定量给料机的顺序起停、报警以及模拟量的输入、输出，实现系统全自动、半自动及手动的控制，完成不同原煤料混匀给料、煤比计算及配煤流量控制并实现配料系统与带式输送机的起停连锁。圆盘及定量给料皮带机原理如图1所示：
2.计量控制原理
　　CFW定量给料机主要分为四大单元：称重单元、皮带测速单元、积算控制单元、驱动单元,其中称重单元，皮带测速单元，驱动单元作为给料机的部件安装在机械本体上。

　　称重单元主要由计量托辊和两个应变式荷重传感器组成。称重传感器安装在高精度的平台上，其测量出输送带上物料的单位长度重量；皮带测速单元采用高精度脉冲编码器安装在从动滚筒的轴端，通过滚筒转动产生脉冲信号，以上重量信号（毫伏级）及脉冲信号分别传送至积算控制系统。

　　其积算称重原理如下所示：

Q：输送量 (重量范围 0～t1) (kg)
q：瞬时输送量 (kg/min)
W：物料的单位长度重量 (kg/m) (载荷密度)
V：皮带速率 (m/min)
设输送带的运行长度为[l]，输送带的速度为[v]，输送带运行时间为[t], 
其关系为l=vt
因此在输送带运行了t1时间后，输送带的运行长度为l1=vt1，
那么，输送流量可用下列方程式表示：



给料机的输送量为A，B，C三点所包围的面积。

如下图所示。

W = f (l) : 在任选的单位运行长度 [l] 上的载荷密度
Wdl  : 在微小运行距离(dl)上的输送量
   
　　上述表明：要计算获得输送量，需通过称量传感器检测到煤流的单位长度的瞬时重量信号，同时速度传感器检测到速度脉冲信号。通过控制仪表将重量信号与速信号进行乘积运算，从而求得输送量，并通过输送量积算求得累积量。

　　3.工艺设备主要参数
物料粒度：         0～80mm
物料散密度：       800kg/m3
物料水分：         10～12％
物料温度：         常温
给料方式：         圆盘给料
皮带驱动电机：     3.7KW 3φAC380V
圆盘驱动电机：     15KW 3φAC380V 
轴端编码器:        600P/R DC12V～24V      
给料机输送带宽度：       800mm
输送机能力范围：      10～100t/h
输送机速度：         0.1m/s～1m/s
输送机倾斜角度：        0℃
输送机头、尾滚筒中心距：  3m～3.5m
配料秤系统精度：         优于0.5%

　　四、  控制系统构成
　　1．系统总貌
　　整个自动配煤装置为生产现场无人化管理，所有的操作和监视均在*控制室中进行，系统采用分布式计算机监控管理方式，主要由两套西门子S7-300PLC、两套WINCC V6.0监控软件及工控机、48套SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE70工程型变频器、24台CFC-200回路调节控制器、3套OSM等控制单元构成一个基于TCP/IP 100M光纤工业以太环网的SCADA系统。其中各关键装置如：PLC、变频器、调节控制器、分布式I/O之间数据传输采用Profibus-DP协议通讯方式，以确保高实时性和高动态响应要求，Profibus通讯速率可达12Mbit/S, 8个节点网络系统的总线循环时间较快可至0.2ms，在制造业自动化和流程工业自动化的总安装站点数已突破1千万，比任何其它现场总线标准高出许多，它的节点设备数量占有率目前稳具*，它是范围内目前能够以标准方式应用于所有领域并贯穿整个过程链的现场总线。这种系统架构充分利用发挥了西门子SIMATIC自动化产品的资源，具有高可靠性，强抗干扰能力和灵活的可扩充性，可独立完成对设备的数据采集，精度控制，监控联锁。上位机WINCC V6.0组态软件作为HMI，通过操作画面对实时数据进行监控，报警，实现生产工艺过程参数的实时曲线、历史趋势显示、报警记录、配方管理、产量统计、各类数据归档和安全连锁保护，同时通过VBA编程实现Excel报表输出、打印及预览等功能。系统需要监测重量、速度、位置、缺料、堵料、皮带打滑、电机启停、电流、转距和转速等一千多个模拟量I/O和数字量I/O控制点,具有48个PID闭环控制回路和2套远程监控系统操作站。整套系统通过光纤交换机进入Ethernet与焦业公司的其它焦化工艺段及厂级管理网进行衔接，达到管控一体化水平。自动配煤装置系统结构如图2所示：

 
2．系统配置
　　本系统24台配煤秤分为两个工艺段各为12台，每个工艺段控制单元由1个S7-315-2DP CPU主站（含1个本地扩展主站）及2个ET200M从站、12个CFC-200及6SE70变频器配带CBP2从站所组成，两个工艺段控制单元经光纤工业以太网进行互连，两台带有WinCC V6.0的工控机组成配煤系统操作员站，其中一台兼有工程师站功能。 

德国进口Schmidt全系列DTMB-10K-ST