基于四轴联动的焦炉尾焦收集手控制系统的研究与设计

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3.0 李琳琳 2024-10-14 5 4 3.38MB 79 页 12积分

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摘要

由于国内大部分的焦化厂生产的自动化控制程度较低，很多仍停留在焦车人工

的识别与定位，存在着严重的安全隐患，在自动化控制管理方面非常落后。本论文

就是要在有炼焦装备的基础上，设计一个尾焦自动收集的系统，这样不仅可以提高

焦炭的生产质量，同时也可以提高生产效率，降低工作劳动，也可以带来更好的经

济效益。

（1）本文在详细分析尾焦收集机器人手机构的结构和运动规律基础上，把整

个连杆机构转化为四轴运动控制机构，研究其运动规律和控制方法，提出了运动控

制系统的软硬件的总体结构，并按照结构化和模块化的设计方法，确定了系统的各

子模块的功能。

（2）完成了运动控制系统的硬件电路部分的设计。在对 DSP 处理器

TMS320VC33 和PCI 总线及一些重要芯片进行深入研究的基础上，实现了运动控制

卡的硬件电路设计，包括 PCI 总线接口电路、编码器信号采集电路、D/A 输出电路、

开关量信号输入输出电路等，整个电路具有元器件少、结构简单以及成本低的特点。

（3）完成了运动控制卡的驱动程序设计。采用了 WinDriver 进行运动控制卡的

驱动程序开发，并详细介绍了驱动程序的开发流程。

（4）完成了系统调试平台的搭建，然后对运动控制卡的控制性能进行了调试，

调试结果表明本文所开发的运动控制卡能够完成很好的控制效果。

关键词：收集手；尾焦收集；控制系统；DSP

Abstract

Because a big part of domestic of coal carbornization factory production control

degree lower， a lot of still stay around the coke pusher is artificial of identify with the

fixed position ， this exists serious hidden trouble ， falling behind very much in the

aspects of automating control.And this thesis is based on the existing coke making equip

of Xiangtan steel company， to design a automatic collection system of tailing coke .In

this wany ，not only can raise the production quantity of the coke ， also can raise the

production efficiency， lower the work labor， can but also bring the better economic

benefit.

(1) This paper analysizes the struct and motion rules of tailing collection system in

coke furnace ， converts this struct to 4-anxis motion control system ，studies the motion

control rules and ways， the systematic scheme of the Motion Controller is proposed. The

hardware is separated into independent functional modules ， and the functions of each

module are designed.

(2) It finishes the hardware design of the motion control card. Based on the study on

the DSP Processor (TMS320VC33) and PCI bus and some important chips ， the

hardware is designed， including PCI bus interface circuit， encoder collection circuit，

D/A output circuit， input and output circuit of switch signal. It has the characteristics of

less element， simple structure and low cost.

(3) It finishes the driver design for the motion control card. It uses Windriver for the

driver design， and introduces the driver design step of the motion control card in detail.

(4)It builds the system debug platform ， debugs the performance of motion control

card. It is approvd that this card can get the perfect control effects.

The motion control card has advantages of simple structure ， low cost ， good

application and so on. If improving this motion control card， it might be widely used in

the control field. It has made a good foundation for designing a commercial open control

card.

Keywords： collection-hand； coke furnace collecting； Control system； DSP

目  录
摘  要 I
Abstract II
第 1 章  绪  论 1
1 课题的研究背景 1
2 课题的研究意义 2
3 本文的主要研究内容 3
第 2 章  收集手控制系统的分析 4
1 收集手的工作原理和结构设计 4
2 结构运动学分析 7
2.1 平动坐标 9
2.2 转动坐标 11
2.3 时间与参数关系 12
2.4  4 坐标轴联动原理 13
3 收集手控制系统的工作原理 13
4 伺服电机控制算法 16
5 伺服电机的选择 18
6 本章小结 18
第 3 章  四轴运动系统总体方案设计 19
1 四轴位置控制系统简介 19
1.1 专用 DS运动控制的方案 19
1.2 用 DS和DA 方案 19
1.3 采用 DA 方案 2
2 运动控制卡总体方案设计 2
3 系统硬件设计 22
4 系统软件设计 23
5 本章小结 24
第 4 章  系统硬件模块的设计 25
1 DS控制模块 25
1.1 芯片选25
1.2 模块总体 27
1.3 时基27
1.4 码和控制 28
1.5 33 位和口 3
1.6 AS存器 3
1.7 数模转器 DA7725 32
2 D 计数模块 33

2.1 7128 介绍 33
2.2 电码原理 35
2.3 电码计数器 36
3 I 总线接口模块 38
3.1 芯片选38
3.2 I 总线接口设计 38
3.3 间分 39
4 !口"A模块 42
5 伺服接口#43
5.1 电码输入接口 44
5.2 数子量输入输出 44
6 控制系统电$模块 45
7 本章小%46
第 5 章  运动控制系统软件设计 47
1 &D驱动程序 47
1.1 驱动程序' 47
1.2 Dr()*rSt+,(- 驱动开发 48
1.3 驱动程序的安装 52
1.4 动./接0（D） 53
2 33 程序设计 57
2.133 程序12方法 57
2.2  34编程和定时56 6
3 ID 算法在 DS运动控制器5的实现 63
4 本章小%65
第 6 章  系统功能7试 67
1 运动控制卡在系统5的8用 67
2 运动控制系统关%调试 68
3 本章小%72
第 7 章  结论与9: 73
1 全文总结 73
2 课题9: 73
参;文<74
=  >76
?@A学位B间C开发表的论文 77
?@A学位B间C开发表的论文 81

焦D尾焦收集手控制系统的研究与设计

第1章绪论

1.1 课题的研究背景

焦炭是EF工GH重要的工G原IJ一。KLM，N总的OPQ，RS的EF

产量在TU，焦炭产量也在TU。RSE、F、焦炭的TU主要是5国，VW5国的

TU后，RS其X国Y的EF产量在TU，Z焦炭产量在[降，\[表1-1 ：

表1-1 RSE、生F、焦]产量对^表

2000 M2001 M2002 M2003 M2004 M2005 M

E84869 85034 90363 96716 105460 110762

生F57667 57809 61162 66867 73046 77935

焦]33489 34465 35800 39302 42676 46078

由上表可_2005 MRSE产量 110762 `a，^2000 MTU 30.5%，其5，5

国b26.06%，其X国YTU 4.46%；同BRS生F产量 77935 `a，TU 35.15%，

其5，5国b34.23%，其X国YTU 0.92%；c同B的d焦炭产量 46078 `a（e

计）TU 33.6%，其5，5国b35.13%，其f国Yg产1.53%。也就是h，KiM，

W了5国j，RS其f国YE、F产量分别TU 4.46%和0.92%，c焦炭产量[降

1.53%。RSE、F、焦炭的TU主要是5国。2004 M5国焦]产量 20618 `a，其5

出口 1501 `a，是kl其实的焦]生产大国，m在n焦]o炼p国q进。

然c，由于r国炼焦行G生产st和uvw理与RSx进y平存在着较大z{ ，

焦]质量有|提高。5国EF工G}~l•€U、5国炼焦}~理•U‚ƒ„K…†

出，由于st上的z{，焦炭p度不高、‡分ˆ大，‰其是Š焦和小焦产‹^重Œ

大，=•r国的焦炭Ž•y平ˆ高，化工产‹•收y平低，焦炭出口在国‘’“上

””是以数量规模和低•–参与—˜。同时，st™量和š›œ不高，•成r国ž

Ÿ $及能$的¡大¢£[1]。KM来，¤方一些¥统产焦国¦于u§、 $、¨•等

©ª，其产量和出口量…O«¬。面对国‘、国内炼焦工G的现-，r国为确§焦炭

产‹®定的出口pP，以及在国‘’“上¯°±焦炭产‹的²好³´，µ¶¡采·

¸¹，全ª9开了对炼焦行G的结构调整和u§w理。

在这º有»要x对焦炭生产的Œ程¼一介绍，炼焦就是½焦¾置于在¿À的焦

DDÁ内经Œ14-18 个小时的„Â后_ÃÄ焦，Å后Œ焦D的Æ动机车½Ä焦N

DÁÆ出ÇÃÈ焦Á进行È炭。整个Œ程5É•用的焦车有Ê焦车、Ë焦车、È焦车

和装¾车。具体ÌÍ是：Î焦炭µ经炼成后，Ê焦车Ï开DÁ机Ð的DÑ，Ë焦车

焦D尾焦收集手控制系统的研究与设计

Ï开同一DÁ焦Ð的DÑ并把2焦ÒÓ入DÁ5，È焦车位于Ë焦车[Ð备接焦，

ÎÔ车Õµ备就绪后，Ê焦车开Ö进行Ê焦×作，½Ä焦ÊÃÈ焦车的È焦Ø5，

由È焦车运ÇÃÈ焦Á；Ù后装¾车N焦DDÁÚ部的装¾口对的DÁ进行装¾，

同时平¾杆~对DÁ的¾Û平¾。在实‘的焦化厂现“5，ÜÝ，Þß性à体较多，

uv^较áâ，焦D四车的动并不ã上面所ä的å样简单。特别是在æç和èç，

出焦时é焦的高ê½产生大量的yëà，进一Ììí了现“×作人î的ï线。›J

车ð分ñ，ò动óô，运行时自õö动大，•系统的确÷7与控制ø以§ù，ú

û间信ü联系不能及时c可ý的¥þ。cÊ焦车、Ë焦车和È焦车在Ê焦×作ÿ的对

m锁定于同一DÁ(以后r们简称为“Ô车对m”。)对焦D的安全生产是至关重要，

因为Ô车对mˆzc2=“Ä焦落”的严重•故在国内j也是屡见不鲜的.另j，

焦D一般•用M限较U，焦D老化是普遍存在的问题，ÅJ带来DÁ弯曲变³等问

题，•_焦车的停车对m精度需进一Ì提高，根据目ÿ国内焦D的具体情况，±

10mn。的对m精度是^较适5的。Îÿ，存在炼焦生产5不利因素主要有以[L点

[2]：

1）.ÜÝ大、Þß性à体严重，uvê度高，uváâ；

2）.车ð分ñ，ò动óô，运行时自õö动大；

3）.车ð定位ø，确率低；

4）.信号屏蔽和无线讯„扰大；

5）.焦D的孔数不同；

6）.焦D的结焦时间不同；

7）.D龄不同，新旧D同时•用；

8）.焦D的Ê焦计划编制不同；

9）.Ê焦车，Ë焦车，È焦车对m不精确；

10）.采用交流载波方式实现大车连锁，可ý性z，×作时耽误时间；

11）.人工编制Ê焦计划¢£时间，不精确。

总J，国内大部分的焦化厂生产的自动化控制程度较低，很多仍停留在焦车人

工的识别与定位，存在着严重的安全隐患。在自动化控制管理方面非常落后，本文

就是要Œ在湘E现有炼焦装备的基础上，设计一个尾焦自动收集的系统，这样不

仅可以提高焦炭的生产质量，同时也可以提高生产效率，降低工作劳动，也可以带

来更好的经济效益。

1.2 课题的研究意义

作为湖南省支柱企GJ一的湘潭EF集团C司Å着工G的发9，每M对焦炭的

需求量Õ在T›。\何在原有设备的基础上，提高焦炭产量、质量和降低能•，是该

焦D尾焦收集手控制系统的研究与设计

C司，也是国内j同行企G所面临着思;的问题。解决这个问题的途径J一是——

\何采·有效的方法处理尾焦。目ÿ国内大多是采用人工½尾焦重新铲入炭化Á内，

再次进行o炼。这种处理方法缺点是不仅T›产‹（焦炭）成本，还降低了焦炭产

量和质量，c且T›能•；另j，还~•成焦D炭化ÁD墙局部ê度Œ高，³成石

m确处理好焦D尾焦的收集工作，意义重大[1-2]。

本设计的主要目的就是要在参;大量文< I的基础上，结合湘潭EF集团焦

化厂的工况实‘，采用工G机械手st，提出一种优化可行的尾焦收集手装置的方

案，并且初Ì实现对收集手总体结构及其驱动系统的进行总体规划、驱动系统的各

组成部分的设计、收集手整机运行轨道的设计，以改善现“×作uv、g轻×作人î

劳动p度、提高焦炭质量，Nc克服以上提Ã的人工铲焦•D的诸多缺陷。

同时，尾焦收集的st?关，曾在国内许多焦化厂¼Œ?关尝试，Õ¼_不是

很成功，主要是尾焦收集Œ程自动化程度不高，在收集Œ程5仍存在诸多问题，\

卸焦和即时È焦的×作时间控制不Î，焦]损失和质量变z、现“×作uv没有_

Ã根本改善、×作人î劳动p度仍然较大等。所以在以ÿ研究的基础上，改进收集装

置，在延U焦D寿命、T›焦炭产量和提高经济效益上有着非常重要的意义。

1.3 本文的主要研究内容

本论文就是要在有炼焦装备的基础上，设计一个尾焦自动收集的系统，这样不

仅可以提高焦炭的生产质量，同时也可以提高生产效率，降低工作劳动，也可以带

来更好的经济效益。本文在详细分析尾焦收集机器人手机构的结构和运动规律基础

上，把整个连杆机构转化为四轴运动控制机构，研究其运动规律和控制方法，提出

了运动控制卡的软硬件的总体结构，并按照结构化和模块化的设计方法，确定了系

统的各子模块的功能。完成了运动控制卡硬件电路部分的设计。在对 DSP 处理器

TMS320VC33 和PCI 总线及一些重要芯片进行深入研究的基础上，实现了运动控制

卡的硬件电路设计，包括 PCI 总线接口电路、编码器信号采集电路、D/A 输出电路、

开关量信号输入输出电路等，整个电路具有元器件少、结构简单以及成本低的特点。

完成了运动控制卡的驱动程序设计。采用了 WinDriver 进行运动控制卡的驱动程序开

发，并详细介绍了驱动程序的开发流程。完成了系统调试平台的搭建，然后对运动

控制卡的控制性能进行了调试，调试结果表明本文所开发的运动控制卡能够完成很

好的控制效果。

焦D尾焦收集手控制系统的研究与设计

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摘要：

摘要由于国内大部分的焦化厂生产的自动化控制程度较低，很多仍停留在焦车人工的识别与定位，存在着严重的安全隐患，在自动化控制管理方面非常落后。本论文就是要在有炼焦装备的基础上，设计一个尾焦自动收集的系统，这样不仅可以提高焦炭的生产质量，同时也可以提高生产效率，降低工作劳动，也可以带来更好的经济效益。（1）本文在详细分析尾焦收集机器人手机构的结构和运动规律基础上，把整个连杆机构转化为四轴运动控制机构，研究其运动规律和控制方法，提出了运动控制系统的软硬件的总体结构，并按照结构化和模块化的设计方法，确定了系统的各子模块的功能。（2）完成了运动控制系统的硬件电路部分的设计。在对DSP处理器TMS320VC...

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