焦炉尾焦收集手控制系统的研究与设计

3.0 范春蓉 2024-10-16 21 4 3.64MB 82 页 15积分

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焦炉尾焦收集手控制系统的研究与设计

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。

（ 2 ）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。

（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；机械手；控制系统；DSP

Study and Design of The tailing collection system of coke furnace

焦炉尾焦收集手控制系统的研究与设计

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, manipulator;Control system ; DSP

摘要...........................................................................................................................1

Abstract...................................................................................................................2

焦炉尾焦收集手控制系统的研究与设计
第一章 绪论.............................................................................................................4
1 课题的研究背景..........................................................................................4
2 课题的研究意义..........................................................................................6
3 本课题的研究内容......................................................................................7
第二章 收集手控制系统的分析.............................................................................7
1 收集手的工作原理和结构设计..................................................................8
2 结构运动学分析........................................................................................11
2.1 平动坐标..........................................................................................12
2.2 转动坐标..........................................................................................14
2.3 时间与参数关系..............................................................................17
2.4 4 坐标轴联动原理..........................................................................17
3 收集手控制系统的工作原理....................................................................18
4 伺服电机控制算法....................................................................................20
5 本章小结....................................................................................................22
第三章 系统总体方案设计...................................................................................23
1 四轴位置控制系统简介............................................................................23
1.1 专用 DSP 运动控制的方案.............................................................23
1.2 通用 DSP 和 CPLD/FPGA 方案...........................................................23
1.3 只采用 CPLD/FPGA 方案...................................................................24
2 运动控制卡总体方案设计........................................................................24
3 系统硬件设计............................................................................................26
4 系统软件设计............................................................................................27
5 本章小结....................................................................................................28
第四章 系统硬件模块的设计................................................................................29
1 DSP 控制模块............................................................................................29
1.1 芯片选型.........................................................................................29
1.2 模块总体框图.................................................................................31
1.3 时钟基准..........................................................................................31
1.4 地址译码和读写控制......................................................................32
1.5 VC33 复位和仿真口........................................................................33
1.6 FLASH 存储器..................................................................................34
1.7 数模转换器 DAC7725......................................................................35
2 CPLD 计数模块..........................................................................................37
2.1 EPM7128 介绍..................................................................................37
2.2 光电码盘原理.................................................................................38
2.3 光电码盘计数器.............................................................................40
3 PCI 总线接口模块....................................................................................41
3.1 芯片选型.........................................................................................41
3.2 PCI 总线接口设计..........................................................................42
3.3 地址空间分配..................................................................................43
4 双口 RAM 模块...........................................................................................45
5 伺服接口板...............................................................................................47
5.1 光电码盘输入接口...............................................................................47
5.2 数子量输入输出...................................................................................48

焦炉尾焦收集手控制系统的研究与设计
6 控制系统电源模块...................................................................................49
7 本章小节....................................................................................................50
第五章 运动控制系统软件设计...........................................................................51
1 WDM 驱动程序............................................................................................51
1.1 驱动程序框架.................................................................................51
1.2 DriverStudio驱动开发................................................................52
1.3 驱动程序的安装.............................................................................55
1.4 动态链接库（DLL）.......................................................................57
1.5 应用程序访问板卡.........................................................................60
1.6 驱动程序的调试.............................................................................61
1.7 驱动开发注意事项.........................................................................62
2 VC33 程序设计..........................................................................................64
2.1 指令系统.........................................................................................64
2.2 集成开发环境 CCS..........................................................................64
2.3 公共目标文件格式 COFF................................................................65
2.4 VC33 程序引导方法........................................................................67
2.5 C 语言编程和定时中断..................................................................70
4 本章小节...................................................................................................72
第六章 系统功能测试...........................................................................................73
1 运动控制卡在机器人系统中的应用........................................................73
2 运动控制系统关节调试............................................................................74
3 本章小节....................................................................................................78
第七章 结论与展望...............................................................................................79
1 全文总结....................................................................................................79
2 课题展望....................................................................................................79
致谢.........................................................................................................................80
参考文献.................................................................................................................81
第一章 绪论
1 课题的研究背景
焦炭是钢铁工业最重要的工业原料之一。近几年，从总的趋势看，世界的钢铁产量在

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增长，焦炭产量也在增长。世界钢、铁、焦炭的增长主要是中国，扣除中国的增长后，世界

其它国家的钢铁产量在增长，但焦炭产量在下降，如下表 1-1 ：

表1-1 世界钢、生铁、焦碳产量对比表

2000 年2001 年2002 年2003 年2004 年2005 年

钢84869 85034 90363 96716 105460 110762

生铁57667 57809 61162 66867 73046 77935

焦碳33489 34465 35800 39302 42676 46078

由上表可得2005 年世界钢产量 110762万吨，比2000 年增长 30.5%，其中，中国占

26.06%，其它国家增长 4.46%；同期世界生铁产量 77935 万吨,增长 35.15%，其中，中国

占34.23%,其它国家增长 0.92%；而同期的N焦炭产量 46078 万吨（预计）增长 33.6%，

其中，中国占35.13%，其他国家减产 1.53%。也就是说，近五年，除了中国外,世界其他

国家钢、铁产量分别增长 4.46%和 0.92%,而焦炭产量下降 1.53%。世界钢、铁、焦炭的增长主

要是中国。2004 年中国焦碳产量 20618 万吨，其中出口 1501 万吨，是名副其实的焦碳生

产大国，正在向焦碳冶炼强国迈进。

然而，由于我国炼焦行业生产技术和环境治理与世界先进水平存在着较大差距，焦碳

质量有待提高。中国钢铁工业协会副秘书长、中国炼焦协会理事长黄金干近日指出，由于

技术上的差距，焦炭强度不高、灰分偏大，尤其是土焦和小焦产品比重过大，致使我国的

焦炭消耗水平偏高，化工产品回收水平低，焦炭出口在国际市场上往往是以数量规模和

低价格参与竞争。同时，技术含量和附加值不高，造成我国宝贵资源及能源的极大浪费。

近年来，西方一些传统产焦国迫于环保、资源、售价等压力，其产量和出口量日趋萎缩。面

对国际、国内炼焦工业的现状，我国为确保焦炭产品稳定的出口强势，以及在国际市场上

树立起焦炭产品的良好形象，已积极采取措施，全力展开了对炼焦行业的结构调整和环

保治理。

在这里有必要先对焦炭生产的过程做一介绍，炼焦就是将焦煤置于在密闭的焦炉炉室

内经过14-18个小时的干馏后得到红焦，随后通过焦炉的移动机车将红焦从炉室移出送到

熄焦室进行熄炭。整个过程中共使用的焦车有推焦车、拦焦车、熄焦车和装煤车。具体步骤

是:当焦炭已经炼成后，推焦车打开炉室机侧的炉门，拦焦车打开同一炉室焦侧的炉门并

把导焦栅插入炉室中，熄焦车位于拦焦车下侧准备接焦，当三车都已准备就绪后，推焦

车开始进行推焦操作，将红焦推到熄焦车的熄焦罐中，由熄焦车运送到熄焦室；此后装

煤车从焦炉炉室顶部的装煤口对空的炉室进行装煤，同时平煤杆会对炉室的煤堆平煤。在

实际的焦化厂现场中，粉尘，腐蚀性气体较多，环境比较恶劣，焦炉四车的动并不像上

面所述的那样简单。特别是在冬季和雨季，出焦时火焦的高温将产生大量的水蒸气，进一

步影响了现场操作人员的视线。加之车辆分散，活动频繁，运行时自身震动大，使系统的

准确检测与控制难以保证，相互间信息联系不能及时而可靠的传递。而推焦车、拦焦车和

熄焦车在推焦操作前的对正锁定于同一炉室(以后我们简称为“三车对正”。)对焦炉的安

全生产是至关重要，因为三车对正偏差而导致“红焦落地”的严重事故在国内外也是屡

焦炉尾焦收集手控制系统的研究与设计

见不鲜的.另外，焦炉一般使用年限较长，焦炉老化是普遍存在的问题，随之带来炉室弯

曲变形等问题，使得焦车的停车对正精度需进一步提高，根据目前国内焦炉的具体情况，

± 10mn。的对正精度是比较适中的。当前，存在炼焦生产中不利因素主要有以下几点：

1）.粉尘大、腐蚀性气体严重，环境温度高，环境恶劣；

2）.车辆分散，活动频繁，运行时自身震动大；

3）.车辆定位难，准确率低；

4）.信号屏蔽和无线通讯干扰大；

5）.焦炉的孔数不同；

6）.焦炉的结焦时间不同；

7）.炉龄不同，新旧炉同时使用；

8）.焦炉的推焦计划编制不同；

9）.推焦车，拦焦车，熄焦车对正不精确；

10）.采用交流载波方式实现大车连锁，可靠性差，操作时耽误时间；

11）.人工编制推焦计划浪费时间，不精确。

总之，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，本文就是要通过在

湘钢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

作为湖南省支柱企业之一的湘潭钢铁集团公司随着工业的发展，每年对焦炭的需求量

都在增加。如何在原有设备的基础上，提高焦炭产量、质量和降低能耗，是该公司，也是

国内外同行企业所面临着思考的问题。解决这个问题的途径之一是——如何采取有效的方

法处理尾焦。目前国内大多是采用人工将尾焦重新铲入炭化室内，再次进行冶炼。这种处

理方法缺点是不仅增加产品（焦炭）成本，还降低了焦炭产量和质量，而且增加能耗；

另外，还会造成焦炉炭化室炉墙局部温度过高，形成石墨，致使推焦时因增加挤压损坏

炉墙。既增加焦炉热修频次，又缩短焦炉寿命。因此，正确地处理好焦炉尾焦的收集工作

意义重大。

本设计的主要目的就是要在参考大量文献资料的基础上，结合湘潭钢铁集团焦化厂的

工况实际，采用工业机械手技术，提出一种优化可行的尾焦收集手装置的方案，并且初

步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，以改善现场操作环境、减轻操作人员劳动强度、提高焦炭质

量，从而克服以上提到的人工铲焦回炉的诸多缺陷。

同时，尾焦收集的技术攻关，曾在国内许多焦化厂做过攻关尝试，都做得不是很成功，

焦炉尾焦收集手控制系统的研究与设计

主要是尾焦收集过程自动化程度不高，在收集过程中仍存在诸多问题，如卸焦和即时熄

焦的操作时间控制不当，焦碳损失和质量变差、现场操作环境没有得到根本改善、操作人

员劳动强度仍然较大等。所以在以前研究的基础上，改进收集装置，在延长焦炉寿命、增

加焦炭产量和提高经济效益上有着非常重要的意义。

1.3 本课题的研究内容

焦炉尾焦收集手控制系统的研究与设计

第二章收集手控制系统的分析

收集手的设计，主要是根据生产的具体要求来收集手方案的设计。由于使用的场合和

工作要求的不同,其结构和类型亦各不相同，本章根据具体的工况条件，结合设计的要求，

合理的选择和确定收集手的坐标型式、基本参数、机械结构、驱动方式和以及控制方式并确

定收集手的传动方案，然后把系统和控制策略转化为运动机构和电机控制，对运动机构

和电机控制的基本理论进行深入研究。

2.1 收集手的工作原理和结构设计

焦炉尾焦收集系统，旨在完成炭化室炉门开启和推焦过程所遗留于炉门外的红焦收集、

转运、熄焦和最终收集。系统由轨道、尾焦收集手、液压系统、水冷循环湿熄焦系统、动力源、

电控操作柜等部分组成。其中尾焦收集手的主要目标就是自动并且充分的收集尾焦，并将

尾焦转移到熄焦车内。

我们拟定的尾焦收集系统就是要在湘刚钢原有设备的基础上提高其焦炭的产量,质量

和降低能耗，其中尾焦收集机械手的工况现场则是湘钢焦化厂的推焦车上。(见图1)由于

每炉产生的尾焦大约在 40 千克左右,所以我们拟定设计的机械手收集箱最大收集量设计为

50千克即可。在湘钢的现场考察我们发现推焦车顺利完成一次推焦过程的时间大约为8分

30 秒。

图1.收集手的工况现场——推焦车

焦炉尾焦收集手控制系统的研究与设计

下面以推焦车顺利完成 63 号炉的推焦过程为例来说明推焦车的工艺流程：在 0~20 秒，

开门位置调整；21~50秒，开门机构旋开关，开炉门；51~75 秒；推焦车右移,推焦杆对准；

75 秒~2分27秒，推焦最终完成；2 分 28秒~3分30秒，推焦车左移，关炉门；3分31秒

~4 分 7秒，注入煤粉, 推焦车右移；4 分 8秒~7分51秒，推焦车平焦；7分52秒~8分 36

秒，推焦车移到 73 号炉，完成一次推焦流程。由上面的工艺流程我们可以看出,推焦的时

间大概只有80秒,而平煤的时间最长，大约160秒。根据其生产的流程，机械手的设计应

该注意以下几点：

平煤和推焦过程中，整个推焦车在竖直方向有小幅度的摆动，这会影响到收集手的定

位精度和寿命,需要采用相应的缓冲措施，比如用弹簧装置来吸震。

如果拟定设计的收集手安装在开炉门杆的下端，则在炉门开启以前收集手将到位，开

始准备收集尾焦。一直到推焦顺利完成，收集手相对炉门都不能有位移。但是由于开炉门

装置和推焦杆水平方向有一定的位移，这使得推焦车有一个水平右移的过程，才能顺利

的完成推焦过程。但是收集手必须安装在推焦车上，也会跟随推焦车一起移动，所以机械

手只能设计成非定位式的，这将对收集手轨道的设计增加难度,提出新的要求。

由于此收集手是收集红焦的装置，工作环境也位于温度极高的炭化室前，所以必须将

高温工作环境作为此收集手的重要问题来考虑。

炉焦是通过推焦车上的推焦杆从炉膛中排出，散落在区域为870x580（毫米）焦炉平

台上。收集手要随动于推焦车，收集箱接收的是推焦杆推下来的炉焦。收集箱收集炉焦后

不是在原位置将它重新倒入炉膛内进行二次炼焦，而是送到与推焦车同轨道运行的熄焦

车里。炉焦温度极高，推焦杆所在支座距离推焦车平台边缘只有 15毫米，而开门杆所在

支座距离平台边缘为 252毫米，又推焦车运动方向如图所示，所以机械手的初始位置初定

在与开门杆支座同一水平线的推焦车上。又推焦车要收集的是近百个炭化室的炉焦，所以

该机械手设计为非定位式的。它从初始位置相对于推焦杆要移动一段距离，距离为开门支

座与推焦支座中心距，约为 2830 毫米。最后，由于该机械手工作在高温环境，手部要采

取冷却与隔热措施；又工作所在环境粉尘多，该机械手应加防护罩及密封装置。推焦车与

焦炉平台尺寸如图2-3 所示：

由上面的工况分析可知，此尾焦收集手需要在较小的工作范围内获得较大力，而且要

求工作比较平稳，力、速度和方向可以容易控制。同时相对较高的工作环境也是设计不可

忽视的问题.根据工况条件，初步确定为液压或气压收集手。如果采用液压收集手,前面的

问题可以很好的解决，但是对于高温环境却还需进一步考虑；如果采用气压驱动，安全

问题可以很好的解决，但是其相对较大的结构无法满足结构的需要，所以经过综合考虑，

我们采用液压驱动。

确定运动路线：专业机械收集手要实现设计所需的动作要求，往往可有好几个运动路

线。需要通过分析比较，最后确定一个路线最短、动作比较少的方案。根据动作要求，并结

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焦炉尾焦收集手控制系统的研究与设计焦炉尾焦收集手控制系统的研究与设计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。（2）完成了...

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