基于四轴联动的焦炉尾焦收集手
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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
I
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
II
目 录
摘 要I
Abstract II
第1章 绪 论1
1.1 课题的研究背景 1
1.2 课题的研究意义 2
1.3 本文的主要研究内容 3
第2章 收集手控制系统的分析 4
2.1 收集手的工作原理和结构设计 4
2.2 结构运动学分析 7
2.2.1 平动坐标 8
2.2.2 转动坐标 10
2.2.3 时间与参数关系 12
2.2.4 4坐标轴联动原理 13
2.3 收集手控制系统的工作原理 13
2.4 伺服电机控制算法 15
2.5 本章小结 17
第3章 系统总体方案设计 18
3.1 四轴位置控制系统简介 18
3.1.1 专用 DSP 运动控制的方案 18
3.1.2 通用 DSP 和CPLD/FPGA 方案 18
3.1.3 只采用 CPLD/FPGA 方案 19
3.2 运动控制卡总体方案设计 19
3.3 系统硬件设计 21
3.4 系统软件设计 22
3.5 本章小结 23
第4章 系统硬件模块的设计 24
4.1 DSP 控制模块 24
4.1.1 芯片选型 24
4.1.2 模块总体框图 26
4.1.3 时钟基准 26
4.1.4 地址译码和读写控制 27
4.1.5 VC33 复位和仿真口 29
4.1.6 FLASH 存储器 29
4.1.7 数模转换器 DAC7725 31
4.2 CPLD 计数模块 32
4.2.1 EPM7128 介绍 32
4.2.2 光电码盘原理 34
4.2.3 光电码盘计数器 35
4.3 PCI 总线接口模块 37
4.3.1 芯片选型 37
4.3.2 PCI 总线接口设计 37
4.3.3 地址空间分配 38
4.4 双口 RAM 模块 41
4.5 伺服接口板 42
4.5.1 光电码盘输入接口 43
4.5.2 数子量输入输出 43
4.6 控制系统电源模块 44
4.7 本章小节 45
第5章 运动控制系统软件设计 46
5.1 WDM 驱动程序 46
5.1.1 驱动程序框架46
5.1.2 DriverStudio 驱动开发 47
5.1.3 驱动程序的安装 51
5.1.4 动态链接库（DLL）52
5.1.5 应用程序访问板卡 56
5.1.6 驱动程序的调试 57
5.1.7 驱动开发注意事项 58
5.2 VC33 程序设计 60
5.2.1 指令系统 60
5.2.2 集成开发环境 CCS 61
5.2.3 公共目标文件格式 COFF 62
5.2.4 VC33 程序引导方法 63
5.2.5 C语言编程和定时中断 66
5.3 本章小节 69
第6章 系统功能测试 70
6.1 运动控制卡在系统中的应用70
6.2 运动控制系统关节调试 71
6.3 本章小节 76
第7章 结论与展望 77
7.1 全文总结 77
7.2 课题展望 77
参考文献 78
致 谢80
攻读硕士学位期间公开发表的论文 81
焦炉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=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[1]。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
1
摘要：
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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TMS320VC...
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作者：李琳琳
分类：高等教育资料
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时间：2024-10-14
