摘要:本文在簡(jiǎn)介軌道式集裝箱門(mén)式起重機(jī)的基礎(chǔ)上著重介紹了其電氣控制系統(tǒng)的三層功能—執(zhí)行、拉制、監(jiān)視;并介紹了變頻調(diào)速應(yīng)用在起重機(jī)上的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)健詞:軌道式門(mén)式起重機(jī)變頻調(diào)速PLC人機(jī)界面
1軌道式集裝箱門(mén)式起重機(jī)簡(jiǎn)介
本機(jī)用于水運(yùn)所試驗(yàn)基地堆場(chǎng)上的集裝箱裝卸作業(yè)試驗(yàn)，采用雙主梁、雙懸臂、帶斜拉桿的橋架結(jié)構(gòu)，主結(jié)構(gòu)為整體雙對(duì)稱(chēng)形式。橋架跨中可堆碼8列集裝箱，并留有1列拖掛車(chē)通道;兩側(cè)懸臂可通過(guò)2列拖掛車(chē)。集裝箱吊具可越過(guò)4層箱垛并堆裝第5層集裝箱(箱高9英尺6英寸)。主要技術(shù)參數(shù)如下:
起重量:30.5T(吊具下)，35T(吊鉤橫梁下);
滿(mǎn)載吊具升降速度:25 m/min
空載吊具升降速度:50 m/min
滿(mǎn)載吊鉤橫梁升降速度:16t m/min
小車(chē)速度:120 m/min
大車(chē)速度:25m/min
軌距:30m
基距:9m
裝機(jī)容量:380Kw
本機(jī)主要功能是:
l)模擬岸邊集裝箱起重機(jī)、集裝箱門(mén)式起重機(jī)裝卸作業(yè)工藝，開(kāi)展單機(jī)性能試驗(yàn)及作業(yè)效率研究;
2)集裝箱機(jī)械的技術(shù)性能及參數(shù)的檢測(cè)試驗(yàn);
3)電氣驅(qū)動(dòng)和控制性能試驗(yàn)和檢測(cè)
4)集裝箱吊具作業(yè)技術(shù)及工作性能試驗(yàn)
5)集裝箱裝卸機(jī)械操作人員操作技術(shù)的模擬培訓(xùn)。
2電氣系統(tǒng)原理與組成
本機(jī)電氣系統(tǒng)的主要組成部分有:安川變頻器(VS一616G5型)、通用電氣可編程控制器(GE一9030)、研祥工控機(jī)，上位監(jiān)控軟件正記.6以及Digital公司的GP觸摸屏。整個(gè)系統(tǒng)分三個(gè)層次:執(zhí)行層、控制層、監(jiān)視層。
本機(jī)由司機(jī)室操作臺(tái)集中對(duì)起升機(jī)構(gòu)、小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、頂規(guī)器、集裝箱吊具伸縮、轉(zhuǎn)鎖、導(dǎo)板等進(jìn)行操作控制。根據(jù)作業(yè)工況的要求，起升機(jī)構(gòu)和小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)和大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)可以同時(shí)運(yùn)行。
2.1執(zhí)行層
執(zhí)行層:主要由變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)與控制。電氣馭動(dòng)系統(tǒng)框圖如圖1所示。
起升機(jī)構(gòu)采用一臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)功率為20()KW，轉(zhuǎn)速為980/1960rpm，額定電流為370A，起升變頻器選用616G5A4330，額定輸出電流為605A，帶PG一BZ卡，選用閉環(huán)矢量控制模式，速度控制范圍是l:10()0。系統(tǒng)具有足夠的調(diào)速硬度和良好的低能轉(zhuǎn)矩特性，在OHz電機(jī)能以150%額定轉(zhuǎn)矩輸出，50Hz以下實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，50HZ以上實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。
起升機(jī)構(gòu)屬于位勢(shì)負(fù)荷，即負(fù)荷力矩的方向始終一致，因此驅(qū)動(dòng)器除提供滿(mǎn)足負(fù)荷上升和下降的方向運(yùn)行力矩外，在制動(dòng)器打開(kāi)時(shí)，以及在整個(gè)減速停車(chē)過(guò)程中，都要提供足以維持負(fù)荷重量的力矩。在每一次起動(dòng)時(shí)(不論上升還是下降)，變頻器根據(jù)對(duì)電動(dòng)機(jī)的自適應(yīng)檢測(cè)出所必須提供的力矩，提供出一個(gè)狀態(tài)化適當(dāng)?shù)碾娏鹘o電動(dòng)機(jī)，如果變頻器讀到 反饋的電流，則制動(dòng)器釋放、打開(kāi);如果變頻器讀不到反饋電流，則認(rèn)為力矩檢測(cè)失敗，并提供有關(guān)的信息顯示。
低速制動(dòng)是所有調(diào)速機(jī)構(gòu)的共同特點(diǎn)。實(shí)際速度的反饋是通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器將速度反饋至變頻器，變頻器將速度的轉(zhuǎn)換值用通信的形式傳遞至PLC，然后井制制動(dòng)器的動(dòng)作，在速度減至接近于零時(shí)，發(fā)出制動(dòng)指令，保證了機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)行及制動(dòng)過(guò)程中的平穩(wěn)，沒(méi)有任何沖擊負(fù)荷的效應(yīng)。
恒功率調(diào)速是起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行高效節(jié)能、廣泛應(yīng)用的控制方式，即在重載時(shí)，保持在電動(dòng)機(jī)基速以下的最大恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行;而在輕載或空載時(shí)，利用電動(dòng)機(jī)高速低轉(zhuǎn)矩輸出的特性，根據(jù)負(fù)荷大小所應(yīng)提供的轉(zhuǎn)矩弱磁提高轉(zhuǎn)速，保持功率恒定，以提高起重機(jī)的使用效率。該起重機(jī)的最高轉(zhuǎn)速是基速的兩倍，即頻率輸出為卜l0()I][z。負(fù)荷的檢測(cè)是根據(jù)提供電流的大小，通過(guò)數(shù)據(jù)通信由變頻器傳至PLC，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算比較得出向變頻器發(fā)出的速度給定指令。
大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用四臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，功率4xlIKW，轉(zhuǎn)速為970rpm，額定電流為104A，與起升機(jī)構(gòu)共用一臺(tái)變頻器，采用不帶速度反饋的矢量控制方式，即開(kāi)環(huán)矢量控制方式，其速度控制范圍為卜100，IHZ時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)150%。
小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用兩臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，功率為Zx37KW，轉(zhuǎn)速為巧00rpm，額定電流為140A，變頻器選用616G5A4100，帶PG一BZ卡，選用閉環(huán)V/f控制方式。其速度控制范圍為1:100，l比時(shí)啟動(dòng)力矩可達(dá)150%。
吊具系統(tǒng)采用一臺(tái)吊具泵驅(qū)動(dòng)，主要?jiǎng)幼饔械蹙呱斐觥⒌蹙呖s回、旋鎖打開(kāi)、旋鎖閉合;吊具泵啟動(dòng)后，根據(jù)操作信號(hào)，開(kāi)閉相應(yīng)的電磁閥。
2.2控制層
控制層由PLC及工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)組成，通過(guò)PLC程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的安全保護(hù)和運(yùn)行控制�？刂葡到y(tǒng)框圖見(jiàn)圖2。
PLC系統(tǒng)主要由電源模塊、CPU模塊、Geulus通訊模塊、ROfiBus通訊模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、AO模塊、DlfDO模塊、遠(yuǎn)程模塊組成。按所處位置分為本地站、操作臺(tái)、大車(chē)箱、吊具箱、變頻器等五部分。
CPU模塊負(fù)責(zé)PLC系統(tǒng)本身的自動(dòng)管理、輸人采集、程序處理、輸出刷新。
Genius模塊通過(guò)屏蔽電纜與遠(yuǎn)程站的FieldControlUnit模塊相連完成G。五uS通訊，通訊波特率為153.6K萬(wàn)厄(各遠(yuǎn)程站中配有FieldContro1Unit模塊，負(fù)責(zé)所在遠(yuǎn)程站各模塊的地址配置幾信號(hào)定義、與主站的通訊)。
Profibus模塊通過(guò)屏蔽電纜與變頻器sI一P卡相連完成PLC與變頻器之間的通訊，變頻器的所有數(shù)據(jù)，包括各項(xiàng)指令信息、狀態(tài)信息等，都可以通過(guò)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞。該起重機(jī)的每一臺(tái)變頻器上都配備有SLP卡，負(fù)責(zé)與PLC的通訊、變頻器站號(hào)通過(guò)sI一P卡上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)設(shè)定。兩者的通訊需要安川變頻器的GSD文件引導(dǎo)，該文件的配置在PLC的硬件配置文件中設(shè)定。
高速計(jì)數(shù)模塊與脈沖發(fā)生器相連，采集各電機(jī)的實(shí)時(shí)速度。
AL/AO/DI/DO模塊是各現(xiàn)場(chǎng)電氣元件與CPU之間聯(lián)系的橋梁，AI/DI用于接收和采集外設(shè)輸人信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化成CPU能接受和處理的數(shù)據(jù)。AO用幻模塊將CPU的輸出控制信息轉(zhuǎn)換成外設(shè)所需要的控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
PLC通過(guò)CPU364上的以太網(wǎng)口與工控機(jī)相連，采用TCP幾P通訊協(xié)議與上位監(jiān)控軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過(guò)電源模塊上的串口與司機(jī)室觸摸屏相連，采用SNrP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳給觸摸屏監(jiān)控軟件。
2.3監(jiān)視層
電氣室裝有工控機(jī)和正議圖形控制軟件，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示起重機(jī)各運(yùn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)時(shí)顯示電機(jī)速度、起重量等參數(shù);司機(jī)室放置GP2301工業(yè)觸摸屏，實(shí)時(shí)顯示各電氣元部件狀態(tài)。
為了方便用戶(hù)對(duì)設(shè)備的使用、維修和管理，該起重機(jī)具有完善的上位監(jiān)控系統(tǒng)和故障報(bào)警顯示器。監(jiān)控系統(tǒng)的硬件就是一臺(tái)上位計(jì)算機(jī)，通過(guò)以太網(wǎng)卡與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信;其軟件平臺(tái)為正如口.6人機(jī)界面軟件。起重機(jī)調(diào)試界面如圖3所示。
該起重機(jī)的主要作業(yè)機(jī)構(gòu)為起升、小車(chē)和大車(chē)機(jī)構(gòu)，而起升和小車(chē)構(gòu)成的立體作業(yè)運(yùn)行過(guò)程為監(jiān)控系統(tǒng)提供了一個(gè)很好的二維動(dòng)態(tài)顯示畫(huà)面。該監(jiān)控系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)模擬起重機(jī)的作業(yè)狀況，包括起升、小車(chē)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的動(dòng)畫(huà)模擬。其中起升和小車(chē)的移動(dòng)位置和速度是根據(jù)PLC所提供的計(jì)算位置和速度而得到的，并伴有數(shù)值顯示。
起重機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中可能發(fā)生的故障，都可由上位系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、存儲(chǔ)及打印。當(dāng)某一故障發(fā)生時(shí)，進(jìn)人替報(bào)記錄查看器，即可查看到歷史上所發(fā)生的故障、警報(bào)的內(nèi)容和時(shí)間、日期。
起重機(jī)的調(diào)試或維護(hù)工程師，都希望能在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)各機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速、電流、力矩等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視。而監(jiān)控系統(tǒng)具有這種以曲線(xiàn)形式反映在坐標(biāo)軸上的示波器功能，坐標(biāo)軸的橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為參數(shù)值，曲線(xiàn)可以根據(jù)參數(shù)類(lèi)型進(jìn)行放大、縮小，其掃描速度可以加快、減慢或停止，并可鎖定。此外，各個(gè)機(jī)構(gòu)的速度設(shè)定、轉(zhuǎn)速、電流、力矩等參數(shù)曲線(xiàn)可以任意單獨(dú)切換或同時(shí)選擇。
監(jiān)控系統(tǒng)各類(lèi)故障表、變頻器參數(shù)表、曲線(xiàn)圖等均可通過(guò)打印機(jī)打印出來(lái)。
3結(jié)束語(yǔ)
l)閉環(huán)控制的速度反饋采用增量式脈沖編碼器，系統(tǒng)具有足夠的調(diào)速硬度和良好的低頻轉(zhuǎn)矩特性，能避免低頻時(shí)滿(mǎn)負(fù)荷工況下發(fā)生帶不動(dòng)負(fù)載的現(xiàn)象。
2)軌道式集裝箱門(mén)式起重機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)整機(jī)迅速準(zhǔn)確的移動(dòng)和定位，運(yùn)行平穩(wěn)。起升機(jī)構(gòu)具有良好的低速性能，實(shí)現(xiàn)零速抱閘，全速受控，減少制動(dòng)器閉合時(shí)的振動(dòng)及制動(dòng)片磨損。利用恒功率功能，實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源的目的
3)變頻器設(shè)有輸出濾波器，有較好的輸出波形補(bǔ)償，從而減少了由于輸出線(xiàn)較長(zhǎng)而造成的傳輸損耗。
4)控制層采用PLC使控制系統(tǒng)具備快速、準(zhǔn)確、可靠的性能，并節(jié)約了大量中間繼電器。
