沈策（1978-）

    男，浙江金華人，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)就職于杭州華新機電工程有限公司項目執(zhí)行部，主要研究方向為電氣自動化。



   摘  要：文章詳細(xì)介紹了SIEMENS直流調(diào)速系統(tǒng)、交流調(diào)速系統(tǒng)和S7-300 PLC在小型卸船機上的應(yīng)用，并簡要介紹了ZQX300能夠?qū)崿F(xiàn)卸船機高級控制功能的方法。

   關(guān)鍵詞：卸船機；調(diào)速系統(tǒng)；6RA70；S7-300；PROFIBUS

   Abstract: This paper introduces the application of Siemens Drive System and S7-300 PLC in ZQX300 Ship Unloader in detail, and explains briefly the method how the advanced control is realized by ZQX300.

   Key words: Ship Unloader; Drive System; 6RA70; S7-300; PROFIBUS

   1 引言

    ZQX300卸船機被廣泛應(yīng)用于內(nèi)河散貨碼頭，特別針對3000噸級以下散貨駁船設(shè)計，適用于接卸煤炭、礦粉、水泥等各種物料。

    ZQX300卸船機具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、性價比高等特點，其特有的軟開閉斗、自動沉挖、力矩平衡、半自動運行功能不僅保障了生產(chǎn)的安全性，同時也大大減輕了操作人員的工作強度，其運行的可靠性也大大降低了用戶的維護(hù)成本。

    2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

    ZQX300卸船機由起升、開閉、小車、大車、料水等機構(gòu)組成，其中起升、開閉、小車機構(gòu)各由一臺電機驅(qū)動，電機安裝在機房內(nèi)，大車機構(gòu)由2臺電機驅(qū)動，給料機由2臺電機驅(qū)動，均為露天安裝。其常規(guī)控制裝置為聯(lián)動臺，安裝在司機室內(nèi)，可以對機內(nèi)所有機構(gòu)進(jìn)行操作。在機房、大車就地位置，料水系統(tǒng)邊上設(shè)有就地操作面板，可對相應(yīng)的機構(gòu)進(jìn)行檢修或應(yīng)急操作。整機控制系統(tǒng)安裝在電氣房。

    2.1 調(diào)速系統(tǒng)

    相比交流系統(tǒng)，直流電機有弱磁轉(zhuǎn)速下的過載能力強；動態(tài)精度較高；所用的直流調(diào)速器尺寸緊湊且經(jīng)濟成本低；控制簡單直觀等優(yōu)點，同時，直流調(diào)速也有電機效率低；防護(hù)等級差；日常維護(hù)成本高的缺點。

    交流系統(tǒng)有防護(hù)等級高，維護(hù)成本低；較強的抗電壓波動能力等優(yōu)點，但同時也有電磁噪音大；熱損耗高；絕緣成本高等缺點。

    經(jīng)過以上優(yōu)缺點的比較，根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)場的實際情況及預(yù)算，最終在ZQX300卸船機的主機構(gòu)如起升、開閉、小車上采用直流調(diào)速方案，輔助機構(gòu)如大車、給料機構(gòu)上采用交流變頻調(diào)速方案。主機構(gòu)的電機都安裝在防雨機房內(nèi)，對防護(hù)等級的要求低，輔助機構(gòu)的電機都為露天安裝，需要較高的防護(hù)等級，這樣的方案配置不僅滿足了各機構(gòu)的防護(hù)要求，也滿足各機構(gòu)對動態(tài)性能的要求，并且具有最佳的經(jīng)濟性。

    2.1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)

    直流調(diào)速系統(tǒng)選擇SIEMENS 6RA70系列直流調(diào)速器，6RA70系列直流調(diào)速器具有極快的控制特性，其電流和轉(zhuǎn)矩上升時間最快可以小于10ms，非常適合卸船機主機構(gòu)的高動態(tài)響應(yīng)要求。并且自身具備高速運算功能和可擴展信號輸入輸出口，可分擔(dān)PLC的部分運算負(fù)載，有效提高整機系統(tǒng)速度。

    起升、開閉、小車機構(gòu)各選用一臺四象限運行的6RA70，配裝LBA+ADB+CPB2選件，用于現(xiàn)場總線的連接。充分應(yīng)用調(diào)速器自帶的信號輸入輸出口，將機構(gòu)主回路接觸器、抱閘回路接觸器的命令輸出和反饋輸入信號直接接入調(diào)速器的CUD1主板。

    各電機配備的1024脈沖編碼器直接接入CUD1板的編碼器專用接口，其脈沖信號作為電機速度反饋信號，直接參與調(diào)速器內(nèi)的速度閉環(huán)控制。并直接利用直流調(diào)速器中的運算功能塊，生成電機運動的累計轉(zhuǎn)動數(shù)量值，通過總線將累計值傳輸?shù)絇LC，經(jīng)過規(guī)格化處理，生成抓斗位置及開閉度的三維數(shù)值，作為實現(xiàn)卸船機軟開斗、軟閉斗、半自動控制等多項功能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

    2.1.2 交流調(diào)速系統(tǒng)

    大車和給料機構(gòu)選用6SE70系列全數(shù)字變頻調(diào)速器，6SE70系列為工程型變頻器，具有矢量控制功能，系統(tǒng)響應(yīng)迅速。變頻器裝配CBP2板，以實現(xiàn)現(xiàn)場總線的接入，充分應(yīng)用調(diào)速器自帶的信號輸入輸出口，將機構(gòu)主回路接觸器、抱閘回路接觸器的命令輸出和反饋輸入信號直接接入調(diào)速器的CUVC主板。

    每臺變頻器成組拖動2臺交流變頻電機，其中大車機構(gòu)為了實現(xiàn)快速減速制動，配備了制動單元和制動電阻，給料機為自由停車方式，無額外的制動機構(gòu)。

    大車和給料機構(gòu)為多電機傳動系統(tǒng)，均采用V/F方式控制，不需額外的速度回饋裝置，以內(nèi)部電壓檢測值作為調(diào)速參數(shù)。該方式完全滿足輔助機構(gòu)的低動態(tài)響應(yīng)要求，參數(shù)設(shè)置過程簡便。

    2.2 PLC部分

    針對小型卸船機的運算要求及信息容量，選用315-2DP的CPU作為整機的控制核心，該CPU有一個MPI接口，用于連接上位機和TP170A觸摸屏，一個DP總線接口，用于接入現(xiàn)場總線。CPU負(fù)責(zé)在預(yù)定的信息周期內(nèi)，循環(huán)與從站交換信息包括發(fā)送控制信息和讀取從站的狀態(tài)，并且通過程序?qū)崿F(xiàn)對從站的診斷對各種I/O信息的處理。其軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括初始化軟件，DB塊數(shù)據(jù)存儲及類型轉(zhuǎn)換軟件，故障軟件，和報警軟件。

    根據(jù)卸船機的信號分布，整個PLC系統(tǒng)設(shè)置一個主PLC主站，安裝在電氣房的主PLC柜中，一個遠(yuǎn)程I/O子站安裝在大車控制柜，負(fù)責(zé)大車和料水機構(gòu)的信號采集和控制輸出，一個遠(yuǎn)程I/O子站安裝在司機室控制柜，負(fù)責(zé)司機室的信號采集和控制輸出。子站通過ET200M接口模塊接入現(xiàn)場總線。

    3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    3.1 編碼器部分

    軟開閉斗、半自動操作功能的實現(xiàn)是以對抓斗位置及閉合程度的準(zhǔn)確定位為前提的，在以往的大型卸船機控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)此項功能需要在各機構(gòu)的電機側(cè)或卷筒側(cè)各增加一套絕對值編碼器檢測設(shè)備，還需要在PLC系統(tǒng)中增加相應(yīng)數(shù)量的定位模塊。而在ZQX300卸船機上，脈沖編碼器直接接入6RA70調(diào)速器已有的編碼器接口，同時承擔(dān)了速度反饋和抓斗定位功能，從而節(jié)省了在絕對值編碼器和定位模塊上的投資。因為6RA70調(diào)速器本身具有編碼器計算功能，我們只需要從調(diào)速器中將以雙字格式存儲的位置值讀入PLC進(jìn)行處理即可，總線的應(yīng)用保證了該類數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群途_度。由前面的數(shù)據(jù)交換表可以看出，起升機構(gòu)的位置值在PLC中通過DB31.DBD48和DB31.DBD52調(diào)用，開閉機構(gòu)、小車機構(gòu)的做法也是一樣，通過對起升機構(gòu)和開閉機構(gòu)的位置值的差值進(jìn)行規(guī)格化，可方便地得到抓斗的實時閉合角度值。

    和使用絕對值編碼器一樣，由于編碼器本身存在的誤差或者由于鋼絲繩的彈性變形，在運行一段時間后，得到的位置檢測值也會產(chǎn)生偏差，需要對其進(jìn)行校正，在ZQX300卸船機上，設(shè)置了固定位置的限位開關(guān)作為編碼器校正點，通過調(diào)速器的P452參數(shù)實現(xiàn)對位置值的每循環(huán)自動校正，很好地解決了這個問題。

    與編碼器相關(guān)的參數(shù)設(shè)置和說明如表1所示。

            表1

         

    3.2 通訊部分

    在ZQX300卸船機上，采用PROFIBUS-DP作為系統(tǒng)總線，將各PLC站點和調(diào)速器接入總線，實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)交換，PROFIBUS-DP是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代常用的24VDC或4~20mA信號傳輸。利用調(diào)速器自帶的PZD報文功能塊，最多達(dá)到現(xiàn)16個字的數(shù)量交換量，每個字可拆分為16個控制位，或者合并為32位的雙字格式。

    在該卸船機的配置中，315-2DP CPU作為一類主站，各遠(yuǎn)程PLC子站和調(diào)速器作為從站，構(gòu)建完成整個卸船機的控制系統(tǒng)，總線以1.5Mkps的設(shè)置速率運行（最高可到12Mkps），在滿足數(shù)據(jù)傳輸速度要求的前提下，盡可能地保證了傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。系統(tǒng)的軟件配置由STEP7編程軟件完成，各子站的模塊通過編程軟件自由設(shè)置I/O地址，這個功能方便了幾個機構(gòu)相關(guān)信號的編號區(qū)分，設(shè)置完成后即可在程序中自由調(diào)用。各調(diào)速器的的參數(shù)讀取采用自帶的PZD報文功能，通過簡單的參數(shù)設(shè)置完成，表2是起升調(diào)速器和PLC的數(shù)據(jù)交換設(shè)置表，如下所示。

                 表2   調(diào)速器—PLC數(shù)據(jù)交換表(起升機構(gòu))

            

    在PLC中建立相應(yīng)的DB數(shù)據(jù)塊，將發(fā)至調(diào)速器或從調(diào)速器的數(shù)據(jù)通過STEP7自帶的SFC14，SFC15功能塊一次性寫入讀出到建立好的DB塊中，大大減輕了編程工作量，也加快了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取?BR>
    3.3 控制功能

    ZQX300卸船機除了實現(xiàn)常規(guī)同級別小卸船機所具有的抓料、搬運、放料等常規(guī)功能外，充分運用PLC系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)的現(xiàn)有功能，以很小的成本實現(xiàn)了以前只有在大型卸船機上才有的軟開閉斗、自動沉挖、力矩平衡、半自動操作等功能。

    基于脈沖編碼器產(chǎn)生的抓斗實時位置值和開度值在自動沉挖、力矩平衡功能的投入?yún)^(qū)域判斷中發(fā)揮了作用，使其準(zhǔn)確地判斷了可執(zhí)行的區(qū)域。

    自動沉挖、力矩平衡功能都是通過S7-300 PLC強大的計算功能來實現(xiàn)，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是6RA70調(diào)速器通過總線傳入PLC的各電機的力矩值。6RA70調(diào)速器也可獨立完成該功能，通過在起升和開閉調(diào)速器間建立的模擬量通道或SIMOLINK通道，但是前者有誤差大，后者有投資高的缺點。在ZQX300卸船機上，PLC對各機構(gòu)的力矩數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、運算、規(guī)格化后，結(jié)合抓斗位置值，得出針對各機構(gòu)的力矩修正值，再通過總線傳送至各調(diào)速器，通過6RA70調(diào)速器附加給定通道參數(shù)設(shè)定，對各機構(gòu)的力矩和速度進(jìn)行調(diào)整，以實現(xiàn)相對應(yīng)的功能。

    3.3.1 軟開閉斗

    一般的抓斗控制系統(tǒng)，控制開閉斗的時機完全靠司機的估計和熟練程度，開閉電動機易造成過載，抓斗開閉易過頭，增大了設(shè)備故障率和機械損傷。軟開閉斗功能使抓斗在接近完全開斗或閉斗的位置自動減速，在完全開斗或閉斗的位置自動停止。有效降低了抓斗的機械損耗，并減低了噪音污染。

    由于抓斗沒有檢測器件，抓斗的斗形無法直接檢測。從抓斗的工藝我們了解到，抓斗的開閉是通過起升/開閉之間的相對運動來實現(xiàn)，所以通過PLC程序檢測起升/開閉之間的位置差值可以計算出抓斗的開合程度。因此，抓斗的開閉就可以通過控制起升/開閉的相對位置來控制。完成抓斗初始設(shè)定后，抓斗開、閉斗時，起升機構(gòu)和開閉機構(gòu)將根據(jù)抓斗的即時開度、開閉斗的預(yù)置減速位置、開閉斗的預(yù)置停止位置，自動減速、自動停止。為了防止在開閉斗時抓斗的機構(gòu)沖擊，抓斗控制軟件編制了位置給定軟件功能塊實現(xiàn)對位置給定的軟化作用。

    3.3.2 自動沉抓

    自動沉挖功能使抓斗在料面上方開始抓料時，自動產(chǎn)生一個下挖動作，實現(xiàn)額定負(fù)荷作業(yè)，大大提高了作業(yè)效率。
電氣控制系統(tǒng)通過對抓斗的抓取特性建立專用的數(shù)學(xué)模型，協(xié)調(diào)控制起升機構(gòu)和開閉機構(gòu)的轉(zhuǎn)速和力矩，實現(xiàn)抓斗的最大抓取量控制，有效的提高抓斗的抓取量。起升機構(gòu)和開閉機構(gòu)轉(zhuǎn)速、力矩的有效配合，也有效的降低了在沉挖過程中的機械震動。

    3.3.3 力矩平衡及半自動操作

    力矩平衡功能實現(xiàn)了使抓斗在重載上升時，始終保持閉斗狀態(tài)，在空載下降時，始終保持開斗狀態(tài)，并在這2個過程中，使起升、開閉電機以同樣的轉(zhuǎn)矩工作，提高了電機使用效率和壽命。

    半自動操作功能允許司機在每個抓料循環(huán)中只進(jìn)行一次人工干預(yù)，既物料抓取。抓取動作完成后的上升、進(jìn)斗、放料、返回船艙的動作由系統(tǒng)自動完成，顯著降低了操作人員的工作強度和設(shè)備使用過程中的人為損壞，提高了安全性。

    4 應(yīng)用體會

    該卸船機額定生產(chǎn)能力300T/H，最大生產(chǎn)能力為360T/H，整機工作級別為A8，卸船機通過抓斗從船舶上抓取物料，快速搬運至碼頭指定輸料皮帶或料斗。大大改進(jìn)了內(nèi)河港口接卸散料的效率，目前該機型已經(jīng)在宜興熱電、東莞三聯(lián)熱電、上海柘中管樁集團等多個單位的內(nèi)河碼頭裝備，承擔(dān)著用戶主要的進(jìn)料作業(yè)。

    配備了該控制系統(tǒng)的ZQX300卸船機自投放市場以來，運行可靠,故障率低，并以其出眾的性價比，獲得了市場的青睞和用戶的好評。其以簡約、可靠、穩(wěn)定為核心的控制系統(tǒng)設(shè)計思路正與小型碼頭的生產(chǎn)要求相符合。該系統(tǒng)的成功也驗證了SIEMENS調(diào)速系統(tǒng)和S7-300PLC的強大功能和穩(wěn)定易用性。通過調(diào)整子站的數(shù)量和I/O模塊的配置，并調(diào)整調(diào)速器的功率選擇，該系統(tǒng)同樣適用更大生產(chǎn)能力的散貨卸船機或其他具有相似工作機構(gòu)的工程機械。

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                                                              ——轉(zhuǎn)自《自動化博覽》