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   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(jī)電工程有限公司項(xiàng)目執(zhí)行部，主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)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(jī)上的應(yīng)用，并簡(jiǎn)要介紹了ZQX300能夠?qū)崿F(xiàn)卸船機(jī)高級(jí)控制功能的方法。

   關(guān)鍵詞：卸船機(jī)；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(jī)被廣泛應(yīng)用于內(nèi)河散貨碼頭，特別針對(duì)3000噸級(jí)以下散貨駁船設(shè)計(jì)，適用于接卸煤炭、礦粉、水泥等各種物料。

    ZQX300卸船機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、性價(jià)比高等特點(diǎn)，其特有的軟開閉斗、自動(dòng)沉挖、力矩平衡、半自動(dòng)運(yùn)行功能不僅保障了生產(chǎn)的安全性，同時(shí)也大大減輕了操作人員的工作強(qiáng)度，其運(yùn)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(jì)

    ZQX300卸船機(jī)由起升、開閉、小車、大車、料水等機(jī)構(gòu)組成，其中起升、開閉、小車機(jī)構(gòu)各由一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)安裝在機(jī)房?jī)?nèi)，大車機(jī)構(gòu)由2臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，給料機(jī)由2臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，均為露天安裝。其常規(guī)控制裝置為聯(lián)動(dòng)臺(tái)，安裝在司機(jī)室內(nèi)，可以對(duì)機(jī)內(nèi)所有機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作。在機(jī)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(duì)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢修或應(yīng)急操作。整機(jī)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(jī)有弱磁轉(zhuǎn)速下的過載能力強(qiáng)；動(dòng)態(tài)精度較高；所用的直流調(diào)速器尺寸緊湊且經(jīng)濟(jì)成本低；控制簡(jiǎn)單直觀等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，直流調(diào)速也有電機(jī)效率低；防護(hù)等級(jí)差；日常維護(hù)成本高的缺點(diǎn)。

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

    經(jīng)過以上優(yōu)缺點(diǎn)的比較，根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況及預(yù)算，最終在ZQX300卸船機(jī)的主機(jī)構(gòu)如起升、開閉、小車上采用直流調(diào)速方案，輔助機(jī)構(gòu)如大車、給料機(jī)構(gòu)上采用交流變頻調(diào)速方案。主機(jī)構(gòu)的電機(jī)都安裝在防雨機(jī)房?jī)?nèi)，對(duì)防護(hù)等級(jí)的要求低，輔助機(jī)構(gòu)的電機(jī)都為露天安裝，需要較高的防護(hù)等級(jí)，這樣的方案配置不僅滿足了各機(jī)構(gòu)的防護(hù)要求，也滿足各機(jī)構(gòu)對(duì)動(dòng)態(tài)性能的要求，并且具有最佳的經(jīng)濟(jì)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(shí)間最快可以小于10ms，非常適合卸船機(jī)主機(jī)構(gòu)的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求。并且自身具備高速運(yùn)算功能和可擴(kuò)展信號(hào)輸入輸出口，可分擔(dān)PLC的部分運(yùn)算負(fù)載，有效提高整機(jī)系統(tǒng)速度。

    起升、開閉、小車機(jī)構(gòu)各選用一臺(tái)四象限運(yùn)行的6RA70，配裝LBA+ADB+CPB2選件，用于現(xiàn)場(chǎng)總線的連接。充分應(yīng)用調(diào)速器自帶的信號(hào)輸入輸出口，將機(jī)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(hào)直接接入調(diào)速器的CUD1主板。

    各電機(jī)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(hào)作為電機(jī)速度反饋信號(hào)，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(yùn)算功能塊，生成電機(jī)運(yùn)動(dòng)的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)量值，通過總線將累計(jì)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(shí)現(xiàn)卸船機(jī)軟開斗、軟閉斗、半自動(dòng)控制等多項(xiàng)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(jī)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線的接入，充分應(yīng)用調(diào)速器自帶的信號(hào)輸入輸出口，將機(jī)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(hào)直接接入調(diào)速器的CUVC主板。

    每臺(tái)變頻器成組拖動(dòng)2臺(tái)交流變頻電機(jī)，其中大車機(jī)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)快速減速制動(dòng)，配備了制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，給料機(jī)為自由停車方式，無額外的制動(dòng)機(jī)構(gòu)。

    大車和給料機(jī)構(gòu)為多電機(jī)傳動(dòng)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(cè)值作為調(diào)速參數(shù)。該方式完全滿足輔助機(jī)構(gòu)的低動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，參數(shù)設(shè)置過程簡(jiǎn)便。

    2.2 PLC部分

    針對(duì)小型卸船機(jī)的運(yùn)算要求及信息容量，選用315-2DP的CPU作為整機(jī)的控制核心，該CPU有一個(gè)MPI接口，用于連接上位機(jī)和TP170A觸摸屏，一個(gè)DP總線接口，用于接入現(xiàn)場(chǎng)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(duì)從站的診斷對(duì)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(chǔ)及類型轉(zhuǎn)換軟件，故障軟件，和報(bào)警軟件。

    根據(jù)卸船機(jī)的信號(hào)分布，整個(gè)PLC系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)主PLC主站，安裝在電氣房的主PLC柜中，一個(gè)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(jī)構(gòu)的信號(hào)采集和控制輸出，一個(gè)遠(yuǎn)程I/O子站安裝在司機(jī)室控制柜，負(fù)責(zé)司機(jī)室的信號(hào)采集和控制輸出。子站通過ET200M接口模塊接入現(xiàn)場(chǎng)總線。

    3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    3.1 編碼器部分

    軟開閉斗、半自動(dòng)操作功能的實(shí)現(xiàn)是以對(duì)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(jī)控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)功能需要在各機(jī)構(gòu)的電機(jī)側(cè)或卷筒側(cè)各增加一套絕對(duì)值編碼器檢測(cè)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(jī)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(shí)承擔(dān)了速度反饋和抓斗定位功能，從而節(jié)省了在絕對(duì)值編碼器和定位模塊上的投資。因?yàn)?RA70調(diào)速器本身具有編碼器計(jì)算功能，我們只需要從調(diào)速器中將以雙字格式存儲(chǔ)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(jī)構(gòu)的位置值在PLC中通過DB31.DBD48和DB31.DBD52調(diào)用，開閉機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)的做法也是一樣，通過對(duì)起升機(jī)構(gòu)和開閉機(jī)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(shí)時(shí)閉合角度值。

    和使用絕對(duì)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(yùn)行一段時(shí)間后，得到的位置檢測(cè)值也會(huì)產(chǎn)生偏差，需要對(duì)其進(jìn)行校正，在ZQX300卸船機(jī)上，設(shè)置了固定位置的限位開關(guān)作為編碼器校正點(diǎn)，通過調(diào)速器的P452參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)位置值的每循環(huán)自動(dòng)校正，很好地解決了這個(gè)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(jī)上，采用PROFIBUS-DP作為系統(tǒng)總線，將各PLC站點(diǎn)和調(diào)速器接入總線，實(shí)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(jí)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(hào)傳輸。利用調(diào)速器自帶的PZD報(bào)文功能塊，最多達(dá)到現(xiàn)16個(gè)字的數(shù)量交換量，每個(gè)字可拆分為16個(gè)控制位，或者合并為32位的雙字格式。

    在該卸船機(jī)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(gè)卸船機(jī)的控制系統(tǒng)，總線以1.5Mkps的設(shè)置速率運(yùn)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(gè)功能方便了幾個(gè)機(jī)構(gòu)相關(guān)信號(hào)的編號(hào)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(bào)文功能，通過簡(jiǎn)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(jī)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(jī)除了實(shí)現(xiàn)常規(guī)同級(jí)別小卸船機(jī)所具有的抓料、搬運(yùn)、放料等常規(guī)功能外，充分運(yùn)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(shí)現(xiàn)了以前只有在大型卸船機(jī)上才有的軟開閉斗、自動(dòng)沉挖、力矩平衡、半自動(dòng)操作等功能。

    基于脈沖編碼器產(chǎn)生的抓斗實(shí)時(shí)位置值和開度值在自動(dòng)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(dòng)沉挖、力矩平衡功能都是通過S7-300 PLC強(qiáng)大的計(jì)算功能來實(shí)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(jī)的力矩值。6RA70調(diào)速器也可獨(dú)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(diǎn)。在ZQX300卸船機(jī)上，PLC對(duì)各機(jī)構(gòu)的力矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行比較、運(yùn)算、規(guī)格化后，結(jié)合抓斗位置值，得出針對(duì)各機(jī)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(duì)各機(jī)構(gòu)的力矩和速度進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)相對(duì)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(shí)機(jī)完全靠司機(jī)的估計(jì)和熟練程度，開閉電動(dòng)機(jī)易造成過載，抓斗開閉易過頭，增大了設(shè)備故障率和機(jī)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(dòng)減速，在完全開斗或閉斗的位置自動(dòng)停止。有效降低了抓斗的機(jī)械損耗，并減低了噪音污染。

    由于抓斗沒有檢測(cè)器件，抓斗的斗形無法直接檢測(cè)。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(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，所以通過PLC程序檢測(cè)起升/開閉之間的位置差值可以計(jì)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(duì)位置來控制。完成抓斗初始設(shè)定后，抓斗開、閉斗時(shí)，起升機(jī)構(gòu)和開閉機(jī)構(gòu)將根據(jù)抓斗的即時(shí)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(dòng)減速、自動(dòng)停止。為了防止在開閉斗時(shí)抓斗的機(jī)構(gòu)沖擊，抓斗控制軟件編制了位置給定軟件功能塊實(shí)現(xiàn)對(duì)位置給定的軟化作用。

    3.3.2 自動(dòng)沉抓

    自動(dòng)沉挖功能使抓斗在料面上方開始抓料時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)下挖動(dòng)作，實(shí)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(duì)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(jī)構(gòu)和開閉機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速和力矩，實(shí)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(jī)構(gòu)和開閉機(jī)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(jī)械震動(dòng)。

    3.3.3 力矩平衡及半自動(dòng)操作

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

    半自動(dòng)操作功能允許司機(jī)在每個(gè)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(dòng)作完成后的上升、進(jìn)斗、放料、返回船艙的動(dòng)作由系統(tǒng)自動(dòng)完成，顯著降低了操作人員的工作強(qiáng)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(huì)

    該卸船機(jī)額定生產(chǎn)能力300T/H，最大生產(chǎn)能力為360T/H，整機(jī)工作級(jí)別為A8，卸船機(jī)通過抓斗從船舶上抓取物料，快速搬運(yùn)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(jī)型已經(jīng)在宜興熱電、東莞三聯(lián)熱電、上海柘中管樁集團(tuán)等多個(gè)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(jī)自投放市場(chǎng)以來，運(yùn)行可靠,故障率低，并以其出眾的性價(jià)比，獲得了市場(chǎng)的青睞和用戶的好評(píng)。其以簡(jiǎn)約、可靠、穩(wěn)定為核心的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yàn)證了SIEMENS調(diào)速系統(tǒng)和S7-300PLC的強(qiáng)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(jī)或其他具有相似工作機(jī)構(gòu)的工程機(jī)械。

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