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   沈策（1978-）

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



   摘  要：文章詳細介紹了SIEMENS直流調速系統、交流調速系統和S7-300 PLC在小型卸船機上的應用，并簡要介紹了ZQX300能夠實現卸船機高級控制功能的方法。

   關鍵詞：卸船機；調速系統；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卸船機被廣泛應用于內河散貨碼頭，特別針對3000噸級以下散貨駁船設計，適用于接卸煤炭、礦粉、水泥等各種物料。

    ZQX300卸船機具有結構簡單、維護方便、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成本。

    2 系統硬件設計

    ZQX300卸船機由起升、開閉、小車、大車、料水等機構組成，其中起升、開閉、小車機構各由一臺電機驅動，電機安裝在機房內，大車機構由2臺電機驅動，給料機由2臺電機驅動，均為露天安裝。其常規控制裝置為聯動臺，安裝在司機室內，可以對機內所有機構進行操作。在機房、大車就地位置，料水系統邊上設有就地操作面板，可對相應的機構進行檢修或應急操作。整機控制系統安裝在電氣房。

    2.1 調速系統

    相比交流系統，直流電機有弱磁轉速下的過載能力強；動態精度較高；所用的直流調速器尺寸緊湊且經濟成本低；控制簡單直觀等優點，同時，直流調速也有電機效率低；防護等級差；日常維護成本高的缺點。

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

    經過以上優缺點的比較，根據應用現場的實際情況及預算，最終在ZQX300卸船機的主機構如起升、開閉、小車上采用直流調速方案，輔助機構如大車、給料機構上采用交流變頻調速方案。主機構的電機都安裝在防雨機房內，對防護等級的要求低，輔助機構的電機都為露天安裝，需要較高的防護等級，這樣的方案配置不僅滿足了各機構的防護要求，也滿足各機構對動態性能的要求，并且具有最佳的經濟性。

    2.1.1 直流調速系統

    直流調速系統選擇SIEMENS 6RA70系列直流調速器，6RA70系列直流調速器具有極快的控制特性，其電流和轉矩上升時間最快可以小于10ms，非常適合卸船機主機構的高動態響應要求。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PLC的部分運算負載，有效提高整機系統速度。

    起升、開閉、小車機構各選用一臺四象限運行的6RA70，配裝LBA+ADB+CPB2選件，用于現場總線的連接。充分應用調速器自帶的信號輸入輸出口，將機構主回路接觸器、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，直接參與調速器內的速度閉環控制。并直接利用直流調速器中的運算功能塊，生成電機運動的累計轉動數量值，通過總線將累計值傳輸到PLC，經過規格化處理，生成抓斗位置及開閉度的三維數值，作為實現卸船機軟開斗、軟閉斗、半自動控制等多項功能的基礎數據。

    2.1.2 交流調速系統

    大車和給料機構選用6SE70系列全數字變頻調速器，6SE70系列為工程型變頻器，具有矢量控制功能，系統響應迅速。變頻器裝配CBP2板，以實現現場總線的接入，充分應用調速器自帶的信號輸入輸出口，將機構主回路接觸器、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，其中大車機構為了實現快速減速制動，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。

    大車和給料機構為多電機傳動系統，均采用V/F方式控制，不需額外的速度回饋裝置，以內部電壓檢測值作為調速參數。該方式完全滿足輔助機構的低動態響應要求，參數設置過程簡便。

    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，用于接入現場總線。CPU負責在預定的信息周期內，循環與從站交換信息包括發送控制信息和讀取從站的狀態，并且通過程序實現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構，主要包括初始化軟件，DB塊數據存儲及類型轉換軟件，故障軟件，和報警軟件。

    根據卸船機的信號分布，整個PLC系統設置一個主PLC主站，安裝在電氣房的主PLC柜中，一個遠程I/O子站安裝在大車控制柜，負責大車和料水機構的信號采集和控制輸出，一個遠程I/O子站安裝在司機室控制柜，負責司機室的信號采集和控制輸出。子站通過ET200M接口模塊接入現場總線。

    3 系統軟件設計

    3.1 編碼器部分

    軟開閉斗、半自動操作功能的實現是以對抓斗位置及閉合程度的準確定位為前提的，在以往的大型卸船機控制系統中，實現此項功能需要在各機構的電機側或卷筒側各增加一套絕對值編碼器檢測設備，還需要在PLC系統中增加相應數量的定位模塊。而在ZQX300卸船機上，脈沖編碼器直接接入6RA70調速器已有的編碼器接口，同時承擔了速度反饋和抓斗定位功能，從而節省了在絕對值編碼器和定位模塊上的投資。因為6RA70調速器本身具有編碼器計算功能，我們只需要從調速器中將以雙字格式存儲的位置值讀入PLC進行處理即可，總線的應用保證了該類數據傳輸的速度和精確度。由前面的數據交換表可以看出，起升機構的位置值在PLC中通過DB31.DBD48和DB31.DBD52調用，開閉機構、小車機構的做法也是一樣，通過對起升機構和開閉機構的位置值的差值進行規格化，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生偏差，需要對其進行校正，在ZQX300卸船機上，設置了固定位置的限位開關作為編碼器校正點，通過調速器的P452參數實現對位置值的每循環自動校正，很好地解決了這個問題。

    與編碼器相關的參數設置和說明如表1所示。

            表1

         

    3.2 通訊部分

    在ZQX300卸船機上，采用PROFIBUS-DP作為系統總線，將各PLC站點和調速器接入總線，實現快速的數據交換，PROFIBUS-DP是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代常用的24VDC或4~20mA信號傳輸。利用調速器自帶的PZD報文功能塊，最多達到現16個字的數量交換量，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，各遠程PLC子站和調速器作為從站，構建完成整個卸船機的控制系統，總線以1.5Mkps的設置速率運行（最高可到12Mkps），在滿足數據傳輸速度要求的前提下，盡可能地保證了傳輸的可靠性和穩定性。系統的軟件配置由STEP7編程軟件完成，各子站的模塊通過編程軟件自由設置I/O地址，這個功能方便了幾個機構相關信號的編號區分，設置完成后即可在程序中自由調用。各調速器的的參數讀取采用自帶的PZD報文功能，通過簡單的參數設置完成，表2是起升調速器和PLC的數據交換設置表，如下所示。

                 表2   調速器—PLC數據交換表(起升機構)

            

    在PLC中建立相應的DB數據塊，將發至調速器或從調速器的數據通過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，也加快了數據傳輸的速度。

    3.3 控制功能

    ZQX300卸船機除了實現常規同級別小卸船機所具有的抓料、搬運、放料等常規功能外，充分運用PLC系統和調速系統的現有功能，以很小的成本實現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區域判斷中發揮了作用，使其準確地判斷了可執行的區域。

    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，其基礎數據是6RA70調速器通過總線傳入PLC的各電機的力矩值。6RA70調速器也可獨立完成該功能，通過在起升和開閉調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對各機構的力矩數據進行比較、運算、規格化后，結合抓斗位置值，得出針對各機構的力矩修正值，再通過總線傳送至各調速器，通過6RA70調速器附加給定通道參數設定，對各機構的力矩和速度進行調整，以實現相對應的功能。

    3.3.1 軟開閉斗

    一般的抓斗控制系統，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，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。完成抓斗初始設定后，抓斗開、閉斗時，起升機構和開閉機構將根據抓斗的即時開度、開閉斗的預置減速位置、開閉斗的預置停止位置，自動減速、自動停止。為了防止在開閉斗時抓斗的機構沖擊，抓斗控制軟件編制了位置給定軟件功能塊實現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，自動產生一個下挖動作，實現額定負荷作業，大大提高了作業效率。
電氣控制系統通過對抓斗的抓取特性建立專用的數學模型，協調控制起升機構和開閉機構的轉速和力矩，實現抓斗的最大抓取量控制，有效的提高抓斗的抓取量。起升機構和開閉機構轉速、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

    力矩平衡功能實現了使抓斗在重載上升時，始終保持閉斗狀態，在空載下降時，始終保持開斗狀態，并在這2個過程中，使起升、開閉電機以同樣的轉矩工作，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中只進行一次人工干預，既物料抓取。抓取動作完成后的上升、進斗、放料、返回船艙的動作由系統自動完成，顯著降低了操作人員的工作強度和設備使用過程中的人為損壞，提高了安全性。

    4 應用體會

    該卸船機額定生產能力300T/H，最大生產能力為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。大大改進了內河港口接卸散料的效率，目前該機型已經在宜興熱電、東莞三聯熱電、上海柘中管樁集團等多個單位的內河碼頭裝備，承擔著用戶主要的進料作業。

    配備了該控制系統的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、穩定為核心的控制系統設計思路正與小型碼頭的生產要求相符合。該系統的成功也驗證了SIEMENS調速系統和S7-300PLC的強大功能和穩定易用性。通過調整子站的數量和I/O模塊的配置，并調整調速器的功率選擇，該系統同樣適用更大生產能力的散貨卸船機或其他具有相似工作機構的工程機械。

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                                                              ——轉自《自動化博覽》