軌道式集裝箱門(mén)式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)研究

 

    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)稱形式。橋架跨中可堆碼8列集裝箱，并留有1列拖掛車通道；兩側(cè)懸臂可通過(guò)2列拖掛車。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）。

 

    （吊鉤橫梁下）；滿載吊具升降速度：25m/min空載吊具升降速度：50m/min滿載吊鉤橫梁升降速度：16m/min小車速度：120m/min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；集裝箱機(jī)械的技術(shù)性能及參數(shù)的檢測(cè)試驗(yàn)；電氣驅(qū)動(dòng)和控制性能試驗(yàn)和檢測(cè)；集裝箱吊具作業(yè)技術(shù)及工作性能試驗(yàn)；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-616G5型）、通用電氣可編程控制器（GE-9d3Q）、研祥工換機(jī)，上位監(jiān)控軟件iFix2.6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)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、大車運(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)和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和大車運(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。電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖如所示。

 

    輔助動(dòng)力，照明起升機(jī)構(gòu)采用一臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)功率為200KW，轉(zhuǎn)速為980/1960ipm，額定電流為370A，起升變頻器選用616G5A4330，額定輸出電流為605A，帶PG-B2卡，選用閉環(huán)矢童控制模式，速度控制范圍是1：1000.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Hz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)的信息顯不。

 

    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，然后控制制動(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)在篼速運(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)行篼效節(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*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*高轉(zhuǎn)速是基速的兩倍，即頻率輸出為（KlOOHz.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。

 

    大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用四臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，功率4X11KW，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童控制方式，即開(kāi)環(huán)矢量控制方式，其速度控制范圍為1：100，1Hz時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)150%.小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用兩臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，功率為2X37KW，轉(zhuǎn)速為1500ipm，額定電流為140A，變頻器選用616G5A4100，帶PG-B2卡，選用閉環(huán)V/f控制方式。其速度控制范圍為1：100，1Hz時(shí)啟動(dòng)力矩可達(dá)150%.吊具系統(tǒng)采用一臺(tái)吊具栗驅(qū)動(dòng)，主要?jiǎng)幼饔械蹙呱斐?、吊具縮回、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。控制系統(tǒng)框圖見(jiàn)。

 

    電氣室工控機(jī)司機(jī)室觸摸屏PLC系統(tǒng)主要由電源模塊、CPU模塊、Genius通訊模塊、ProfiBus通訊模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、A0模塊、DI/DO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、輸入采集、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Genius通訊，通訊波特率為153.6Kb/s（各遠(yuǎn)程站中配有FieldControlUnit模塊，負(fù)責(zé)所在遠(yuǎn)程站各模塊的地址配置二信號(hào)定義、與主站的通訊）。

 

    Profibus模塊通過(guò)屏蔽電纜與變頻器SI-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SIP+，負(fù)責(zé)與PLC的通訊、變頻器站號(hào)通過(guò)SI-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。

 

    AI/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)輸入信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化成CPU能接受和處理的數(shù)據(jù)。AO/DO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/IP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SNP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iFk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iFix2.6人機(jī)界面軟件。起重機(jī)調(diào)試界面如所示。

 

    該起重機(jī)的主要作業(yè)機(jī)構(gòu)為起升、小車和大車機(jī)構(gòu)，而起升和小車構(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、小車機(jī)構(gòu)運(yùn)行的動(dòng)畫(huà)模擬。其中起升和小車的移動(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)入警報(bào)記錄看器，即可看到歷史上所發(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，曲線可以根據(jù)參數(shù)類型進(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)曲線可以任意單獨(dú)切換或同時(shí)選擇。

 

    監(jiān)控系統(tǒng)各類故障表、變頻器參數(shù)表、曲線圖等均可通過(guò)打印機(jī)打印出來(lái)。

 

    3結(jié)束語(yǔ)閉環(huán)控制的速度反饋采用增童式脈沖編碼器，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)滿負(fù)荷工況下發(fā)生帶不動(dòng)負(fù)載的現(xiàn)象。

 

    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)昀振動(dòng)及制動(dòng)片磨損。利用恒功率功能，實(shí)現(xiàn)提篼生產(chǎn)效率，節(jié)約能源的目的。

 

    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較長(zhǎng)而造成的傳輸損耗。

 

    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。