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河南華東起重機械設備公司
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軌道式集裝箱門(mén)式起重機電氣控制系統研究
時(shí)間：2022-03-02來(lái)源：起重機廠(chǎng)家瀏覽次數：190
水運科學(xué)研究所學(xué)報軌道式集裝箱門(mén)式起重機電氣控制系統研究程新風(fēng)張德文宋志國梁熠統的三層功能――執行、控制、監視；并介紹了變頻調速應用在起重機上的優(yōu)點(diǎn)。
本機用于水運所試驗基地堆場(chǎng)上的集裝箱裝卸作業(yè)試驗，采用雙主梁、雙懸臂、帶斜拉桿的橋架結構，主結構為整體雙對稱(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）。
（吊鉤橫梁下）；滿(mǎn)載吊具升降速度：25m/min空載吊具升降速度：50m/min滿(mǎn)載吊鉤橫梁升降速度：16m/min小車(chē)速度：120m/min模擬岸邊集裝箱起重機、集裝箱門(mén)式起重機裝卸作業(yè)工藝，開(kāi)展單機性能試驗及作業(yè)效率研究；集裝箱機械的技術(shù)性能及參數的檢測試驗；電氣驅動(dòng)和控制性能試驗和檢測；集裝箱吊具作業(yè)技術(shù)及工作性能試驗；集裝箱裝卸機械操作人員操作技術(shù)的模擬培訓。
2電氣系統原理與組成本機電氣系統的主要組成部分有：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，上位監控軟件iFix2.6以及Digital公司的GP觸摸屏。整個(gè)系統分三個(gè)層次：執行層、控制層、監視層。
本機由司機室操作臺集中對起升機構、小車(chē)運行機構、大車(chē)運行機構、頂規器、集裝箱吊具伸縮、轉鎖、導板等進(jìn)行操作控制。根據作業(yè)工況的要求，起升機構和小車(chē)運行機構、小車(chē)運行機構和大車(chē)運行機構可以同時(shí)運行。
2.1執行層執行層：主要由變頻器實(shí)現對電機速度的調節與控制。電氣驅動(dòng)系統框圖如所示。
輔助動(dòng)力，照明起升機構采用一臺變頻電機驅動(dòng)，電機功率為200KW，轉速為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.系統具有足夠的調速硬度和良好的低能轉矩特性，在Hz電機能以150%額定轉矩輸出，50Hz以下實(shí)現恒轉矩調速，50Hz以上實(shí)現恒功率調速。
起升機構屬于位勢負荷，即負荷力矩的方向始終一致，因此驅動(dòng)器除提供滿(mǎn)足負荷上升和下降的方向運行力矩外，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），變頻器根據對電動(dòng)機的自適應檢測出所必須提供的力矩，提供出一個(gè)狀態(tài)化適當的電流給電動(dòng)機，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，則認為力矩檢測失敗，并提供有關(guān)的信息顯不。
低速制動(dòng)是所有調速機構的共同特點(diǎn)。實(shí)際速度的反饋是通過(guò)旋轉編碼器將速度反饋至變頻器，變頻器將速度的轉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，保證了機構在篼速運行及制動(dòng)過(guò)程中的平穩，沒(méi)有任何沖擊負荷的效應。
恒功率調速是起升機構進(jìn)行篼效節能、廣泛應用的控制方式，即在重載時(shí)，保持在電動(dòng)機基速以下的*大恒轉矩運行；而在輕載或空載時(shí)，利用電動(dòng)機高速低轉矩輸出的特性，根據負荷大小所應提供的轉矩弱磁提高轉速，保持功率恒定，以提高起重機的使用效率。該起重機的*高轉速是基速的兩倍，即頻率輸出為（KlOOHz.負荷的檢測是根據提供電流的大小，通過(guò)數據通信由變頻器傳至PLC，然后經(jīng)過(guò)計算比較得出向變頻器發(fā)出的速度給定指令。
大車(chē)運行機構采用四臺變頻電機驅動(dòng)，功率4X11KW，轉速為970rpm，額定電流為104A，與起升機構共用一臺變頻器，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)轉矩達150%.小車(chē)運行機構采用兩臺變頻電機驅動(dòng)，功率為2X37KW，轉速為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150%.吊具系統采用一臺吊具栗驅動(dòng)，主要動(dòng)作有吊具伸出、吊具縮回、旋鎖打開(kāi)、旋鎖閉合；吊具泵啟動(dòng)后，根據操作信號，開(kāi)閉相應的電磁閥。
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程序實(shí)現系統的安全保護和運行控制?？刂葡到y框圖見(jiàn)。
電氣室工控機司機室觸摸屏PLC系統主要由電源模塊、CPU模塊、Genius通訊模塊、ProfiBus通訊模塊、高速計數模塊、A0模塊、DI/DO模塊、遠程模塊組成。按所處位置分為本地站、操作臺、大車(chē)箱、吊具箱、變頻器等五部分。
CPU模塊負責PLC系統本身的自動(dòng)管理、輸入采集、程序處理、輸出刷新。
Genius模塊通過(guò)屏蔽電纜與遠程站的FieldControlUnit模塊相連完成Genius通訊，通訊波特率為153.6Kb/s（各遠程站中配有FieldControlUnit模塊，負責所在遠程站各模塊的地址配置二信號定義、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，變頻器的所有數據，包括各項指令信息、狀態(tài)信息等，都可以通過(guò)數據通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳遞。
該起重機的每一臺變頻器上都配備有SIP ，負責與PLC的通訊、變頻器站號通過(guò)SI-P卡上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)設定。兩者的通訊需要安川變頻器的GSD文件引導，該文件的配置在PLC的硬件配置文件中設定。
高速計數模塊與脈沖發(fā)生器相連，采集各電機的實(shí)時(shí)速度。
AI/AO/DI/DO模塊是各現場(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輸入信號并將其轉化成CPU能接受和處理的數據。AO/DO模塊將CPU的輸出控制信息轉換成外設所需要的控制信號去驅動(dòng)執行機構。
PLC通過(guò)CPU364上的以太網(wǎng)口與工控機相連，采用TCP/IP通訊協(xié)議與上位監控軟件進(jìn)行數據交換。通過(guò)電源模塊上的串口與司機室觸摸屏相連，采用SNP協(xié)議將數據傳給觸摸屏監控軟件。
2.3監視層電氣室裝有工控機和iFk圖形控制軟件，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示起重機各運行機構的運行狀態(tài)，并實(shí)時(shí)顯示電機速度、起重量等參數；司機室放置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)對設備的使用、維修和管理，該起重機具有完善的上位監控系統和故障報警顯示器。監控系統的硬件就是一臺上位計算機，通過(guò)以太網(wǎng)卡與PLC進(jìn)行數據通信；其軟件平臺為iFix2.6人機界面軟件。起重機調試界面如所示。
該起重機的主要作業(yè)機構為起升、小車(chē)和大車(chē)機構，而起升和小車(chē)構成的立體作業(yè)運行過(guò)程為監控系統提供了一個(gè)很好的二維動(dòng)態(tài)顯示畫(huà)面。該監控系統可以動(dòng)態(tài)模擬起重機的作業(yè)狀況，包括起升、小車(chē)機構運行的動(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PLC所提供的計算位置和速度而得到的，并伴有數值顯示。
起重機在運行過(guò)程中可能發(fā)生的故障，都可由上位系統進(jìn)行監視、存儲及打印。當某一故障發(fā)生時(shí)，進(jìn)入警報記錄看器，即可看到歷史上所發(fā)生的故障、警報的內容和時(shí)間、日期。
起重機的調試或維護工程師，都希望能在設備運行過(guò)程中，對各機構的轉速、電流、力矩等參數進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監視。而監控系統具有這種以曲線(xiàn)形式反映在坐標軸上的示波器功能，坐標軸的橫坐標為時(shí)間，縱坐標為參數值，曲線(xiàn)可以根據參數類(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)機構的速度設定、轉速、電流、力矩等參數曲線(xiàn)可以任意單獨切換或同時(shí)選擇。
監控系統各類(lèi)故障表、變頻器參數表、曲線(xiàn)圖等均可通過(guò)打印機打印出來(lái)。
3結束語(yǔ)閉環(huán)控制的速度反饋采用增童式脈沖編碼器，系統具有足夠的調速硬度和良好的低頻轉矩特性，能避免低頻時(shí)滿(mǎn)負荷工況下發(fā)生帶不動(dòng)負載的現象。
軌道式集裝箱門(mén)式起重機應用變頻調速系統，可以實(shí)現整機迅速準確的移動(dòng)和定位，運行平穩。起升機構具有良好的低速性能，實(shí)現零速抱閘，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)現提篼生產(chǎn)效率，節約能源的目的。
變頻器設有輸出濾波器，有較好的輸出波形補償，從而減少了由于輸出線(xiàn)較長(cháng)而造成的傳輸損耗。
控制層采用PLC使控制系統具備快速、準確、可靠的性能，并節約了大量中間繼電器。
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2022-03
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