（电力电子与电力传动专业论文）秸秆捆抓斗起重机控制系统研究与实现.pdf

s u b j e c t ：s t u d ya n di mp l e m e n t a t i o nf o rc o n t r o l s y s t e mo ft h e s t r a w g r a bc r a n e s p e c i a l t y ：p o w e r e l e c t r o n i c sa n dp o w e r d r i v e n a m e ：z h o uy u a n h u i i n s t r u c t o r ：d uj i n g - y i a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t ur e ) t h e 鲫a bc i m - l ef o rs t r a w i sac o n v e y a n c ee q u i p m e n ti nb i o m a s se l e c t r i c i t yg e n e r a t i o n i t i sa b l et oc o m p l e t ep i l i n g ，i n v e r t e dp i l i n g ，f e e d i n ga n dp a r k i n g ，a n d s oo na u t o m a t i c a l l y g e n c r a t i n ge l e c t r i c i t yb yb i o m a s sr e q u i r e st h eg r a bc r a n eh i g ha u t o m a t i o na n d r e l i a b i l i 够t o r 恤s a f ew o r k i n g t h e r e f o r e ，m o t i o nc o n t r o la n da n t i - s w a yc o n t r o la r et h ek e y sm t h ep r o j e c t t h i s p a p e r w i l li n t r o d u c et h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n d a p r a c t i c a la p p l i c a t l o n a sf o rt h ec o n t r o ls y s t e mo fg r a bc r a n e ，t h em a i nt a s k si nt h i sp a p e r a r e - f i r s t i ta n a l y z e st h er e q u i r e m e n t sf o rt h eg r a bc r a n eb ys t r a wp o w e rp l a n t s o nt h eb 硒e o ft h er e q u i r e m e n t s ，t h ed i f f i c u l t i e si n c o n t r o ls y s t e ma r ep i c k e du p ；t h eg e n e r a ld e s i g n s c h e m ef o rc o n t r o ls y s t e mi sp r o p o s e d ac o m p o s i t ec o n t r o ls t r a t e g y , w h i c hi s b a s e d0 1 1t h e “c o m p o s i t es t m c 骶”，、v a u s p r o p o s e di no r d e rt oa d j u s tt h ep o s i t i o ns y n c h r o n i z a t i o nf o rt w o m o t o r si nt h eg r a bc m e ih e p o s i t i o ns y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lf o rt w om o t o r sh a st w os t r u c t u r e s t h a ta r ec a l l e d “s e r i a l s t m c t u r e ，a n d “p a r a l l e ls t r u c t u r e ”b u tb o t ha r en o ta b l et oe n s u r et h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t t o r t h e 掣a bc r a n e ，b u tt h ec o m p o s i t ec o n t r o ls t r a t e g yh a st h ea b i l i t yt om e e tt h ed e m a n df o r d y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e i n d e x 1 1 1 es e c o n d r o c k i n gi sac o m n l o np r o b l e mi no p e r a t i o no f t h eg r a bc r a n e t h ea n a l y s i so f 酉a bc r a n e sr o c k i n gl a ww h i c hi s c a u s e db yc o n t r o lf o r c e ，i sg i v e nmp a p e r a n da s i m u l a t i o ni sa l s og i v e nt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so fa n a l y s i sm e t h o d s p e c i a l l y , i t sp r o p o s e d a l la n t i s w a ym e t h o df r o mt h ep r a c t i c a lp o i n to f v i e w a tl a s t ，m e 孕a bc r a n ec o n t r o ls y s t e mi sp e r f e c t i th a st h ea b i l i t y t or e a l i z et h e c e n t r a l i z e dm o n i t o r i n gf o rg r a bc r a n eg r o u p sa n dt h ed e c e n t r a l i z e dc o n t r o lf o rs i n g l ed e v l c e w i t ht h eh e l po fp l c t h ep r a c t i c a lv e r i f i c a t i o ns h o w st h a tt h es y s t e mc a nm e e t t h er e q u l r eo i g e n e r a t i n ge l e c t r i c i t yb yb i o m a s s k e yw o r d s ：b i o m a s se l e c t r i c i t yg e n e r a t i o n ，g r a bc r a n e ，s y n c h r o n o u sc o n t r o l ，a n t i - s w a y , t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姿料技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者獬：j 司噼醐o 卜p 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：l 目易力学指导教师签名：杠寺，义 b 3 年；月f 口日 1 绪论 1 绪论 1 1 生物质秸秆发电的国内外发展概况 生物质发电厂所消耗的秸秆以棉花秸为主，伴以树皮、玉米秸、小麦秸等。曾长期 依赖石油进口的丹麦，1 9 7 4 年以来g d p 稳步增长，但能源消费量没有增长，目前石油 年消费量比1 9 7 3 年还下降了5 0 ，现已成为石油出口国。这一巨变的背后，是秸秆发 电等可再生能源占了丹麦全国能源消费量的2 4 以上。 丹麦b w e 公司率先研发秸秆生物燃烧发电技术，在这家欧洲著名能源研发企业的 努力下，丹麦于1 9 8 8 年诞生了世界上第一座秸秆生物燃烧发电厂。 在丹麦，用秸秆作原料的不仅是小热电厂，大发电厂也能用秸秆发电。如位于丹麦 首都哥本哈根南郊海滨的阿文多发电厂，装机容量8 5 万千瓦，是一座可在同一炉体燃 烧煤、油、天然气和秸秆、木屑压缩颗粒的多燃料方式发电厂。 目前丹麦已建立了1 3 0 家秸秆发电厂。秸秆发电技术现已走向世界，被联合国列为 重点推广项目。瑞典、芬兰、西班牙等多个欧洲国家由b w e 公司提供技术设备建成了 秸秆发电厂，其中位于英国坎贝斯的生物质发电厂是目前世界上最大的秸秆发电厂，装 机容量3 8 万千瓦，总投资约5 亿丹麦克朗。 我国作为一个非再生能源人均占有量极低且秸秆资源非常丰富的大国，丹麦的经验 无疑具有借鉴意义。国内有十多个秸秆发电项目相继进入设备调试和投产运行阶段，其 中河北晋州市、国能单县、浚县、鹿邑、望奎、辽源项目已经并网发电，国信淮安项目、 国能扶沟项目已通过试运行，国信如东、华电宿州项目即将试验。其国能单县生物质发 电厂装机容量为2 5 万千瓦，其设备主要采用进口。 2 0 0 6 年1 2 月中国首个拥有自主知识产权的国产化秸秆直燃发电示范项目在河北晋 州点火运行。其中秸秆捆燃料自动储运系统是由西安神力起重运输机械有限公司研制的， 运行情况良好。 1 2 秸秆捆抓斗起重机控制系统的国内外发展现状 对于秸秆捆抓斗起重机，国外研究比较早，产品和技术较为成熟，其中芬兰科尼起 重机国际公司( k o n e c r a n e s ) 处于世界领先地位。1 9 8 8 年，科尼公司就研制成功了世 界上第一台秸秆捆抓斗起重机。 目前，国内秸秆发电刚刚起步，生产设备主要依赖进口，大部分用的是b w e 公司 的设备，物料搬运设备主要采用k o n e c r a n e s 的秸秆捆抓斗起重机。国内的一些起重 机研究所及起重机制造的工程公司自助开发秸秆捆抓斗起重机系统，例如：西安神力起 西安科技大学硕士学位论文 重运输机械有限公司、上海科轻起重机有限公司、上海亿路机电有限公司及北京起重运 输机械研究所等都开始投入资金进行开发。2 0 0 6 年，西安神力起重运输机械有限公司拿 到了国内第一个研发项目，即河北晋州秸秆热电厂的秸秆捆抓斗起重机系统的研制，该 公司在消化、吸收国外设备先进技术的基础上结合国内市场需要，研制出了 “j z q l o t + 1 0 t 一3 1 5 型”的秸秆捆自动抓斗起重机；上海亿路机电优先公司随后也研制了研 制出“j z q - 3 型”和“j z q - 6 型”两种规格的秸秆捆自动抓斗起重机，但其主要部件还是采 用芬兰k o n e c r a n e s 公司的设备；北京起重运输机械研究所也开发了一套秸秆捆自动 抓斗起重机。 秸秆捆抓斗起重机的开发主要包括电气控制和机械两部分，本论文主要研究其电气 控制部分。电气控制部分主要包括运动控制、上位监控、数据库管理、安全防护、故障 诊断、防摇摆控制等方面。调速是其控制的首要问题。由于系统要满足全自动化要求， 需要解决两个突出问题，一个是双小车机构和双起升机构的同步控制，另一个是防摇摆 技术的应用。 1 2 1 运动控制 国内外起重机采用的电气调速技术很多，主要经历了以下几个阶段：6 0 年代采用发 电机一电机系统、控制电阻分级控制、交磁放大控制、可控硅s c r 激磁控制、主回路 可控硅即晶闸管整流供电系统。随着电子技术的飞速发展、集成电路出现以及计算机微 处理器应用，因此控制从分立组成模拟量控制发展至今天的数字量控制。 从交流驱动来讲，常规的常采用绕线式电动机转子串电阻调速，为满足重物下放时 的低速，一般依靠能耗制动、反接制动，后来还采用涡流制动，还有依靠转子反馈控制 制动、反接制动、单相制动器抱闸松劲的软制动。 随着电子技术的发展，国内外几种常用调速系统配置及其特性如下【4 】【5 】【6 】： ( 1 ) d c 一3 0 0 直流驱动调速系统：g e 公司d c 3 0 0 、d c 2 0 0 0 是微处理器数字量控制 的直流驱动调速系统，其控制功率从3 0 0 h p 到4 0 0 0 h p ，并采用p l c 对整机驱动系统实 施故障诊断、检测、报警及控制。 该驱动系统实施主回路s c r 整流，其控制是给定模拟量通过模拟量转换成数字量， 通过速度环、电流环到s c r 移现触发的逻辑无环流的调速系统。可用测速反馈或电压 反馈，对磁场弱磁，以实施恒功率控制。 ( 2 ) 交流调速控制系统：对于起重机械来讲，交流驱动仍是国内普遍采用的方案而且 多数停留在绕线式电机转子串电阻来调速。随着功率电子技术的发展，早在六十年代后 期，国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究。目前，该技术己进入了成 熟稳定的发展应用阶段。日本安川电机制作所于1 9 7 2 年就正式定为v s 系列，应用于起 重机及轧机辅助设备的交流调速。法国、英国、德国等大电气公司亦在这方面展开了重 2 1 绪论 ；| e l 1 7 一i - i l 暑昌置i 昌宣宣 点研制开发。借助电力电子技术、微电子技术的发展，由分离元件发展到大规模集成电 路，从而实现控制部件的微型组件化、智能化、标准化、系列化，进而从模拟量控制发 展到数字量控制。可编程序控制器p l c 引入到交流电气传动系统后，使传动系统性能 发生了质的变化。在桥式起重机实现了抓斗的自动控制和故障诊断、检测显示等，达到 了新的技术高度。 ( 3 ) 变频调速：变频调速技术是国际上各大电气公司在7 0 年代末8 0 年代投入全力研 制、开发，也是国际国内这几年全力研制应用的目标与方向。这几年一些公司如德国 s i e m e n s 、美国g e 、日本三菱及法国的施耐德等推出全数字化的矢量控制技术，大功 率的i g b t 模块的出现使变频技术在起升机械、电梯等位能性负载控制成为现实。目前， 变频调速的控制方法有恒压频比控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制等。这 些控制方法都得到了不同程度的应用，其控制性能也有一定的差异。 直流电动机之所以具有良好的控制性能，其根本原因是：如果保持励磁电流恒定时， 控制电枢电流的大小就能无时间滞后的控制瞬时转矩的大小。异步电动机产生瞬时转矩 的原理虽然与直流电动机相同，但由于建立气隙磁场的励磁分量和电磁转矩所对一应装 置电流有功分量都应包含在定子电流中，无法直接将它们分开，在运行过程中，这两个 分量有会互相影响。因此要控制异步电动机的瞬时转矩十分困难。像采用恒压频比控制、 转差频率控制的变频调速系统由于是从控制电动机的平均转矩的角度出发来控制电动 机的转速，因而难以获得较理想的动态性能，异步电动机在高精度调速系统和伺服系统 中的应用受到限制。而矢量控制是从根本上解决了这个问题，使交流调速系统的应用范 围迅速扩大。 适用于通用的鼠笼式电动机，无速度传感器的矢量控制变频调速技术的应用该技术 使变频控制装置不再配套专用电机，而且可通过软件对一般的鼠笼式电机一矢量控制装 置实施参数调整，进一步降低电气投资而且维护保养方便。 变频器使用p w m 技术可严格地使输入电流正弦c o s 4 = 一l 即在下降过程各机械减 速制动中，将动能和位能转化为电能反馈电网，达到理想的节能指标，同时确保工况正 常运行，上述发展已完成了产品系列化上市，对“变频”装置在技术上以及经济上与其他 驱动装置竞争将有明显的优势。同时随着p l c 系统的不断成熟与完善，以及大容量变 频器在位能负载上的成功应用，变频调速系统必将成为未来调速市场的主流。 1 2 2 防摇摆控制 防摇摆技术包括主动防摇和被动防摇，前者是指吊重从静止运动到目标位置过程中 始终保持在较小范围内摆动，后者是指吊重摆角超过规定范围时应尽快衰减摆动幅度。 国内外学者对这两种措施进行了大量研究，有依赖于小车吊重系统数学模型的最优控制 1 0 q l 】，增益调节【12 1 ，自适应控制1 3 。1 4 1 和状态反馈等方法；也有不依赖于精确数学模型 3 西安科技大学硕士学位论丈 且能适应不确定性因素采用模糊控制的智能控制方法1 1 6 。1 7 】。 实际的防摇装置有机械、液压及电子等方式【l 引。其中电子防摇控制系统结构简单， 控制效果良好，容易实现系统的智能化控制，电子防摇技术是起重机作为现代物流装备 的关键技术之一，也是其发展趋势。衰减吊重摆幅的力控制方式的输入变量是作用于小 车的驱动力，输出变量是小车速度和吊重摆角。力控制方式输入输出关系明确，容易结 合变频技术，直接控制驱动电机的转矩，实现电子智能防摇控制，可以作为电子智能主 动防摇措施的有效补偿。 ( 1 ) 国内研究的现状：国内吊车抗摇摆技术的研究开始于8 0 年代初，较早研究的学 者是哈尔滨工程大学的华克强等人，在文献 2 0 - 2 1 】中，作者针对桥式吊车，给出了起重机 系统精确的数学模型，根据此模型，设计了最优控制器，自适应控制器，模糊控制器， 并对三种控制器进行了比较分析。在文酬2 2 j 中作者设计了模糊抗摆控制器，分别对定位 摆动进行控制，最后采用查询表的方式，在以单片机为试验器的试验装置上进行了试验 验证。 山东建筑工程学院的李伟等人在吊车抗摇摆控制领域也开展了研究。李伟等人是国 内从事抗摇摆研究发表文章较多的学者，近年来，他们发表了多篇文章，分别在吊车的 模型，控制方法等方面进行了研究。在文献【2 3 】中，应用最优控制理论，提出了起重机点 动消摆和全程消摆等控制策略。文献【2 4 】中作者提出了基于时间最优的消除负载摆动的两 拍消摆策略。文献【2 5 】中作者采用极点配置技术，以积分二次型性能指标提出最优消摆策 略，同时实现消摆和提高运行速度两个目标。 山东大学的邹军，陈志坚等人在此方面也进行了一定的研究，在文献【2 6 】中建立了桥 式起重机数学模型，并依据此模型，应用最优控制理论，提出了桥式起重机水平运动规 律，并对抓斗进行了抗摇摆控制研究。在文献【27 j 中，作者根据桥式起重机水平运行规律 和抓斗摆动规律，提出了一种抓斗抗摇摆的方法。该方法通过控制桥式起重机行走的时 间顺序实现其停车与抓斗消摆的同步控制。 上海交通大学的梁春燕等人【2 8 】利用一种能抑制系统残留振荡的时滞滤波技术消除 吊重摆动。北京理工大学的刘毅等人1 2 州也提出了一种分段因子模糊控制器，并采用遗传 算法进行参数调整。中国科学院王伟，易建强等人【3 0 。3 l 】针对起重机这类欠驱动系统提出 了一种分级滑模控制方法。该方法将系统状态分成两组，分别构造第一级滑动平面，并 求取各个滑动平面的等效控制量。然后在构造第二级滑动平面，采用李雅普诺夫稳定定 理获得最终的控制量。刘殿通，易建强等人【l3 1 针对长距离起重机运输系统的特征，提出 了分段切换因子模糊控制方法。该方法使用两个子模糊控制器分别用于抗摆和定位控 制，并运用实值遗传算法选取模糊控制器的分段切换因子。针对起重机模型的非线性和 不确定性，设计了一种基于模糊的起重机的定位和抗摆控制方法，利用两个模糊控制器 对小车的位置和负载的摆动分别进行控制。西南科技大学的郭贤生，吴斌等人1 3 4 j 在对具 4 1 绪论 有很强非线性特性的吊车摆系统进行实时采样的基础上，建立原始数据表，应用粗集理 论强大的数据处理和规则约简能力并结合遗传算法，产生控制规则，设计粗糙控制器对 系统进行控制。另外还对常见的规则约简算法的约简结果进行了比较分析。 ( 2 ) 国外学者在这一问题研究也取得了很多成果。在文献【3 5 】中，h o h o o nl e e 和 s e u n gg a pc h o i 提出了桥式起重机系统的最小时间控制，采用l y a p u n o v 方法给出了基 于对象模型的抗摇摆控制策略。m y u n gsm o o n 等人【3 6 】采用最小时间控制的思想，将 b a n g b a n g 控制中的一组切换时间值定义成一个新的变量，并通过模糊控制来寻找一组 最优的切换时间序列。g i o r g i oc o r r i g a 等人【37 j 研究的是一种线性实变的起重机模型，同 样采用了最优控制策略，并针对对象参数的特点提出了一种变反馈增益的状态反馈控制 法。p a r k 等人【3 8 】提出了考虑绳长变化的输入轮廓控制方法；y o s h i m i 等人【3 9 】把整个运输 过程分为5 个速度轮廓进行控制；w i l l i a m 等人m 】研究了提升载荷对跟踪输入轮廓控制 的影响，上述三种控制都采用跟踪输入轮廓的方法，这些输入轮廓主要依靠系统数学模 型或系统固有频率获得。然而在实际中这些都难以精确得到，并且上述方法都是开环控 制，难以抑制干扰。 r i d o u t 4 q 使用变阻尼的方法进行抗摆控制，l e e 建立了伺服系统数学模型，采用双 环控制1 4 2 j 位置控制作为内环，抗摆控制作为外环；g i u a 等人【4 3 j 设计了吊车控制的观测 器和控制器，这三种方法都属于闭环控制。虽然有利于抑制干扰但需要精确的数学模型 和必要的线性化，且计算量大。 日本学者y a m a d a 等人在文献j 中将模糊控制用于起重机的抗摆控制中，取得了较 好的效果。h a n sb u t l e r 等人在文献1 4 5 j 中设计了模型参考自适应控制器，但参考模型的选 择比较困难，当参考模型选择不合适时，控制效果大大降低。 在文献m j 中，a l a nj r i d o u t 利用线性反馈提出了变阻尼控制起重机的摆动。m i t a 和k a n a i 4 7 1 解决了对于吊车摆动的最小时间控制问题。o h n i s h i 等人在文献【4 8 】中通过反馈 控制计划来控制吊车的摆动。r i d o u t 在文酬4 9 】中通过根轨迹方法设计反馈控制率取得了 较好的控制效果。y u e t a l 5 0 】基于信号扰动提出一个非线性控制方法。l e e 等人在文献【5 1 j 中提出一个基于根轨迹和闭环整定的抗摆控制方法。s i n g h o s e 在文献【5 2 】中输入整定方法 来对吊车进行抗摆控制。 近年，m o u s t a f a 和l e e 在文献【5 3 j 中得到动态模型并且提出一个可行的吊车的三维控 制。e b i e d 在文献【5 4 j 中也提出了一种吊车的三维抗摆控制方法。 起重机防摇摆控制还有许多方法被提出，t & c o r r i g a ；a ：g i u a f 和gu s a i 在文献【5 5 】中 提出增益调度控制，z k a n g 等人在文献【8 3 】中应用自适应控制，k m a t s u k i 文献1 5 6 】采用了 。控制对吊车的摆动进行控制。由于吊车抗摆系统本身就是个非线性系统，所以有很 多学者直接从非线性角度研究问题，取得了丰富的研究成果。t b u r g 等人在文献1 5 7 】提 出了基于饱和控制的非线性二维吊车控制策略。他们先对吊车模型进行状态变换，使其 5 西安科技大学硕士学位论文 变为典型的球棒系统模型，然后按照球棒系统进行非线性控制器的设计，使用非线性系 统对吊车系统进行控制器的设计解决了因线性化带来的简化误差，但控制器设计方法复 杂，计算量较大。 为了克服数学模型的限制，s u z u k i 等人【5 8 】使用模糊推理来得到加速时间和减速时 间；l e e 等人【5 9 j 模糊推理应用到了抗摆控制上；m i c h a e l 等人唧】不仅将模糊技术用于抗 摆控制，还用于位置控制。这些方法都使用较多的规则来提高控制精度，不利于控制规 则的设定和实时推理，并且参数的设定完全依靠经验，效果不能保证。 相比较而言，国外学者在该领域的研究比较深入，从事研究的学者也比较多，成果 较为丰富。国外学者在研究中，采用的理论比较丰富，各种控制方法都有人尝试，如常 规的p i d 控制、最优控制、模糊控制、非线性控制、智能控制等。而国内的学者在研究 中采用的控制方法比较狭窄，大多采用最优控制和模糊控制方法。国外学者研究比较严 谨，在理论分析说明的基础上，大多进行了实物仿真实验。而国内学者大部分只采用简 化的模型，进行软件仿真，很少进行实物仿真。相对国外的研究，国内应在以下两个方 面努力：重视理论研究，提高理论认识的深度和广度。改善实验条件，建立完善的 实验机制。 1 3 本课题的研究意义及主要内容 1 3 1 本课题的研究意义 我国能源结构以煤为主，煤炭发电所占的比重近7 0 ，造成了严重的大气污染。而 秸秆发电基本不增加温室气体，所燃烧的是植物当年或前一年转化的空气中的碳，而不 像煤炭、天然气、石油那样，是几亿年前的碳。一般来说，运营2 5 万千瓦的生物质发 电机组，与同功率火电机组相比，每年可减少二氧化碳排放约1 0 万吨。同时火电厂会 大量排放二氧化硫，造成酸雨和酸沉降。而秸秆含硫量为煤炭的1 0 左右，“此硫非彼 硫”，这样生物发电还可大大减少二氧化硫等污染气体的排放。另外，传统火电厂燃煤 后大约有3 0 的废渣产生；而生物质直燃发电产灰率仅为2 左右，灰粉中富含钾等矿 物质元素，适当加工可制成高效肥料。在农村秸秆大多被作为垃圾焚烧掉了，既污染了 环境，又浪费资源，2 0 0 6 年6 月1 5 日，卫星监测到全国秸秆焚烧点多达3 0 0 0 多个。如 果能够利用秸秆发电则可以使其变废为宝，不仅可以减少环境污染，也能产生良好的经 济效益。 对于秸秆发电项目，秸秆捆抓斗起重机是必不可少的设备，且其需求量是比较大的。 而国外进口设备又比较昂贵，因此自主开发是必要的。 本论文结合导师的横向项目“生物质发电秸秆捆抓斗起重机控制系统研制”，论文展 开对秸秆捆抓斗起重机控制系统的理论研究及实际应用的分析。 6 1 绪论 1 3 2 论文主要内容 秸秆发电厂要求抓斗起重机实现全自动化作业。在机械设计过程中，系统采用双小 车机构及双起升机构，因此双小车机构同步控制成为论文的难点。又因为系统有全自动 化作业及工作效率高的要求，防摇摆也成为论文的难点。鉴于此，论文的工作主要分为 以下几个方面： ( 1 ) 抓斗起重机控制系统设计，即论文的第二章。主要分析生物质秸秆发电对抓斗起 重机控制系统的设计要求，分析设计过程中的难点。并针对起重机是特种设备的特点， 进行系统地整体设计及部件选型。 ( 2 ) 抓斗起重机x 2 d , 车同步控制，即论文的第三章。分析双小车不能同步的原因，探 讨双小车机构位置同步控制策略。双小车同步控制策略主要有“串联结构 和“并联结 构”两种方式，但其都满足不了工作过程中的稳态、动态性能指标。针对此，在“串联 结构 及“并联结构 的基础上，提出一种“复合结构 方式，以克服其存在的问题。 通过仿真验证具有良好的效果，实际应用中效果也良好。 ( 3 ) 抓斗起重机吊具防摇摆，即论文的第四章。分析抓斗起重机产生摇摆的原因，建 立其小车吊重模型，仿真分析影响吊重摇摆的规律及关键参数。提出通过控制驱动力来 减摇摆的观点，实际应用效果很好。 ( 4 ) 抓斗起重机控制系统的实现，即论文的第五章。主要阐述了秸秆捆抓斗起重机控 制系统的实现，重点介绍了控制系统的总体构成，并对其各组成部分的软、硬件设计进 行了详细的论述。 ( 5 ) 总结与展望。对生物质发电的简要展望及秸秆捆抓斗起重机的展望。讨论了系统 需要进一步的完善与提高。 7 西安科技大学硕士学位论文 2 秸秆捆抓斗起重机控制系统设计 2 1 生物发电对抓斗起重机系统的要求 秸秆捆抓斗起重机是专门为生物质秸秆发电厂配套设计的秸秆捆物料搬运设备，如 图2 1 所示，其要完成自动堆垛、自动倒垛、自动投料、泊车等工序，并具有故障自动 报警、状态实时监控等功能。起重机应具有自重轻，体积小，结构简单，成组性好，运 输、安装、使用、维修方便等特点。上位工业控制计算机能按企业管理需要，记录和输 出秸秆仓额定储存量、现存量、每日进料量及每日出料量，还可以供企业编辑运行系统 相关数据。每台起重机可以实现单机监控，其工作级别要求比较高，应满足电厂秸秆仓 库工作环境潮湿、粉尘大、使用频繁、不间断工作的需求。 图2 1 秸秆捆抓斗起重机示意图 课题研制秸秆捆抓斗起重机控制系统就是针对秸秆发电秸秆捆物料搬运设备设计 的。整个仓库由四台捆抓斗起重机组成，四台起重机与中控室上位机之间采用工业以太 网无线方式进行通信，由中控室上位机进行集中监控。单台抓斗起重机由大车机构、双 小车机构、桥架金属结构、桥架运输结构、液压抓斗机构及电气控制系统等部分组成。 在电气控制系统中，主回路是三相交流电以滑锁的形式传到电气设备上，电气控制柜安 装在起重机的走台上，所以控制回路通过变压器以直流2 4 v 供电，对电气控制柜中的设 备采用空调进行制冷。液压抓斗结构也采用金属结构，由六个液压抓斗组成，每个抓斗 既单独动作，也可以实现联动。 ( 1 ) 各机构的基本功能及组成结构：大车运行机构由电动机、减速箱、制动器“三 合一 结构组成，双边驱动两个端梁带动整台起重机沿轨道方向运行。双小车机构采 8 2 秸秆捆抓斗起重机控制系统设计 用浙江起重机厂的小车，单台小车主要由减速装置、驱动装置及卷筒组成。起升机构 用来升降重物的，通常由驱动装置、钢丝绳卷绕系统和抓斗装置三部分组成，由于吊具 比较大，为了保持平稳的上升和下降，采用四根钢缆拖动液压抓斗，因此起升机构由双 卷筒构成，每个卷筒有两根缆绳。液压抓斗是用来抓取秸秆捆的，由液压驱动装置及 金属抓具等组成。此外，根据工作需要还可以装设各种辅助装置，如高度限位装置、超 载限位装置等。运行机构的作用是使起重机运行部分作往复运动，以达到在水平面内平 移秸秆捆的目的。 ( 2 ) 秸秆发电厂的抓斗起重机的作业任务：从仓库门口的送货卡车卸料，把秸秆捆直 接投入粉碎平台或者存入库区：在不需要卸料但需要投料的时候，抓斗起重机直接从库 区把料抓起投入粉碎平台。根据粉碎机和焚烧炉的用料情况和抓斗起重机的工作效率， 为整个系统配置了四台抓斗起重机，并且把整个仓库分为两个区，每个区由两台抓斗起 重机为一台粉碎机供料，如图2 2 所示。 卡 l #1 # 2 # 车 抓秸 抓 卡 卸 斗秆斗 车 料 起粉起 卸 区 重碎重 料 机机机 区 l # 秸秆捆存储区一一7【 l 控窀 一，2 # 秸秆捆存储区 卡 3 #2 # 4 # 车 抓秸 抓 卡 卸 斗秆 斗 车 料 起粉 起 卸 重 碎 重 料 区 机 机 机 区 图2 2 秸秆捆仓厍布置不恿图 ( 3 ) 设备基本参数： 以下是本课题研究的全自动抓斗起重机基本参数： 起重机的起重量：q = l o + l o ( t ) 跨度：s = 3 1 5 ( m ) 额定生产率卸料：p = 3 6 ( t h ) 起重机工作级别：a 6 取料：p = 1 8 ( t h ) 起升高度：肛6 ( m ) 抓斗自重：m = 9 ( t ) 秸秆捆体积：y = 1 o x1 o x 2 o ( m 3 ) 起升速度：v i = 10 1 6 ( m m i n ) ( 变频调速) 9 西安科技大学硕士学位论文 小车运行速度：，= o - - 4 0 ( m m i n ) ( 变频调速) 大车运行速度：1 ，= 0 6 0 ( m m i n ) ( 变频调速) 环境温度：t = 2 0 。c 4 0 。c 相对湿度小于8 5 轨道中心线外侧的端梁宽度：b 1 = 1 6 0 m m 轨面到吊钩上升的终端距离：b 2 = 2 2 4 0 m m 整机颜色：桔黄色( g s b 0 5 1 4 6 2 2 0 0 15 9 y r 0 4 ) 2 2 抓斗起重机控制系统设计 在控制系统设计的过程中，要实现起重机群的集中监控，所以四台抓斗起重机必须 与上位机通讯；因为采用双小车机构，所以必须考虑到其同步控制；为了实现全自动化 作业及高工作效率就必须考虑防摇摆控制。 2 2 1 控制系统的设计 ( 1 ) 可编程控制器。目前作为起重机控制的硬件主要为可编程控制器( p l c ) ，可编程 控制器是专门为工业现场应用而设计的。可编程控制器具有以下优点：接口简单，p l c 的输入接口可以与输入信号直接相连，使用非常便利，输出接口往往具有隔离电路且具 有一定的驱动能力；可靠性强，p l c 在系统硬件和软件上都采取了一些抗干扰措施； 功能完善，当今p l c 的发展除了能够实现单机控制以外，还具有网络通讯能力。 由于p l c 具有以上特点，根据抓斗起重机控制系统的设计要求，选用p l c 作为控制器。 p l c 实质上是一种工业控制计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的工业过程相连 接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言，故p l c 与计算机的组成十分相似， 从硬件结构来看，它主要包括中央处理器( c p u ) 、存储器、输入输出( i 0 ) 接口、电源等 几个部分，如图2 3 所示。 来自用户设备 图2 3p l c 的硬件结构图 1 0 至用户设备 2 秸秆捆抓斗起重机控制系统设计 编程逻辑如图2 4 所示。 设计控制任务解决方案 生成一个项目 j 组态硬件 j 生成一个程序 l 传送程序到c p u 并进行调试 图2 4p l c 控制器编程逻辑图 ( 2 ) 单台抓斗起重机控制系统的设计。根据生物质发电对秸秆捆抓斗起重机的要求及 各机构的组成，控制系统的设计主要有以下几个方面：大车采用变频调速，用编码器 对大车进行位置检测，其位移量通过高速计数模块传送给控制器，形成大车的位置闭环 控制；大车由两台电机驱动，变频器采用一拖二的驱动方式。双小车采用变频调速， 用编码器对其进行位置检测，其位移量通过高速计数模块传送给控制器，形成小车的位 置闭环控制。起升机构也采用变频调速，用编码器对其进行位置检测，其抓斗的位移 量通过高速计数模块传送给控制器，形成起升的位置闭环控制。可编程控制器配置有 c p u 、开关量输入输出模块、模拟量输入输出模块及高速计数模块。c p u 带有工业以太 网和u n i t e l w a y 通讯接口，可以与上位机及触摸屏进行通讯，控制系统框图如图2 5 所 示。 图2 5 秸秆捆抓斗起重机控制系统 耋耋2 苎圣主罂：兰竺竺圭 222 无线网络 上位机要集中监控每一台抓斗起重机，那么抓斗起重机必须与中控室上位机( 工控 机) 进行通讯。对于起重机来说，它是反复移动的设备，如果采用硬联线，那么在作往 返运动的过程中，容易损坏电缆导致系统工作的可靠性下降。又因为现场布线比较麻 烦，所以无线方案是其最好的选择，系统的网络方式如图26 所示。 无线网络分为两个类别：经许可的窄带无线电和不需要许可的扩展频谱无线电。而 作为率系统的无线网络将选择经许可的窄带无线电，它已经应用于无线工业通信2 0 多 年，技术比较成熟。无线技术已发展到以太网的速率( 1 0 m b p s 或更高) ，但小是所有的 以太网系统都如此。无线和有线l a n 之间的存在许多不同，其中最重要的区别就在于 网络的物理连接被无线所代替也导致了一些问题的出现，比如移动性。标准i e e e8 0 21 1 就是为了解决这些问题而制定的。此时必须考虑三种主要的网络类型如何在可能的网络 组态中建造参考点。第一种网络是点对点或特殊网络。这容许两个或更多的网络设各( 计 算机或p l c ) 之间直接传递信息，只要他们保持在无线通信的范围内。第二种是网络类 型是最普遍的w l a n 应用，访问点网络或架构模式。第三种网络类型是分布网络，它 容许多个访问点之间进行通信实际上是访问点模式的增强特性的集合。 上位机 圈2 6 无线网络框架 2 秸秆捆抓斗起重机控制系统设计 2 3 系统部件设计 2 3 1 电机的选择 ( 1 ) 速度对电机的要求 采用变频调速时，由于变频器输出波形中高次谐波的影响以及电机转速范围扩大的 影响，导致产生了一些与工频电源下传动时不同的特征。主要反映在功率因数、效率、 输出力矩、电机温升、噪音及振动等方面。随着高开关频率的i g b t 等电力电子器件的 广泛使用，以及p w m 调制、矢量控制、增强型v f 控制方法的应用，使变频器输出波 形、谐波成份、功率因数及使用效率得到了很大的改善，有效地增加了变频控制电机的 低速区转矩。同时由于变频控制软件的优化使用，使电机可以避开共振点，解决了系统 在大调速区间内可能发生的共振问题。目前，除有超同步调速的要求或呈l ：2 0 以上的大 速比、低调速要求或特低噪声要求外，一般无须选用变频专用电机作变频系统的电机。 现在国内推出的变频专用电机由普通电机加独立风扇组成，以解决电机在低速运转过程 中自冷风扇风量不足而引起的电机过热问题。 ( 2 ) 起重机系统中电机的选型 起重机起升和运行机构的调速比一般不大于l ：2 0 ，且为断续工作，通常接电持续率 在6 0 以下，负载多为大惯量系统。严格意义上的变频电机转动惯量较小，响应较快， 可工作在比额定转速高出很多的工况条件下，这些特性均非起重机的特定要求。普通电 机与变频电机在不连续工作状态下特性基本一致；在连续工作时考虑到冷却效果限制了 普通电机转矩应用值，普通电机仅在连续工作时的变频驱动特性比变频电机稍差。 ( 3 ) 冷却 施耐德a t v 7 1 变频器在调速比为1 ：2 0 的范围内能确保起重机上普通电机有1 5 0 的过载力矩值。此外，起重机电机多用于大惯量短时工作制，通常工作时间不大于或略 小于工作时间。电机在起动过程中可承受2 5 倍额定电流值，远大于变频起动要求的1 5 倍值，在以额定速度运行时电机通常工作在额定功率以下，因此高频引起的1 1 倍电流 值可不予考虑。但若电机要求在整个工作周期内在大于l ：4 的速比下持续运行则必须采 用其它电机。 ( 4 ) 电机效率 国外一般以4 极电机作变频电机首选极数，因此电机有最好的功率因数和最高的工 作效率，使能耗降为最低。高速电机与低速电机相比，在电流小、功率因数高、电缆截 面小及电器配置容量小等方面占有优势。尽管减速器传动比增大造成了减速器体积的增 大，但硬齿减速器的应用以及新塑耐磨齿轮副及焊接箱体的使用为高速电机驱动创造了 条件。因电机材料价格远高于减速器，故电机体积重量的减小使一次性投资及能耗大大 1 3 西安科技大学硕士学位论文 降低，具有很高的经济价值。 ( 5 ) 电机起动转矩及电机运行的功率因数 起重机运行机构的转动惯量较大，电机加速需有较大的起动转矩，故电机容量需由 负载功率只及加速功率两部分组成。一般情况下只 只，电机容量p 为 p ( 只+ e o ) ( 2 1 ) 式中：九。电机平均起动起动转矩倍数 若使电机在额定转速下接近满载运行，且能承受电网电压的波动，并通过1 1 倍试 验载荷，则要求电机的过载力矩倍数旯大于1 5 倍，或适当增加加速时间，减少加速功 率。对每小时作2 0 多个循环的起重机来讲，运行机构的加速时间可在5 l o s 内调整， 有利于机构的平稳运行。 起重机起升机构的负荷特点是起动时间短( 1 3 s ) ，只占等速运动时间的较少比例： 转动惯量较少，占额定起升转矩的1 0 2 0 。其电机容量尸为 p = c 。g v ( 10 0 0 刁) ( k w )( 2 2 ) 式中：c 。起重机额定提升负载，k g ，额定起升速度，r n s g 重力加速度，g = 9 8 1 m s 2 r 机构总效率， 为使电机提升1 2 5 倍试验载荷，能承受电压波动的影响，其最大转矩值必须大于2 ， 否则必须让电机放容，从而降低电机在额定运行时的工作效率。 利用上述公式的计算，起重机各执行机构选用的电机型号【删如表2 1 所示： 表2 1 电机型号 2 3 2 变频器的选择 ( 1 ) 变频器选型 起重机各机构负载为恒转矩负载，一般选用带低速转矩提升功能的电压型变频器， 如施耐德、安川、三菱、富士、西门子及丹麦的丹佛斯等。其中本系统选用施耐德变频 器，施耐德变频器具有较合理的价格，完整的理论计算手册及辅件推荐值，性价比较高。 ( 2 ) 变频器容量选择 起升机构。起升机构平均起动转矩一般来说可为额定转矩值的1 3 1 6 倍。考虑 1 4 2 秸秆捆抓斗起重机控制系统设计 到电源电压波动因素及需通过1 2 5 超载试验要求等因素，其最大转距必须有1 8 之倍 的负载力矩值，以确保安全使用。等额变频器仅能提供小于1 5 0 超载力矩值，为此可 通过提高变频器容量同时提高变频器和电机容量来获得2 0 0 力矩值。此时变频器容量 如式( 2 3 ) ： 1 5 而k 挈= 丽