桥吊吊具电缆全变频闭环控制系统设计最新版本.doc

吊具电缆全变频闭环控制系统设计张乾能（北三集司，浙江 宁波 315813）摘要：桥吊吊具电缆驱动方式是吊具控制重要部分，全变频闭环控制驱动方式因其响应速度快、电缆跟随效果好、维护保养简单等优势被广泛应用。本文详细地介绍了一种桥吊吊具控制系统方案设计，可为桥吊吊具控制系统改造提供一定的帮助。关键词：吊具电缆；闭环控制；桥吊；PLCDesign of full variable frequency closed-loop control system on spreader cableZHANG Qianneng, ZHAO Zhimiao(Ningbo Gangji Terminal Co,. Ltd. Ningbo 315813,Zhejiang)Abstract: Drive mode of container crane spreader cable is the main component of crane spreader control system. Full variable frequency closed loop control system has fast response, good cable follow effect, simple maintenance which is widely used. This paper introduces a kind of crane hoist control system design,which can provide some help for system reformation.Key words: spreader cable; closed-loop control; quey crane; PLC桥吊吊具电缆驱动方式是吊具电气控制的重要部分，全变频闭环控制驱动方式具备以下优势：1）全变频闭环控制驱动的吊具电缆卷盘克服了磁滞联轴器的“软特性” ，系统响应速度快，电缆跟随效果好；2）卷盘控制采用“速度控制和力矩限幅控制相结合技术”，结合吊具上架的缓冲器过紧限位开关作用，保证电缆在任何工况下不会超过其许用拉力；3）电机采用单台卧式安装变频调速电机，整个传动系统转动惯量小，其应用场合不受电缆自重、起升高度、吊具加速度等限制；4）电机采用弹性联轴器与减速器连接，保养工作量小、维护简单，相对应的配件价格低；5）电缆保护：A 限制电机给定卷盘的力矩，确保电缆张力小于其许用拉力；B 吊架上架的缓冲器安装有过紧限位开关，一旦吊具电缆卷盘收、放缆速度与吊具速度不同步造成的吊具缓冲器的行程达到最大值时，吊具缓冲器给上的过紧限位触发，电缆过紧信号发出，整个系统作出紧停动作从而保护电缆。因此，目前国内港口普遍采用这种方式对桥吊吊具电缆控制方式进行改造，本文给出了一套完整的控制系统设计方案，以供参考。1吊具电气控制方式的选择吊具电气控制方式选择将为吊具电控系统设计定下基调1。根据吊具的特点及需求，有3中不同的控制方式可供选择，优缺点如下，见下表1。表1 不同的控制方式比较1控制方式系统方案施工难度优缺点点对点硬接线通过点硬接线采集吊具感应开关信号。模拟量输入模块采集称重传感器信号。大量的接线，需更换吊具电缆，施工难度大。总成本稍低，调试周期长，维护工作量大。CAN通讯采用BROMMA SCS2控制器，并使用CAN地址模块采集吊具信号以及称重传感器信号。控制功能逻辑固化，解封需要厂家协助。成本较高，实施阶段风险较大。ASI通讯采用西门子现场总线技术ASI地址板采集吊具信号，通过模拟量模块采集称重传感器信号。两线通讯，施工难度小。编程自由开放，系统易于扩展，维护简单，成本中等。3种不同控制方式的比较可见，采用ASI（传感器-执行器接口技术）通讯的控制方式在施工难度、调试周期、成本控制、维护等方面具有明显优势。因此选择了ASI通讯作为吊具电气控制方式。2吊具控制系统控制过程 吊具控制系统由1台变频电机驱动，驱动电机上装有增量型编码器，通过编码器反馈信号进行处理来不断调整的变频电机的转速，实现对变频电机的闭环控制。为了避免变频电机出现过冷或过热现象，在变频电机内安装了温控元件，将反馈信号给可编程控制器，用来监控变频电机的温度。同时变频电机上还安装有风扇和加热器，用来防止变频电机结露和给变频电机散热。吊具控制系统需要安装1台制动器，直接装在齿轮减速箱上，用于整个控制系统的制动。该制动器采用常闭式制动器，在通电时打开，断电时抱闸；另外可编程控制器需检测制动器的抱闸松紧限位用来判断制动器的开闭状态。司机室联运台是司机控制桥吊动作的操作平台，吊具系统的各种手动操作都要从这里的按钮发出。吊具电缆系统的手动操作主要有以下三种：手动选中，手动收缆、手动放缆。卷取装置在收放吊具电缆时，要防止放空电缆和电缆满盘时继续回收，同时要防止收放电缆时电缆拉力过大而损坏电缆，因此需调制电缆空盘限位和电缆满盘限位以及电缆过紧限位。本设计中以卷盘上电缆剩余圈数为3圈时吊具处于最低位，既电缆空盘限位处；电缆还可以绕1圈时吊具处于最高位，既电缆满盘限位处；当电缆张力过大，超出电缆许用拉力时，电缆过紧限位动作，设备停止。滑环箱内也装有一个加热器，用来防止滑环箱结露，该加热器一直通电。3吊具控制系统总体方案对吊具电缆控制系统有了相应的了解后，下面简单介绍吊具电缆控制系统总体方案，控制系统框图如图1所示。图1 控制系统框图可编程控制器接收主PLC的运行指令及运行状态，并据此来得到主起升的运行速度及状态，从而控制变频器输出电压频率，实现对变频电机的调速，使吊具电缆与主起升保持一致；在电机停止或限位信号指示机构发生故障时，可编程控制器控制制动器进行减速制动或紧急制动,并发出相信指示灯信号或报警信号。根据吊具电缆控制系统的要求与控制系统框图，可得出吊具电缆控制系统控制原理图如图2所示。图2 控制系统控制原理图3.1设计说明根据用户桥吊已有吊具电缆系统配置的运行速度，将已有的驱动方式“磁滞+变频驱动”，改造为“全变频驱动”，改造后的吊具电缆卷盘控制采用“速度+力矩限制”。3.2吊具使用场合与环境该吊具卷筒安装在起重机上，随起重机一起工作在海洋性气候的环境中，环境温度： -10 45 C； 湿度：100%；工作风速：25米/秒；非工作风速：55米/秒。3.3吊具基本信息和主参数1、数量： 1 套/台；2最大悬挂长度：共计62米，其中轨上 42 米+轨下 20米+悬挂高度04米（在吊具最高处时上架缓冲器至卷筒中心的高度）；3在吊具最高处时：卷筒还可绕 1 圈；4在吊具最低处时：卷筒上电缆剩余圈数 3 圈 ；5起升速度参数：见表2；表2 吊具起升速度参数类别起升速度（米/分）加速时间（秒）减速时间（秒）空吊具起升18033空吊具下降18033满载起升901.51.5满载下降901.51.56.驱动型式：改造前磁滞+变频驱动，改造后为全变频驱动；7.卷筒型式：单排多层缠绕卷盘；8.安装方式：户外安装。4吊具电缆控制系统机械部分设计 对吊具电缆控制系统机械部分的改造较少且不是本文的重点研究对象，估仅在此处做粗略的介绍。4.1增加电机安装座不同的电机其安装座尺寸也有差异，故需要根据选用的电机重新设计其安装座，以保证其的正确安装与使用。4.2增加制动器安装根据新的吊具控制系统机电一体化的需要，在原系统中需要加入一制动器来保证系统制动能力和断电时系统的安全，制动器安装在原系统中电机的安装位置，根据选用的制动器尺寸设计的安装座如图3所示：图3 制动器安装座实物图4.3减速箱大修对原减速箱进行检修，其中的齿轮、轴承如果不能使用或不能满足使用要求的，要对其更换或重新选型。4.4增加过紧限位装置针对改进的吊具控制系统的需要，在原有吊具缓冲器上加装过紧限位装置，来保证电缆不因张力过大而产生故障。5 桥吊吊具PLC控制系统硬件设计桥吊吊具PLC控制系统硬件设计是控制系统至关重要的环节之一，关系着PLC控制系统运行的可靠性、安全性、稳定性。PLC控制系统供电电源一般为AC85-240V，适应电源范围较宽，一般加装抗干扰的电源滤波器、1:1隔离变压器等电源净化原件。PLC控制系统的输出电路设计，根据生产工艺要求，一般采用适应于高频动作、响应时间短的晶体管输出各种指示灯、变频器的启动停止。抗干扰设计是PLC控制系统设计时必须考虑的问题，一般采用隔离、屏蔽、布线等防干扰方式。5.1控制系统的输入输出信号桥吊吊具系统的控制主要由 PLC 完成，PLC 是控制系统的核心。吊具控制系统输入输出点是PLC的选型的一个重要参考，根据被控对象的复杂程度，以及生产工艺的要求，进行I/O点数的统计，列出清单，以备使用，并适当进行内存容量的估计，确定留有适当的软硬见资源余量而不浪费资源的机型。输入信号包括主控PLC的各种通讯信号、编码器和热继电器的反馈信号、制动器的状态信号、各种限位信号等。输出信号包括给反馈主控PLC的各种通讯信号、吊具屏的各种显示报警信号、各接触器的动作信号、变频器的动作信号等。对吊具电缆控制系统输入输出点的统计见表3、表4。表3-3吊具电缆控制系统输入点归纳序号输入点序号输入点1变频器接触点闭合9手动选中2变频器故障10手动收电缆3制动器接触器闭合11手动放电缆4制动器状态指示12电缆满盘5制动器抱闸紧13电缆空盘6制动器抱闸松14电缆过紧限位7电机热继电器15编码器8制动器检测继电器表4吊具电缆控制系统输出点统计序号输出点序号输出点1制动器安全接触器6变频器故障2制动器接触器7电机过载3主接触器8电缆过紧4电缆卷盘运转9电缆卷盘未满盘5电缆卷盘无故障10电缆卷盘未空盘5.2 PLC的选型可编程控制器，简称PLC即Programmable Logic Device，是为了取代老式的继电器控制系统而专门为工业控制所设计的综合型控制系统，一般分为软件系统和硬件系统，PLC构成2如下图4所示，它具有强大的与工业设备相连接的接口，具有更适用于控制要求的编程语言3。它可以将预先编制的指令存储起来，然后根据指令进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数等，并通过模拟或数字输入/输出，从而来机械动作或生产过程。图4 PLC构成框图桥吊吊具控制系统主要有PLC完成，PLC是电气控制的核心，现在的PLC产品种类很多，但各种类型之间也有一定的差异，甚至有些差异还很大，因此只有选择适合的PLC，才能使整个系统更加可靠。PLC选型基本规则4, 5, 6, 7：要能满足使用要求(根据控制系统输入输出点数多少)，控制系统运行的可靠性要高，维护简单方便，性价比要高。基于对改造系统仅是整个桥吊电气控制系统中的一个模块，考虑到客户对原使用系统的已经比较熟悉，以及整个系统的可靠性与兼容性，维护方便性，本次改造原系统所使用的西门子系统，同时根据输入输出信号数量及具体的使用要求，所选用的PLC的型号CPU 315-2DP，整机系统采用 PROFIBUS-DP总线控制，信息监控系统采用 TP170A人机界面。该 PLC8含有 PROFIBUS主从接口，主站掌握数据流的控制权， 可以在没有外部请求下发送指令或读取从站信息。从站连接变频器等简单设备。SINAMICS S2109集 V/F、矢量控制及伺服控制于一体的驱动控制系统， 它不仅能控制普通的三相异步电动机，还能控制同步电机、 扭矩电机及直线电机。内部集成的 DCC（驱动控制图表）功能， 用 PLC的编程语言来实现逻辑、运算及简单的工艺等功能。人机界面能体现系统运行中出现的故障以及系统运行状态，检修人员只要查看人机界面显示的故障信息，就可以排除故障。 其接口示意图如下图5。图5 SIEMENS CPU315-2DP的接口示意图已安装在电器柜中的PLC如图6所示。图6 已安装的PLC实物图5.3 吊具电缆的选择桥吊用吊具电缆使用的环境比较恶劣，通常安装在户外，经常在高温或低温下工作，承受海风、雨水等的侵袭，必须有一定耐高低温、耐酸/碱、抗老化等特性；要在高速下作业，还要不断的进行卷盘动作，不能因此造成电缆的扭曲，导致断芯，必须有一定能耐磨、耐弯曲、耐扭转等特性；要能承受较大的拉力；要有一定的抗电磁干扰能力等。因此吊具电缆的性能要求高，价格昂贵，一般使用国外进口的的较多。根据本研究的使用要求，最后选定的吊具电缆情况如下：电缆型号：PRYSIMA CORDAFLEX 0.6/1KV 44*2.5 mm2电缆最大直径：37.1毫米电缆重量： 2.28 公斤/米电缆允许拉力： 5100牛电缆最小允许弯曲半径：_8D mm5.4变频电机的选型电缆卷盘卷绕力矩的大小由电缆重力、集电环输电箱滑环与碳刷的摩擦力、电缆弯曲阻力、电缆卷盘转动的阻力等所产生的合力矩所确定的。这个卷绕力矩的精准计算很难实现，但对于变频电机的选型，可以用原来电机的功率来确定，原电机的功率为5.5KW(两台)，因此选定电机的功率为11KW。根据变频电机的功率和桥吊的使用情况，最终选定的变频电机如下：电机品牌：上海ABB 变频调速电机 QABP160M4数量：1台 防护等级：IP 55 绝缘等级： F 温升等级：B级电机工作制：S1(1 分钟160%过载)电机冷却方式：IC411(自带风扇冷却)增量型编码器配置：LINE LINDE产品：XHI 803 86-120-HTL/1024，电机内置；标配加热器和测温元件；220VAC/1PH，50W常闭开关量信号接线盒进线方式：软管(G1-1/4)两个；主要技术参数：380VAC，50Hz，11KW ，23.2A，70N.m，1460 r/min；图7 变频电机安装实物图小结本章介绍了桥吊吊具电缆控制系统设计，阐述了控制过程及总体设计方案，和桥吊吊具控制系统硬件设计等。选择了合适的桥吊吊具电缆电气控制方式，介绍了桥吊吊具控制系统控制过程，并设计出了控制系统总体方案，给出了控制系统原理图。明确了桥吊吊具的使用场合与环境，给出了吊具基本信息和主参数，包括起升速度具体参数；对机械部分设计也做了简单说明，增加了吊具控制系统用到的电机安装座、过紧限位装置、制动器安装，并对减速箱大修。