一类G-M系统轮胎吊自动控制系统设计-最终版.doc

. 一类G-M系统轮胎吊自动控制系统设计 徐雄炳1。2 何星1 张卫东1 1.上海交通大学自动化系 2 上海海得控制系统股份有限公司摘要 本文结合某港口G-M系统轮胎吊的技术改造实例，在保持原有供电调速方案不变的基础上，采用PLC综合控制替代原有的继电器逻辑控制，以及数字式直流调速器替代原有的模拟式直流发电机励磁电流发生器，并利用两者之间的协调配合构成数字式调节器以替代原有的模拟式调节器。同时，就直流调速器控制方式的设置、运行机构预提力矩的控制和速度环积分分离PID闭环控制等几个与本系统自动化控制有关的核心问题进行了详细阐述。A design on automatic control of RTG of G-M system XU Xiong-bing1。2 HE Xing1 ZHANG Wei-dong11. Department of Automation, Shanghai Jiaotong University 2 Shanghai Hi-tech Control System Co., ltdAbstract Taking a case of technical renewing G-M system in a port as research object and keeping the original scheme of speed regulation unchangeable, this dissertation focuses on adopting PLC integrated control instead of the original relay logic control, digital DC speed driver instead of the existing analog exciting current generating device for DC generator, and taking the new digital speed regulating device with the coordination of PLC and DC speed drive to replace the existing analog speed regulating device. Meanwhile, it also expatiates on several core questions of this automatic control system such as the control mode setting of DC speed driver, pre-hold torque control and the integral-separated PID control of speed loop.关键词 轮胎吊 G-M系统 PLC 直流调速器预提力矩 PID控制Key words: RTG, G-M system, PLC, DC speed drive, pre-hold torque, PID control一. 引言可编程逻辑控制器（PLC）和交直流调速器在港口起重机领域的应用越来越广泛，应用PLC不仅能完成复杂的逻辑控制，而且其可靠性高、抗干扰能力强、维护量小，能方便地与计算机联网通信1。交直流调速器的推广应用，使得系统的效率、稳定性和可靠性大大提高。PLC和交直流调速器的引入，对于提高起重机的自动化水平、降低能源消耗、提高劳动生产率发挥了重要作用2。考虑到原有设备的状况以及用户改造费用的限制，在改造方案的确定中，保留了原有的G-M供电调速方案不变，直接对原系统的自动化控制部分进行改造。在自动控制系统设计中，利用西门子S7-300系列PLC替代原有的继电器逻辑控制，以及CT公司MENTOR II系列M25R全数字式直流调速器替代原有的直流发电机励磁电流发生器，并利用两者之间的协调配合构成数字式调节器以替代原有的模拟式调节器对原系统进行自动化控制系统改造，取得了较好的控制效果。二. G-M系统简介轮胎吊是一种能在一定范围内垂直提升和水平移动集装箱的装卸设备，在码头搬运中起着重要作用。在本技术改造实例中，原控制系统采用典型的发电机电动机组（即G-M系统）供电调速方案，即用交流电动机传动直流发电机，通过改变直流发电机的励磁电流以获得可变直流电源，从而调节直流电动机的转速。速度控制部分是典型的电流转速双闭环调节系统，其中电枢回路电流控制为内环，电动机速度控制为外环。原G-M系统传动方案如图1所示。这类系统的轮胎吊大多在上世纪七、八十年代从日本引进，目前各大港口码头还有不少这类轮胎吊在继续使用。原系统直流发电机励磁电路均由模拟分立器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低3。三. 控制系统设计1. PLC控制系统结构根据系统监测和控制要求，PLC控制系统结构如图2所示，系统由一个CPU主控制站，五个远程I/O站和一个上位操作员监视站组成总线型网络。主控制站采用西门子SIMATIC S7-300，配置315-2DP CPU模板、CP343-5通信处理器、SM331/SM332模拟量输入/输出模板和SM321/SM322数字量输入/输出模板。远程I/O站配置IM153接口模块、SM331模拟量输入模板和SM321/SM322数字量输入/输出模板。上位操作员监视站采用西门子工控机IPC，配置SIMATIC CP5613通信卡与PLC通信。起重机信息管理系统选用上海海得控制系统股份有限公司自行开发的NET SCADA监控软件，提供操作员监视、系统报警及生成等功能，预留远程监视和诊断接口。整个系统由西门子PROFIBUS LAN电缆联网，构成PROFIBUS总线型网络。上位控制计算机与S7-300之间为PROFIBUS-FMS协议，主控制站S7-300与远程I/O之间为PROFIBUS-DP协议。PLC控制系统采用分布式I/O控制方案，提高了控制系统的灵活性、可靠性和抗干扰能力，同时又降低了控制系统造价，达到合理配置的目的。2. 数字式直流调速器直流调速器采用CT公司MENTOR系列四象限全数字式直流调速器，全系列产品具有控制、监测、保护和串行通讯的功能。根据直流发电机励磁电流的大小，选用M25R四象限调速器，最大允许进线电压480VAC，最大电枢电压530VDC，最大额定连续输出电流25A。MD29卡为直流调速器应用模块选配卡，可通过DPL TOOLKIT应用软件进行参数配置和功能模块编程。DPL TOOLKIT编程软件，具有类似PASCAL语言的编程功能以及初始化任务、主任务和快速任务等多种任务结构。根据不同的控制要求，可在不同的任务中进行编程，以达到不同的控制性能。通过DPL TOOLKIT的编程和在线下载，可关闭直流调速器电动机模型的速度控制环节和励磁控制环节，仅保留直流调速器的电流环节，作为G-M系统直流发电机的励磁电流发生器。因此，该发电机励磁电流发生器兼备了先进的数字式直流调速器的功能，具有数字式、可编程，快速性和可控可逆等特点。3. PLC和调速器的协调配合在自动化控制系统中，PLC负责整个系统的信号采样、故障检测、起重机运行逻辑处理、调速器运行逻辑处理、速度给定的斜坡处理、安全保护和事故停车处理以及与上位监控机的信息沟通的桥梁纽带作用。数字式直流调速器负责运行机构速度采样、电动机电枢回路电压和电流采样、直流电动机固定励磁电流采样、直流发电机励磁电流发生、预提力矩和抱闸控制、速度环的PID控制以及系统过电流、过电压等故障检测和保护功能。联动台主令控制器采用带有电位器的主令手柄，司机室I/O远程站负责采集主令手柄电位器的分压值，作为速度给定的主要依据。运行机构的实际速度通过脉冲编码器检测获得。PLC采集到主令手柄的方向信号和给定信号后，在PLC快速任务中进行给定斜坡处理。经斜坡处理后的给定信号和运行逻辑信号送入直流调速器模拟量控制端口和数字量控制端口，作为调速器PID控制的速度基准信号和调速器运行使能信号，然后经过一系列PID闭环运算后，控制直流发电机的励磁电流，以调节直流电动机的转速。四. 重要控制功能的实现1. 调速器控制方式一般而言，直流调速器的控制对象为他励直流电动机。而在本系统中，直流调速器是作为直流发电机的励磁电流发生器使用的。因此，必须首先关闭直流调速器电动机模型的速度环和励磁控制环，通过控制直流调速器电动机模型的电流环，达到控制直流发电机励磁电流的目的。直流调速器控制方式的设定可通过DPL TOOLKIT应用软件在Initial任务中进行设置。设置的主要参数如下4：Initial#14.0410 ；定义快速任务时钟为10ms#03.131 ；选择编码器作为速度反馈#04.12=1 #04.13=0 ；选择调速器控制方式为基本电流或转矩控制#08.240 ；取消电动机励磁丢失保护功能#10.291 ；取消电枢电压反馈丢失保护功能#10.370 ；电枢回路开路保护#04.05270 #04.06=270 ；电枢电流限幅 #03.1580 ；电枢电压限幅2. 预提力矩和抱闸控制直流电动机预提力矩和抱闸控制是起升机构在起动和停止阶段防止溜钩的重要措施。预提力矩和抱闸控制程序在调速器DPL TOOL KIT应用软件Background主任务中编程。根据直流电动机电磁转矩的基本理论，对于固定励磁的他励直流电动机而言，电动机电磁转矩与电枢电流成正比。因此，只有当调速器检测到电动机电枢电流足够时，也即建立了足够的预提力矩后，才可以打开抱闸，进入运行机构的一般逻辑控制5。 下面以起动阶段预提力矩和抱闸控制为例，说明如下：1.定义接口变量$define Brake #01.12 ；制动器松闸命令#01.12的接口变量定义为Brake$define Current_ref #04.08 ；电流给定#04.08的接口变量定义为Current_ref$define Run_permit #01.11 ；运行允许#01.11的接口变量定义为Run_permit$define Drive_enable #08.11 ；调速器使能#08.11的接口变量定义为Drive_enable2.在PLC给出起动命令时，置H_start%起动标志，初始化电流给定Background If Run_permit=1 and Drive_enable=1 and H_start%=0 and Brake=0 then H_start%=1Current_ref=0Endif3.给出H_start%起动标志后，逐步增大电流给定If H_start%=1 and Brake%=0 then Current_ref%=Current_ref%+1 Current_ref%=limit(Current_ref%,20)Endif4.当检测到电枢电流大于80A时，给出松闸命令If H_start%=1 and H_Iarm%80 then Brake=1 H_start%=0Endif3. 积分分离PID控制在技术改造过程中，我们发现系统在起动、停止或联动台主令手柄大幅度增减速度给定值时，短时间内系统输出偏差较大，容易造成PID运算的积分累积，导致PID运算获得的控制量大于或远大于调速器电流环可能的最大动作范围对应的极限控制量，最终引起系统较大的超调和冲击，甚至引起电枢回路过电流保护动作。因此，我们在改造过程中引入了积分分离的PID控制算法。由于引进了积分分离PID控制算法，既保持了积分作用，又减小了超调量，使得控制性能有了很大改善。PID控制程序在调速器DPL TOOL KIT应用软件Clock任务即快速任务中编程。积分分离PID控制与常规PID控制类似，以下就积分分离PID控制算法作简要介绍。积分分离PID具体实现如下：(1) 根据实际情况，设定一阈值。(2) 当时，也即偏差值比较大时，采用PD控制，可避免过大超调，又使系统有较快的响应。(3) 当时，也即偏差值比较小时，采用PID控制，可保证系统的控制精度。公式如下： 6 (1) (2)式中 速度偏差，；其中为速度给定，为速度反馈；比例系数；积分系数，；微分系数，； 其中： 采样周期； 积分时间常数； 微分时间常数； 在本改造实例中，PID控制采用增量表达式： (3) (4)由于CT公司MENTOR II系列直流调速器MD29软件具备了类似PASCAL语言的编程功能，因此，这种积分分离的PID控制算法和常规PID控制算法一样，很容易通过软件编程实现。4. 结论：将PLC和数字式直流调速器相结合，充分利用PLC和数字式调速器的自身优势，大大提高了原有G-M系统轮胎吊的自动化程度。改造结果表明，对于那些为降低改造费用必须保留原有G-M系统传动方案，同时又迫切需要对自动化控制部分进行改造以提高整个系统的效率、稳定性和可靠性的用户，本改造方案不失为一种较为理想的选择，可使系统获得较好的性能指标，具有较高的借鉴意义。5参考文献1 舒雄燕 PLC在焦炉压力控制系统中的应用 自动化博览 2003.9 2 张质文等主编起重机设计手册 北京：中国铁道出版，19973 梁亦铂,王正茂,何涛,吴秉炜 数字式直流电机调速系统的硬件设计微电机 2001年05期4 Mentor 全数字式直流电机驱动器25A-1850A使用手册 英国CONTROL TECHNIQUES