PLC 變頻調(diào)速在調(diào)度絞車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉艷 楊潔 劉鄂生

1 概述

裝車樓生產(chǎn)線是一種重要的港口裝卸設(shè)備，在沿海各大型港口的煤炭、礦石和其他散裝物料輸送碼頭中均有廣泛應(yīng)用，目前國內(nèi)外僅有少數(shù)的專業(yè)廠家能夠成套生產(chǎn)供貨。過去，由于種種歷史原因，裝車樓生產(chǎn)線的列車調(diào)度作業(yè)大多仍采用了以鐵路機(jī)車牽引或以傳統(tǒng)的繼電邏輯式電路組合加常規(guī)電氣控制的調(diào)度設(shè)備，其對車皮的撞擊較大，事故隱患多、工人勞動強(qiáng)度大、設(shè)備營運(yùn)成本較高且難以滿足裝車樓生產(chǎn)線安全穩(wěn)定運(yùn)行的工藝需要。應(yīng)用戶要求，我廠在秦皇島港某裝車樓生產(chǎn)線中，首次開發(fā)并調(diào)試投運(yùn)了一套采用S7-300系列的PLC加6SE70工程型變頻器組成程控系統(tǒng)的調(diào)度絞車設(shè)備。

2 設(shè)計要點(diǎn)

2.1 控制系統(tǒng)技術(shù)要求

根據(jù)調(diào)度絞車的工作原理，歸納其控制要求是:1)推送空、重車速度為:0.15 m/s～0.25 m/s;為了防止裝車樓移動車斗在升起和落下時與被裝車皮之間產(chǎn)生撞擊、設(shè)備受損，同時又保證裝車效率，要求速度自動調(diào)節(jié);2)空列的返牽讀牌速度為0.5 m/s;3)拖動電機(jī)為大功率交流變頻電機(jī);4)控制方式分為:就地手動、集中手動、自動、調(diào)試四種，全部由PLC程控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn);5)為了安全可靠地運(yùn)行，裝車樓的PLC與本系統(tǒng)的PLC之間要求具備嚴(yán)格的電氣聯(lián)鎖保護(hù)以及設(shè)備自身某些環(huán)節(jié)的保護(hù)聯(lián)鎖;6)為了抑制變頻調(diào)速系統(tǒng)存在的電網(wǎng)高次諧波干擾，PLC程控采用了模擬量接口的光電隔離，開關(guān)量接口則要求采用以繼電器隔離加濾波電容抗干擾等技術(shù);7)本系統(tǒng)PLC與上位機(jī)PLC之間具備PROFIBUS通信協(xié)議的接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換及管理;8)運(yùn)行過程的聲光提示與故障報警;9)非正常狀態(tài)下的程序復(fù)位等。

2.2 設(shè)計選型

根據(jù)以上要求，我們調(diào)速系統(tǒng)選用西門子公司6SE70變頻器:具有較大的調(diào)速范圍，良好的低頻啟動特性，額定電壓以下全范圍恒轉(zhuǎn)矩輸出，矢量控制模式下穩(wěn)定的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，完整快速的故障診斷，保護(hù)和報警功能、低噪聲驅(qū)動及方便靈活的參數(shù)自整定，完備的制動功能等等。設(shè)計中，變頻器的基本負(fù)載電流必須滿足不小于實(shí)際負(fù)載電流的要求，變頻器的過載能力為:當(dāng)過載時間不大于60 s時，過載倍數(shù)為1.36倍;當(dāng)過載時間不大于30 s時，過載倍數(shù)為1.6倍，電機(jī)額定最小電流不得小于變頻器的1/6，并要求在調(diào)試中對電機(jī)進(jìn)行參數(shù)辨識，模型優(yōu)化。參照選型樣本，選取制動單元及制動電阻。如采用國產(chǎn)電阻降低成本，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對于平移往返的負(fù)載，制動功率P制動=1/3－1/2的負(fù)載功率P負(fù)載，考慮有特殊工況，制動功率略大一點(diǎn)，式中參數(shù)見文獻(xiàn)［2］。

PLC則選擇了西門子S7-300系列作為程控系統(tǒng)的主機(jī)，該系列PLC是一種多功能模塊化可編程控制器，適應(yīng)性廣，便于擴(kuò)展，應(yīng)用靈活。設(shè)計中經(jīng)過對I/O接點(diǎn)的估算，各模塊的功耗，內(nèi)存容量的規(guī)劃，其主要組件是:中央微處理器模塊CPU315-2DP;數(shù)字量輸入模塊16×24VDC;數(shù)字量輸出模塊16×230VAC;PLC電源模塊PS307 10 A;高速計數(shù)器模塊FM350-1等。考慮到與用戶上位機(jī)S7-400H系列及帶有組態(tài)軟件RSVIEW(Rockwell公司產(chǎn)品)系統(tǒng)的通信，我們選用了帶有PROFIBUS通訊接口的CPU315-2DP模塊，配備帶有終端電阻的PROFIBUS90°接頭，采用DP協(xié)議實(shí)現(xiàn)裝車樓PLC之間的數(shù)據(jù)通信，通信數(shù)據(jù)格式為二進(jìn)制(非ASCII碼)。

2.3 PLC程控設(shè)計

本系統(tǒng)采用STEP7編程軟件進(jìn)行編程和硬件組態(tài)，以FM350高速記數(shù)單元加光電編碼器作行程位置輔助檢測，同時在推車和返回的終點(diǎn)與極限位置增加無觸點(diǎn)接近開關(guān)和光電開關(guān)作雙重保護(hù)，以防止調(diào)度絞車設(shè)備越限或誤操作。組態(tài)時需先行安裝由西門子公司提供的FM350編程軟件，在編寫主控軟件DB1時，將FC1，F(xiàn)C2，UDT1等功能塊拷貝到BLOCK程序塊下并插入DB1數(shù)據(jù)塊，再插入其他子程序功能塊等。系統(tǒng)通過檢測風(fēng)機(jī)、制動器、變頻器輸出的工作狀態(tài)信號和各接近開關(guān)、光電開關(guān)以及高速記數(shù)單元所反映的工況信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時處理，同時對調(diào)度絞車進(jìn)行正常聯(lián)鎖啟停和速度調(diào)節(jié)，變頻器的電流和頻率等信號實(shí)時反饋到上位機(jī)PLC和本系統(tǒng)PLC中，當(dāng)發(fā)生過流、過熱或設(shè)備越限等故障時，能自動停車，并發(fā)出聲光報警信號，供操作和維修人員分析判斷。本系統(tǒng)使用靈活，用戶程序設(shè)計了多種控制方式，如解除聯(lián)鎖的調(diào)試方式和正常聯(lián)鎖下的就地手動方式，設(shè)置了硬電位器和軟電位器兩種速度給定形式，其中軟電位器只需按住一個按鈕即可連續(xù)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，可靠性較高。當(dāng)設(shè)備到達(dá)終點(diǎn)位置時，聯(lián)鎖信號限制該方向的運(yùn)行，指示燈閃爍，要復(fù)位必須使用雙按鈕操作才能解除限制，此措施能防止誤操作，保證設(shè)備的安全運(yùn)行。同時本系統(tǒng)還可組態(tài)通過PROFIBUS協(xié)議上傳數(shù)據(jù)，具體細(xì)節(jié)可參見文獻(xiàn)［4］的相關(guān)內(nèi)容。

3 調(diào)試

3.1 變頻調(diào)速器設(shè)置

包含了受控電機(jī)的基本參數(shù)以及變頻器開關(guān)量、模擬量輸入、輸出選擇與控制功能的基本設(shè)定等。西門子6SE70系列變頻器是一種功能比較強(qiáng)大，編程十分靈活的智能化調(diào)速設(shè)備，可根據(jù)不同的工藝要求，設(shè)置不同的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同的控制功能;另外變頻器參數(shù)與系統(tǒng)PLC程序和硬件必須密切配合，才能實(shí)現(xiàn)不同工況下的速度和方向控制。參數(shù)設(shè)定的原理詳見參考文獻(xiàn)［2］［5］及西門子公司的相關(guān)技術(shù)資料。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

1 )調(diào)度絞車PLC與裝車樓PLC的綜合信號調(diào)試:開關(guān)量聯(lián)鎖信號和模擬量調(diào)速及電流，頻率反饋信號，直接關(guān)系到調(diào)度絞車與裝車樓料斗設(shè)備之間的安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須一一進(jìn)行測試，確保可靠。2)系統(tǒng)調(diào)試:信號測試完成后，將所有開關(guān)量，模擬量連接起來，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，即對各聯(lián)鎖條件逐一試驗(yàn)，使之動作準(zhǔn)確，響應(yīng)快捷，達(dá)到設(shè)計要求。然后是帶空載負(fù)荷及重載負(fù)荷試驗(yàn)，均一次性通過;重載調(diào)試僅出現(xiàn)的一個問題，即:裝車時偶爾有速度跳變的現(xiàn)象，使得調(diào)度絞車與裝車樓的料斗間的協(xié)調(diào)配合帶來安全隱患，我們及時分析原因，查明是給定信號受現(xiàn)場高次諧波干擾所致，遂決定采用抗干擾和速度限幅措施，由我廠技術(shù)人員現(xiàn)場解決了速度跳變問題。

4 結(jié)語

通過PLC及變頻器組成的裝車樓調(diào)度絞車程控系統(tǒng)的設(shè)計及調(diào)試完成，實(shí)現(xiàn)了裝車樓生產(chǎn)線調(diào)車作業(yè)的空載高速牽返讀牌和重載裝車調(diào)速過程的全自動運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了港口物料輸送過程——裝車樓生產(chǎn)線調(diào)車作業(yè)的自動控制，滿足了裝車樓生產(chǎn)線安全穩(wěn)定運(yùn)行的工藝需要。同時減小了對車皮的撞擊，降低了工人勞動強(qiáng)度，也降低了設(shè)備營運(yùn)成本及維護(hù)成本。

［1］ 劉 鍇，周 海.深入淺出西門子S7-300PLC［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［2］ 西門子電氣傳動有限公司.6SE70變頻調(diào)速器使用大全［Z］.2001.

［3］ 劉鄂生.PLC可編程控制系統(tǒng)在翻車機(jī)成套設(shè)備上的應(yīng)用［J］.華中電力，2000(5)：49-51.

［4］ 崔 堅(jiān)，李 佳.西門子公司工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［5］ 韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［6］ 西門子電氣傳動有限公司.FM350-1b Function Module manual［Z］.2003.