PLC 變頻調速在調度絞車控制系統(tǒng)中的應用

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)線的列車調度作業(yè)大多仍采用了以鐵路機車牽引或以傳統(tǒng)的繼電邏輯式電路組合加常規(guī)電氣控制的調度設備，其對車皮的撞擊較大，事故隱患多、工人勞動強度大、設備營運成本較高且難以滿足裝車樓生產(chǎn)線安全穩(wěn)定運行的工藝需要。應用戶要求，我廠在秦皇島港某裝車樓生產(chǎn)線中，首次開發(fā)并調試投運了一套采用S7-300系列的PLC加6SE70工程型變頻器組成程控系統(tǒng)的調度絞車設備。

2 設計要點

2.1 控制系統(tǒng)技術要求

根據(jù)調度絞車的工作原理，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、設備受損，同時又保證裝車效率，要求速度自動調節(jié);2)空列的返牽讀牌速度為0.5 m/s;3)拖動電機為大功率交流變頻電機;4)控制方式分為:就地手動、集中手動、自動、調試四種，全部由PLC程控系統(tǒng)實現(xiàn);5)為了安全可靠地運行，裝車樓的PLC與本系統(tǒng)的PLC之間要求具備嚴格的電氣聯(lián)鎖保護以及設備自身某些環(huán)節(jié)的保護聯(lián)鎖;6)為了抑制變頻調速系統(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;7)本系統(tǒng)PLC與上位機PLC之間具備PROFIBUS通信協(xié)議的接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換及管理;8)運行過程的聲光提示與故障報警;9)非正常狀態(tài)下的程序復位等。

2.2 設計選型

根據(jù)以上要求，我們調速系統(tǒng)選用西門子公司6SE70變頻器:具有較大的調速范圍，良好的低頻啟動特性，額定電壓以下全范圍恒轉矩輸出，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，保護和報警功能、低噪聲驅動及方便靈活的參數(shù)自整定，完備的制動功能等等。設計中，變頻器的基本負載電流必須滿足不小于實際負載電流的要求，變頻器的過載能力為:當過載時間不大于60 s時，過載倍數(shù)為1.36倍;當過載時間不大于30 s時，過載倍數(shù)為1.6倍，電機額定最小電流不得小于變頻器的1/6，并要求在調試中對電機進行參數(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，對于平移往返的負載，制動功率P制動=1/3－1/2的負載功率P負載，考慮有特殊工況，制動功率略大一點，式中參數(shù)見文獻［2］。

PLC則選擇了西門子S7-300系列作為程控系統(tǒng)的主機，該系列PLC是一種多功能模塊化可編程控制器，適應性廣，便于擴展，應用靈活。設計中經(jīng)過對I/O接點的估算，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)格式為二進制(非ASCII碼)。

2.3 PLC程控設計

本系統(tǒng)采用STEP7編程軟件進行編程和硬件組態(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與極限位置增加無觸點接近開關和光電開關作雙重保護，以防止調度絞車設備越限或誤操作。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)通過檢測風機、制動器、變頻器輸出的工作狀態(tài)信號和各接近開關、光電開關以及高速記數(shù)單元所反映的工況信息，進行數(shù)據(jù)實時處理，同時對調度絞車進行正常聯(lián)鎖啟停和速度調節(jié)，變頻器的電流和頻率等信號實時反饋到上位機PLC和本系統(tǒng)PLC中，當發(fā)生過流、過熱或設備越限等故障時，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，用戶程序設計了多種控制方式，如解除聯(lián)鎖的調試方式和正常聯(lián)鎖下的就地手動方式，設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)進行速度調節(jié)，可靠性較高。當設備到達終點位置時，聯(lián)鎖信號限制該方向的運行，指示燈閃爍，要復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，保證設備的安全運行。同時本系統(tǒng)還可組態(tài)通過PROFIBUS協(xié)議上傳數(shù)據(jù)，具體細節(jié)可參見文獻［4］的相關內(nèi)容。

3 調試

3.1 變頻調速器設置

包含了受控電機的基本參數(shù)以及變頻器開關量、模擬量輸入、輸出選擇與控制功能的基本設定等。西門子6SE70系列變頻器是一種功能比較強大，編程十分靈活的智能化調速設備，可根據(jù)不同的工藝要求，設置不同的參數(shù)，實現(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，才能實現(xiàn)不同工況下的速度和方向控制。參數(shù)設定的原理詳見參考文獻［2］［5］及西門子公司的相關技術資料。

3.2 系統(tǒng)調試

1 )調度絞車PLC與裝車樓PLC的綜合信號調試:開關量聯(lián)鎖信號和模擬量調速及電流，頻率反饋信號，直接關系到調度絞車與裝車樓料斗設備之間的安全穩(wěn)定運行，必須一一進行測試，確?？煽?。2)系統(tǒng)調試:信號測試完成后，將所有開關量，模擬量連接起來，進行系統(tǒng)調試，即對各聯(lián)鎖條件逐一試驗，使之動作準確，響應快捷，達到設計要求。然后是帶空載負荷及重載負荷試驗，均一次性通過;重載調試僅出現(xiàn)的一個問題，即:裝車時偶爾有速度跳變的現(xiàn)象，使得調度絞車與裝車樓的料斗間的協(xié)調配合帶來安全隱患，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，由我廠技術人員現(xiàn)場解決了速度跳變問題。

4 結語

通過PLC及變頻器組成的裝車樓調度絞車程控系統(tǒng)的設計及調試完成，實現(xiàn)了裝車樓生產(chǎn)線調車作業(yè)的空載高速牽返讀牌和重載裝車調速過程的全自動運行，實現(xiàn)了港口物料輸送過程——裝車樓生產(chǎn)線調車作業(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，降低了工人勞動強度，也降低了設備營運成本及維護成本。

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

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

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

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

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

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