西門子S120全新交流變頻控制系統(tǒng)在大噸位卸船機上的應用

肖自立（西門子工廠自動化工程有限公司上海第一分公司，上海 200023）

1 概述

最近這幾年，包括中國在內(nèi)的全球經(jīng)濟快速發(fā)展，工業(yè)制造業(yè)發(fā)展迅猛，對電能的消耗需求非常旺盛，很多大型電廠紛紛上馬。由于電廠發(fā)電每天要燃燒大量的煤發(fā)電，燃料煤是用大型運輸船通過海上運輸?shù)桨叮缓笸ㄟ^岸上設(shè)備把煤從船倉里卸到岸上運輸皮帶輸送到中央燃燒室，卸船機是碼頭前沿的重大接卸設(shè)備，對系統(tǒng)工作效率起著重要的作用，因此各大港口為達到系統(tǒng)最大生產(chǎn)率，均按碼頭可?？孔畲蟠鸵筮x用高效、可靠的卸船機。由江蘇海隆公司制造的馬來西亞LBT港口生產(chǎn)的4000T/h抓斗式卸船機上的電氣系統(tǒng)采用西門子的新一代起重機電控系統(tǒng)SIMOCRANE，并由西門子負責電氣系統(tǒng)的設(shè)計調(diào)試。而業(yè)主馬來西亞LBT港口是專門服務于TNBJ發(fā)電廠的碼頭，年吞吐量為6百萬噸煤，因發(fā)電廠在目前3×700MW機組的基礎(chǔ)上增加了1×1000MW機組，煤吞吐量相應增加，促使LBT港口對其現(xiàn)有設(shè)施進行擴建。經(jīng)過多次國外調(diào)研考察，最后從中國引進了江蘇海隆公司制造的4000T/h抓斗式卸船機，也是目前世界最大容量的卸船機，它最大生產(chǎn)效率達到4400T/h，遠遠超過市場上1500～2500T/h的常規(guī)卸船機作業(yè)效率。

圖1 卸船機整體結(jié)構(gòu)

圖2 電氣房

圖1是卸船機全景圖，我們可以看到卸船機整機可以在碼頭地面軌道上移動（大車位移），抓斗最大抓取重量為63噸，可以在機器橫梁軌道上移動（小車位移），抓斗上升下降（起升位移）及抓斗開閉運動，（實際上還有前大梁抬起俯仰機構(gòu)，由于非本篇文章論述重點，所以以下省略），表1為該卸船機主要技術(shù)指標。

表1 卸船機主要技術(shù)指標

圖2是卸船機電氣房里的電氣控制柜，電氣房里安裝有中壓柜、變壓器、驅(qū)動柜及低壓控制柜。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

卸船機的電控系統(tǒng)主要由控制和驅(qū)動兩部分組成，本卸船機通過高壓電纜卷盤將地面的6kV的高壓電引入設(shè)備，經(jīng)過中壓開關(guān)柜進行控制、保護，然后通過1臺3500kVA雙繞組的主中壓變壓器將6kV中壓電變?yōu)?80V低壓電為主驅(qū)動系統(tǒng)供電，通過1臺400kVA雙繞組輔助中壓變器器將6kV中壓電變?yōu)?00V低壓電為輔助回路供電。

圖3 卸船機交流系統(tǒng)主回路

如圖3所示，主驅(qū)動回路包括ALM、起升、開閉、小車、俯仰和大車機構(gòu)，這些機構(gòu)由3臺900kW ALM并聯(lián)和6臺逆變器驅(qū)動組成，小車和俯仰共用1臺逆變器。如果10個交流驅(qū)動沒有故障，CMS（起重機管理系統(tǒng)）沒有相應的故障顯示，卸船機可以開機運行。

在緊急狀況下，可以通過按下分布在卸船機不同部位的急停開關(guān)來停機，急停開關(guān)安裝在司機室、電氣房、機房、俯仰操作室、大車門腿、前大梁等明顯部位，在急停時所有的抱閘立刻抱死，所有驅(qū)動關(guān)閉，經(jīng)過300ms延時后主負荷開關(guān)斷開。同時，故障可以通過司機室、電氣房、機房、俯仰操作室的復位按鈕進行復位，復位時操作手柄必須處于零位狀態(tài)。

圖4 卸船機控制系統(tǒng)回路

如圖4所示，控制方面，卸船機的PLC網(wǎng)絡由西門子S7 PLC S7 414-3 CPU 和Simotion D435以及ET-200M從站構(gòu)成硬件系統(tǒng)。CPU安裝在電氣房的PLC柜中，交流驅(qū)動逆變器通過Drive-CliQ總線連接到Simotion D435上，D435經(jīng)由Profibus連接到PLC，速度給定值、控制字和狀態(tài)字通過Profibus數(shù)據(jù)總線傳輸。

Profibus數(shù)據(jù)總線的波特率為1.5MB/S，Drive-CliQ數(shù)據(jù)總線的波特率為12MB/S， 電氣房的所有ET-200M站和本地操作站通過Profibus連接到CPU，司機室及俯仰操作室的ET-200M站分別通過光電轉(zhuǎn)換模塊（OLM）以及光纜連接到CPU。

中央控制器CPU通過I/O模塊將信號在外設(shè)之間傳輸，或通過繼電器將信號傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備。

CPU上帶有Profinet接口，通過以太網(wǎng)可以實現(xiàn)PLC和CMS之間的通訊。如CMS沒有連接或停止，卸船機的操作不會受到影響。CMS裝有STEP7編程軟件用于維護以及故障查找。

3 抓斗功能實現(xiàn)原理及程序設(shè)計

起升機構(gòu)和開閉機構(gòu)配合進行抓斗的開閉動作，由兩個起升電機和兩個開閉電機組成，當這四個電機中的任何一個電機因為故障無法運行的時候，都可以通過設(shè)置在電氣房WinCC中的旁路進行旁路操作，以保證機構(gòu)能應急運行。但此時必須在閉斗的情況下才能正常運行。

卸船機的起升機構(gòu)有兩個基本功能：

（1）與開閉機構(gòu)配合實現(xiàn)抓斗的閉合，抓斗靠自重打開。

（2）與開閉機構(gòu)配合實現(xiàn)抓斗在卸船機高度方向上下運動。

當抓斗沒有張開或閉合動作時，抓斗上升或下降的過程中起升和開閉以同樣的速度上升或下降。當開斗或閉斗時起升開閉運行在不同的速度。

在閉斗過程中，起升的運行并沒有同步進行，這樣會導致起升鋼絲繩的松弛，抓斗閉合之后，開始起升時鋼絲繩會自動張緊，通過調(diào)整PLC程序參數(shù)值松繩控制功能塊的相關(guān)數(shù)值可以調(diào)整鋼絲繩張緊速度；調(diào)整起升的力矩。如果起升力矩值超過設(shè)定值，抓斗在閉斗過程中允許下陷，為了防止在閉斗過程中抓斗下陷過快，起升下降的速度必須限制在全速的10%。

起升機構(gòu)可以進行的三種基本操作模式：

（1）外部控制箱上進行的點動操作；

（2）司機室操作臺上通過手柄進行的手動操作；

（3）司機室操作臺上進行的自動操作。

對于抓斗部分，整個機構(gòu)由四根鋼絲繩牽引控制，兩根為起升鋼絲繩分別纏繞在起升卷筒1、2上由起升機構(gòu)電機控制，兩根為開閉鋼絲繩分別纏繞在開閉卷筒3、4上由開閉機構(gòu)電機控制，如圖5所示。

圖5 卸船機機械四卷筒驅(qū)動

工作時，如果起升電機不動，開閉電機正向旋轉(zhuǎn)通過開閉卷筒收緊抓斗兩根開閉鋼絲繩使抓斗閉斗，如開閉電機反向旋轉(zhuǎn)，抓斗上開閉鋼絲繩放松，抓斗斗心在重力作用下開斗。

如果起升，開閉電機同時正向旋轉(zhuǎn)，同時收緊四根鋼絲繩時，整個抓斗在鋼絲繩作用下做上升運動，如果起升，開閉電機同時反向旋轉(zhuǎn)，同時放松四根鋼絲繩時，整個抓斗在重力作用下下降。

當抓斗在載堆上閉斗取料時，起升鋼絲繩會松弛；在抓斗完全閉合之后起升鋼絲繩會自動繃緊一直到完全繃緊。但有些情況下（這取決于物料的品種）如果起升鋼絲繩過于松弛，起升鋼絲繩上的張力太小，有可能會導致閉斗時抓斗在物料中挖入太深的危險，就要求使抓斗的起升鋼絲繩繃緊，抓斗將不會進一步下沉。

松繩補償功能僅適用于閉斗時起升鋼絲繩繃緊的情況，如果是起升或下降過程中發(fā)現(xiàn)起升或開閉鋼絲繩松弛時，應重新設(shè)定合適的開閉斗位置。

（1）電流平衡

如上所述，當抓斗上升下降時，起升、開閉兩個電機同時工作，四根鋼絲繩同時放松或收緊，否則抓斗中的將會將在空中撒漏出來，因此此時一定要保證起升、開閉機構(gòu)速度同步。同時，抓斗及斗中煤重量必須同時均衡地被起升、開閉四根鋼絲繩分攤，否則幾根鋼絲繩單獨受力會有被拉斷的危險，所以為了保證四根鋼絲繩受力均衡，必須做起升、開閉電流平衡。

圖6為卸船機起升，開閉驅(qū)動器內(nèi)部控制邏輯圖，上半部分為起升機構(gòu)驅(qū)動器內(nèi)部邏輯控制圖，下半部分為開閉機構(gòu)驅(qū)動器內(nèi)部邏輯控制圖，兩機構(gòu)驅(qū)動器之間通過Simotion通訊連接進行數(shù)據(jù)交換。

圖6 卸船機驅(qū)動內(nèi)部控制邏輯圖

無論是起升還是開閉驅(qū)動器，它們接收起升手柄速度給定信號，經(jīng)過斜波發(fā)生器后進行速度PID調(diào)節(jié)，后進入電流環(huán)進行力矩調(diào)節(jié)，最后通過門級觸發(fā)回路對電機供電電源進行PWM脈寬調(diào)制后去控制電機轉(zhuǎn)速及力矩，同時，通過用速度編碼器采集實際電機速度反饋與速度給定形成閉環(huán)控制。

當抓斗上升，下降時，速度同步指令使能，雖然開閉手柄速度為零，但開閉驅(qū)動器速度輸入通道同時接受起升機構(gòu)傳輸過來的起升速度值，即此時起升，開閉驅(qū)動器速度給定值一樣，通過各自速度閉環(huán)后，實際速度保持一致，從而達到速度同步。

同時，電流平衡指令使能，起升驅(qū)動器將起升電流給定值（在速度調(diào)節(jié)器后端、電流調(diào)節(jié)器前端）傳給開閉驅(qū)動器，在開閉驅(qū)動器中，將傳輸過來的起升電流值與開閉自身電流進行比較，差值作為一個用戶自定義PID調(diào)節(jié)器輸入進行PID調(diào)節(jié)積分（調(diào)節(jié)器增益、積分參數(shù)需在現(xiàn)場調(diào)整），調(diào)節(jié)器輸出值進入開閉驅(qū)動器速度調(diào)節(jié)器，當起升電流大于開閉電流時，PID調(diào)節(jié)器輸出為負值，開閉速度調(diào)節(jié)器輸入增加一正量，導致速度調(diào)節(jié)器輸出增加，及開閉電流增加，當開閉電流增加到與起升電流相同時，即此時PID調(diào)節(jié)器輸入為零，輸出為恒定，此時開閉電流保持恒定與起升電流一致。反之，當起升電流小于開閉電流時，PID調(diào)節(jié)器輸出為正值，開閉速度調(diào)節(jié)器增加一負量，導致速度調(diào)節(jié)器輸出減少，及開閉電流減少，當開閉電流減少到與起升電流相同時，即此時PID調(diào)節(jié)器輸入為零，輸出為恒定，此時開閉電流保持恒定與起升電流一致。所以，在PID調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)下，起升、開閉電流一直保持平衡。從而實現(xiàn)電流平衡功能。

在軟件編程中，使用控制器中D C C 功能模塊“D C C_CurrentEqualControl”進行對應功能設(shè)定，首先比較起升機構(gòu)和開閉機構(gòu)的轉(zhuǎn)速控制生成的電流設(shè)定值，其差值通過一個PI控制器加到開閉機構(gòu)的轉(zhuǎn)速設(shè)定值上。實現(xiàn)電流平衡的PI控制器可以通過P增益和積分時間來調(diào)節(jié)。功能引腳如圖7所示。

圖7 電流平衡軟件功能塊

通過使用該功能模塊，它可以監(jiān)控主從力矩控制中總電流是否均勻地分配到兩個驅(qū)動上。在起重機運行中，總電流通常不能均衡分配，系統(tǒng)會比較主機和從機的設(shè)定電流，如果主機和從機設(shè)定電流之間的差值超過設(shè)定的偏差和時間，則在應用狀態(tài)字1 中的第3位“boFaultCurrentMonitoring”被置位，具體參數(shù)含義見表2說明。

表2 模塊參數(shù)含義表

（2）松繩控制

抓斗在船艙中進行抓料作業(yè)時，如果簡單地停止起升機構(gòu)，可能會使抓斗抓不滿物料而導致效率偏低；而如果司機將抓斗直接砸到物料堆中后直接閉斗，可能出現(xiàn)抓得太滿而導致過載（因為每一艘船的物料密度、濕度可能存在差異，抓斗的容積不完全適合此物料）。如果在閉合抓斗時完全關(guān)閉支撐機構(gòu)的制動，則抓斗不能深入填料，也就不能充分裝填。另一方面，如果在閉合抓斗時完全打開支撐機構(gòu)的制動，則可能導致支撐機構(gòu)的卷筒由于繩纜拉緊而加速下降，從而導致意外的松繩。

松繩控制可以避免出現(xiàn)上面兩種情況。借助松繩控制可以避免抓斗閉合時鋼纜松弛。此外，它還確保抓斗可以深入填料，達到最大的裝填度，當閉合抓斗時，制動被打開，松繩控制使拉索保持微弱的拉力。并以低速卷起可能松弛的纜索。然后，支撐機構(gòu)的卷筒在冗余拉力下保持不動，卷起松弛纜索后，該拉力仍能保持纜索受力并且不會影響抓斗抓取填料。抓斗通過拉緊的纜索下降?？梢哉{(diào)節(jié)該冗余力矩，但它至少必須要承擔最長拉索的重量。

如果出于某些原因需要在半空中閉合抓斗，松繩控制還可以避免抓斗以無法控制的速度迅速下降。此時，抓斗會在自重作用下使絞車加速下降。但該速度同樣可以由松繩控制限制在最大下降速度（下面的特性曲線）范圍內(nèi)。

系統(tǒng)通過控制起升機構(gòu)的下沉量，不同的物料，可以設(shè)置不同的下沉量，從而簡單快速地控制抓斗抓取量，使效率最優(yōu)化。實現(xiàn)的主要方法是將松繩控制的輸出值作為附件轉(zhuǎn)速設(shè)定值疊加在起升速度控制環(huán)上，松繩控制的標準特性曲線如圖8所示，改良后的特性曲線如圖9所示。

圖8 標準特性曲線

圖9 改良后的特性曲線

4 防搖及自動化控制

卸船機的工作循環(huán)從抓斗抓料開始，可分為：提升、橫行（出艙）、止擺、橫行、卸料、返回。但在實際操作中，通常在出艙階段控制小車和抓斗一邊提升一邊橫行，兩個過程不停地重疊，抓斗運行軌跡呈拋物線狀。為了減短卸船周期，提高生產(chǎn)率，一般不會等待抓斗靜止在料斗上方才開始卸料，而是利用抓斗的擺動，當抓斗擺動到最大幅值時開始卸料。整個控制過程主要是控制小車運行的加速度，以達到擺動可控的目的，通過控制擺幅來實現(xiàn)防搖。如圖10～11所示，振擺周期為T =，系統(tǒng)實時檢測抓斗起升位置，然后通過內(nèi)部模型計算出小車的實時速度及加速度，并通過Driv-CliQ總線傳回驅(qū)動器進行控制小車電機運行。

圖10 抓斗振擺模型

圖11 小車加速度曲線

由于該卸船機起升重量大（帶抓斗為80T），速度快，滿載為160m/min，為了提高效率，同時將司機從枯燥的抓斗卸船機操作中擺脫出來，提高卸船機的作業(yè)效率，為其增加了半自動與全自動卸船控制系統(tǒng)。一個完整的卸料周期為：抓斗從船艙內(nèi)閉斗上升，沿著設(shè)定的運行軌跡，避開障礙物向料斗運行，并在料斗上方卸料后返回到船艙上方，半自動操作結(jié)束。然后需要司機手動抓取物料激活自動開關(guān)或腳踏開關(guān)，進入下一周期，如果是全自動則系統(tǒng)可以自行取料，在此期間，司機只需監(jiān)視自動運行整個過程，以防止意外情況發(fā)生導致的安全事故。

圖12為運行軌跡即卸船機全自動作業(yè)軌跡圖。

圖12 運行軌跡圖

下面是基本步驟說明：

（1）（X0，Y0）：開始上升位置。

（2）（X1，Y1）：自動模式時抓斗安全運行的設(shè)定點。在作業(yè)開始前將抓斗移動到船弦的上方位置，并且是在危險線以上的區(qū)域內(nèi)，由司機判斷后設(shè)定。設(shè)定的原則是當船體上下浮動和左右搖擺的情況下，抓斗從船艙內(nèi)起升時不致碰到艙口壁，隨著卸料而使船體不斷上升，艙口上升到危險線以上，所以隔一段時間要確認安全點的設(shè)定，初次設(shè)定點最少要在船弦以上1m處。

（3）（X4，Y4）：漏斗上方的中心位置。即小車卸料時的停靠點。

（4）（X2，Y2）：上升減速位置。

（5）危險線a：在此線的下方為危險區(qū)。即抓斗的運行軌跡只能設(shè)在a線以上的位置，如果設(shè)在危險區(qū)域內(nèi)時，就有抓斗與漏斗相碰撞的可能。

（6）軌跡線b：通過（X1，Y1）的一條直線。是抓斗從船側(cè)向漏斗側(cè)運行的理想軌跡。

（7）軌跡線c：抓斗從船側(cè)向漏斗側(cè)運行的實際軌跡。

（8）軌跡線d：通過（X1，Y1），（X5，Y5）的一條直線。是抓斗從船側(cè)向漏斗側(cè)運行的假定軌跡。

實際上自動操作就是一個順序控制，我們用PLC程序編寫一個自動操作的順序控制器，通過起重機上起升/開閉凸輪限位開關(guān)和小車軌道上的磁力開關(guān)來檢測當前狀態(tài)，并觸發(fā)下一步的操作，形成操作循環(huán)。在PLC程序編制步序，與工作循環(huán)的步序相對應。

在自動操作循環(huán)中，抓斗的最佳路徑優(yōu)化非常重要，這直接關(guān)系到提高卸船機的作業(yè)效率。最佳路徑就是在PLC程序里設(shè)置一條安全線，抓斗在這條安全線以上是抓斗安全工作區(qū)域（抓斗不會碰撞到料斗、接料板、船艙等），在安全線以下是非工作區(qū)域，抓斗不能在此區(qū)域運行，因為會導致碰撞。進行該早期技術(shù)研發(fā)過程中，在系統(tǒng)中除了使用PLC對外圍設(shè)備信號進行控制外，還使用Simotion控制器對小車/起升速度與位置進行控制，同時通過內(nèi)部抓斗數(shù)學模型計算生成和監(jiān)控最優(yōu)化路徑及防搖計算，控制起重機平穩(wěn)高效進行自動化操作。

5 應用體會

西門子新一代起重機電控系統(tǒng)將核心工藝控制的主要功能集成在Simotion中，而Simotion是針對復雜工藝和精確控制機械而設(shè)計的工業(yè)控制系統(tǒng)，響應時間短，穩(wěn)定性高及預留很多標準功能塊，所以它能滿足大噸位卸船機的負載大、速度高、動態(tài)性能好等技術(shù)要求，馬來西亞LBT港4000T/h卸船機已于2014年4月1日起投入使用，運行情況良好，至今已完成了累積近200萬噸煤的性能考核。該卸船機項目整機交貨周期短，不足一年，技術(shù)難度大，而且是目前世界最大容量的卸船機，也是該碼頭運行的起點，能否成功，直接影響到第二期設(shè)備的投標。經(jīng)過多方努力，西門子最終按期完成了調(diào)試驗收，同時穩(wěn)定的運行效果也得到了用戶的肯定和好評。