基于PROFIBUS总线的桥式起重机智能控制系统

摘要 常用的桥式起重机大多存在电能浪费严重、自动化水平低等问题,现设计一种全新的基于无线网络、PLC和变频回馈装置的高性能起重机控制系统,应用结果表明,该系统高效节能、可靠性高、网络化程度高,使用维护方便。

关健词 节能;网络化;M/T法;桥式起重机

中图分类号 TP273 文献标识码 A 文章编号1674-6708(2009)08-0068-03

0 引言

目前,我国桥式起重机大部分采用工频供电,由绕线式电机异步拖动,通过改变绕线式异步电机转子串接电阻实现起动和调速,存在以下问题:拖动电机为交流绕线式电机,控制采用主令开关的有触点控制,系统可靠性差;起动电流大,对电网冲击大;调速为有级调速,调速范围窄,调速过程不平滑;重物位能以热能形式散失,造成大量能量浪费;故障率高,维护量大等缺点。

本文针对桥式起重机控制系统中存在的上述问题,把基于可编程序控制器PROFIBUS总线和变频器应用于桥式起重机控制系统上,并且使用于广东某港口。

1系统结构

根据港口对桥式起重机的需要,桥式起重机控制系统采用工业控制机+触摸屏监控起重机变频调速系统,该系统主要由研华工业控制机、西门子S7300PLC控制系统、西门子6SE70变频调速系统、西门子TP270工业触摸屏系统等组成,见图1。

2 驱动系统结构

常用桥式起重机一般由司机室主令、大车传动控制部分、小车传动控制部分、主钩传动控制部分、副钩传动控制部分组成,每个传动部分使用变频器驱动配合回馈单元、鼠笼型电动机(取消传统绕线式电机)。

这种控制方式解决了过去传统起重机采用绕线式电动机在低速运行时转子电阻发热严重的问题。起重机的主、副吊钩在下放重物时电动机由电动状态变为发电状态,重物下放时产生的势能通过电动机变成电能,使变频器内部直流侧电容器两端电压升高,产生过电压故障。解决过电压故障的方法是:根据直流电转换为交流电的逆变原理,制作出电能回馈装置,根据电动机的不同工作状态,分别启动变频器的工作机制,当变频器直流电压低于一定阈值时,电网给变频器供电,当直流电压升高到回馈单元阈值时,回馈单元动作,将直流电逆变成交流电,势能转换成电能回馈电网,供其它用电设备使用。起重机下放重物越重,电动机回馈变频器的能量越多,回馈单元回馈电网的电能也越多,从根本上解决起重机下放重物时能量损耗问题。

整个系统工作机制为:电动机处于电动工作状态时,变频器工作,电动机通过变频器实现调速,电动机把电能变为机械能。电动机处于发电状态时,电动机把机械能变为电能,回馈装置工作,把机械能变成电能回馈电网。

本系统通过使用回馈技术节约了能量,使起重机运行更加稳定,增强了使用寿命。起重机中各变频器配套采用回馈单元后,使整个装置的总节电效率提高30%以上。

3 LC控制系统

PLC系统采用SEIMENS公司双RS485端口的S7300(CPU315),PLC两个端口一个用于后台监控,另一端口与变频器之间采用PROFIBUS-DP总线进行通讯,变频器具有PROFIBUS现场总线接口,PLC通过标准的现场总线与变频器连接,可实行点对点,一点对多点的数字通信。系统精度提高,现场设备的信息增加几十倍,可用于自诊断、系统调试和管理,提高系统的有效性,同一电缆挂接多台现场设备,可节省70%~90%电缆及施工量。PLC输入端口接收起重机吊钩的升、降方向及速度换档和各种极限保护;大车、小车的运行方向和速度换档和各种极限保护;及各个电机故障现象。PLC经过计算,通过PROFIBUS现场总线控制每台变频器的动作,并送变频器的实时数据给西门子TP270工业触摸屏显示。本系统取消了传统继电――接触式控制系统的中间环节,完全由程序实现。从根本上减少了系统的硬件和控制回路的控制线,从而减小了硬件和控制线过多产生的故障,提高了系统的稳定性、可靠性。

4 测速及“溜钩”、“超速”保护

为了有效的防止重物下滑,采用如下手段:1)变频器转矩检测与抱闸集合的方法,当变频器建立转矩时,抱闸才能打开;2)在桥式起重机起升的机械机构的卷筒上各加上一套由混合式光电编码器,此编码器配合PLC高速计数测速相结合,PLC计算出吊物的运动速度及方向与给定是否相同,从而由PLC决定变频器及抱闸是否工作。

4.1电动机转子的转速测量

本系统采用的混合式光电编码器是将增量式光电编码器和绝对式光电编码器相结合,码盘输出信号接入PLC高速计数模块,PLC高速计数模块完成吊钩速度的检测。PLC首先通过绝对式光电编码器进行定相,通过计算,大概确定了电动机转子的起始位置;而后利用来自增量式光电编码器的Z脉冲输入的机械偏差补偿量,从而精确定位电动机转子起始转动的位置;最后运用增量式光电编码器所发出的A、B脉冲,利用相对于起始位置的计数,准确计算出转子转动时的位置。如图2所示,m1、m2是在Z脉冲到来时开始,直至下一个Z脉冲到来时的T2并延长ΔT时间为止进行的脉冲计数,m1为所记录的编码器A或B脉冲数、m2为PLC内部时钟作为时基记录的脉冲数。

在本文中由于采用PLC配合变频器对电动机进行控制,PLC直接读取速度,PLC计算电动机转速时可采用的是M/T法。所谓M/T法,就是在采样周期内记录编码器脉冲A或B的个数,而后利用公式:

在上式中,f0为PLC内部设定的采样频率;PN为光电编码器转动一周所发出的脉冲数的值。

4.2“溜钩”及“超速”保护

在起重机控制系统中,电磁抱闸的控制具有极其重要的意义。在提升重物的过程中,若电动机转矩控制不当,则会出现要求重物上升,但重物却下降的“溜钩”现象。由编码器发出的脉冲A、B可知,A、B两相相差90度,可通过比较A相在前还是B相在前,以判别电机的正转与反转。当吊钩发出上升命令时,当抱闸打开时,如果此时变频器的力矩没有形成时,编码器检测到重物运行方向与命令方向相反时,包闸立刻抱紧,有效的防止了“溜钩”可能造成的损坏。

另在重物下降过程中,当检测到重物下降速度高于预设速度时,PLC立刻关断变频给定,包闸立刻抱紧,有效的防止了“超速”可能造成的损坏。

5 后台及无线网络的构成

起重机系统由一台工业控制计算机实现监控、保护、系统管理、自诊断和数据远传功能。

5.1 CCMS系统

如图1所示,PLC的一个端口用于连接起重机管理系统(CCMS系统),该系统具有状态检测、故障诊断和运行记录功能,方便管理和维护。并且可以观察来自总监控系统的信息。

5.2 无线通讯系统

如图3所示,工控机的另一个端口用于连接无线通讯系统,该系统由发射器、接收器、中继器构成。工控机和发射器之间通过RS485端口连接,之间遵循Modbus协议,中继器根据发射器和接收器之间的距离决定使用与否。

图3 无线通讯网络

总监控后台具有如下功能:

1)系统组态。主要实现对每个起重机系统各部分的配置功能,包括每台起重机所吊重物监视、起重机运行状态等;

2)实时监控和报警。实现对每台起重机设备的实时监控。每个站点起重机实时将起吊数据、每台变频器的运行数据、继电设备的状态等现场数据按设置周期发送到总监控后台。总监控后台首先通过接收到的实时数据监视客户机的状态并将数据存入数据库,同时利用预诊断知识库进行预诊断,然后进行报警判断并利用专家知识库进行分析和故障诊断,最后根据诊断结果实时报警并向每台起重机机发出合理的控制命令;

3)专家知识库。总监控管理网络系统针对每台起重机所吊物料的重量等数据,利用最优规划理论开发出起重机智能化控制策略,各装卸站点的位置安排,布置每台起重机起吊重物行走路线,随着每批作业的确定后可以用路径优化算法求解,在求解的基础上实施作业规划安排。系统规划的目的是为了提高多台起重机的作业效率,让每台起重机最终以最短的时间、最高的工作效率、最低的电能消耗,完成批量作业的任务。

6结论

本文设计的基于PROFIBUS总线的桥式起重机已在广东某港口投入使用,在现场运行效果表明,该起重机网络化程度高、保护齐全、运行可靠,具有很高的经济、技术价值和广泛的市场推广价值。

参考文献

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首届深港技术创新大赛颁奖典礼于高交会现场举行

日前,在第十一届中国国际高新技术成果交易会的会场上,举行了一个特别的颁奖典礼,吸引了场内诸多企业的驻足与关注。

“2009首届深港技术创新大赛”颁奖典礼,在深圳会展中心郁金香厅举行。深圳市科工贸信委副主任陆健、深圳市科协专职副主席张克科及香港工程师学会CAI界别主席乐法成等为获奖单位颁奖。

大赛自8月25日在深港两地同时启动以来,就受到社会各界的关注。大赛采取灵活的“问题悬赏、设计招标和技术移转”研发协作模式,“为技术找厂家,为厂家找技术”,反响热烈。共有3 700多人注册报名,参赛项目达400多件,累计金额达148万元。通过大赛涌现出一大批技术创新能力卓越的设计公司和优秀的技术解决方案。大赛评选出五大类共28个奖项。

大赛期间还组织了多次技术创新活动,“无线领域创新与发展高峰论坛”,中国(深圳)Design House联盟筹备成立研讨会等活动,吸引了中兴、华为、比亚迪、TCL、康佳、研祥和三木通信等一大批国内行业领军企业及广大的设计公司的关注和参与。在本次颁奖典礼上,研祥、三木通信等30多家Design House联盟发起单位签署了加入中国(深圳)Design House联盟的协议。

“举办深港技术创新大赛,是一次创新的大胆尝试,将有效带动深圳技术创新的发展。”陆健表示,活动将工程师、协会和企业三方聚集到中国产品研发易站这个平台上,将工程师和自身研发人员的指挥直接贡献于创新、创业的主体,极大提高了工程师创新创业的动力,提高了科技成果向产业化转化的进程。

张克科表示,今后深圳市科协将继续支持大赛的开展,将活动进一步扩展到汽车电子、医疗器械等领域,并积极与国内国际对接。

深圳科协启动学术活动月70场学术活动鹏城论剑

11月19日上午,广东省深圳市科协2009年学术活动月启动仪式在深圳会展中心举行。中国工程院院士钱清泉、刘韵洁,深圳市科协专职副主席张克科,深圳市仪器仪表学会会长饶陆华等嘉宾出席活动,并共同点亮启动水晶灯。

今年学术活动月的主题是“自主创新•科学发展”,共有70场学术活动,预计直接参与人群将突破3万人次。活动面向社会、面向公众、面向学会会员,以形式多样、贴近生活的高水平且具影响力的学术报告会、学术讲座、学术成果展示以及有关的创新科普宣传活动,促进“深圳市科协学术活动月”在深圳市乃至大珠三角地区学术交流。由于今年学术活动月与高交会同期举行,学术活动月将有更多的国内、国际专家学者参与到活动之中,参与人群范围更广泛、传播途径和影响力更深远。

据了解,今年学术活动月组织机构从科协系统扩展到校友会、科研机构、高校、企业以及香港、韩国等国际组织;地域从深圳延伸到东莞、广州等珠三角区域;参与人群从院士、教授、医生、中小学教师、学生等多层的科技工作者和市民群众;学科从数学、生物、电子、医学向管理、经济等社会学科延伸。

张克科表示,深圳市科协学术活动月经过四年的培育,采取连续资助的方式,扶持和培育一批符合深圳发展特点,能够自我独立发展善于经营运作,认真开展学术交流活动的特色品牌学术活动和学会。今后将向高端化、国际化方向发展。带领深圳专家学者走出去与国际组织交流,邀请国际知名专家来深圳,搭建国家专家与深圳科技工作交流的平台,使其形成良性互动,从而营造符合创新城市特点的学术活动氛围。

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