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   沈策（1978-）

    男，浙江金华人，大学本科，工程师，现就职于杭州华新机电工程有限公司项目执行部，主要研究方向为电气自动化。



   摘  要：文章详细介绍了SIEMENS直流调速系统、交流调速系统和S7-300 PLC在小型卸船机上的应用，并简要介绍了ZQX300能够实现卸船机高级控制功能的方法。

   关键词：卸船机；调速系统；6RA70；S7-300；PROFIBUS

   Abstract: This paper introduces the application of Siemens Drive System and S7-300 PLC in ZQX300 Ship Unloader in detail, and explains briefly the method how the advanced control is realized by ZQX300.

   Key words: Ship Unloader; Drive System; 6RA70; S7-300; PROFIBUS

   1 引言

    ZQX300卸船机被广泛应用于内河散货码头，特别针对3000吨级以下散货驳船设计，适用于接卸煤炭、矿粉、水泥等各种物料。

    ZQX300卸船机具有结构简单、维护方便、性价比高等特点，其特有的软开闭斗、自动沉挖、力矩平衡、半自动运行功能不仅保障了生产的安全性，同时也大大减轻了操作人员的工作强度，其运行的可靠性也大大降低了用户的维护成本。

    2 系统硬件设计

    ZQX300卸船机由起升、开闭、小车、大车、料水等机构组成，其中起升、开闭、小车机构各由一台电机驱动，电机安装在机房内，大车机构由2台电机驱动，给料机由2台电机驱动，均为露天安装。其常规控制装置为联动台，安装在司机室内，可以对机内所有机构进行操作。在机房、大车就地位置，料水系统边上设有就地操作面板，可对相应的机构进行检修或应急操作。整机控制系统安装在电气房。

    2.1 调速系统

    相比交流系统，直流电机有弱磁转速下的过载能力强；动态精度较高；所用的直流调速器尺寸紧凑且经济成本低；控制简单直观等优点，同时，直流调速也有电机效率低；防护等级差；日常维护成本高的缺点。

    交流系统有防护等级高，维护成本低；较强的抗电压波动能力等优点，但同时也有电磁噪音大；热损耗高；绝缘成本高等缺点。

    经过以上优缺点的比较，根据应用现场的实际情况及预算，最终在ZQX300卸船机的主机构如起升、开闭、小车上采用直流调速方案，辅助机构如大车、给料机构上采用交流变频调速方案。主机构的电机都安装在防雨机房内，对防护等级的要求低，辅助机构的电机都为露天安装，需要较高的防护等级，这样的方案配置不仅满足了各机构的防护要求，也满足各机构对动态性能的要求，并且具有最佳的经济性。

    2.1.1 直流调速系统

    直流调速系统选择SIEMENS 6RA70系列直流调速器，6RA70系列直流调速器具有极快的控制特性，其电流和转矩上升时间最快可以小于10ms，非常适合卸船机主机构的高动态响应要求。并且自身具备高速运算功能和可扩展信号输入输出口，可分担PLC的部分运算负载，有效提高整机系统速度。

    起升、开闭、小车机构各选用一台四象限运行的6RA70，配装LBA+ADB+CPB2选件，用于现场总线的连接。充分应用调速器自带的信号输入输出口，将机构主回路接触器、抱闸回路接触器的命令输出和反馈输入信号直接接入调速器的CUD1主板。

    各电机配备的1024脉冲编码器直接接入CUD1板的编码器专用接口，其脉冲信号作为电机速度反馈信号，直接参与调速器内的速度闭环控制。并直接利用直流调速器中的运算功能块，生成电机运动的累计转动数量值，通过总线将累计值传输到PLC，经过规格化处理，生成抓斗位置及开闭度的三维数值，作为实现卸船机软开斗、软闭斗、半自动控制等多项功能的基础数据。

    2.1.2 交流调速系统

    大车和给料机构选用6SE70系列全数字变频调速器，6SE70系列为工程型变频器，具有矢量控制功能，系统响应迅速。变频器装配CBP2板，以实现现场总线的接入，充分应用调速器自带的信号输入输出口，将机构主回路接触器、抱闸回路接触器的命令输出和反馈输入信号直接接入调速器的CUVC主板。

    每台变频器成组拖动2台交流变频电机，其中大车机构为了实现快速减速制动，配备了制动单元和制动电阻，给料机为自由停车方式，无额外的制动机构。

    大车和给料机构为多电机传动系统，均采用V/F方式控制，不需额外的速度回馈装置，以内部电压检测值作为调速参数。该方式完全满足辅助机构的低动态响应要求，参数设置过程简便。

    2.2 PLC部分

    针对小型卸船机的运算要求及信息容量，选用315-2DP的CPU作为整机的控制核心，该CPU有一个MPI接口，用于连接上位机和TP170A触摸屏，一个DP总线接口，用于接入现场总线。CPU负责在预定的信息周期内，循环与从站交换信息包括发送控制信息和读取从站的状态，并且通过程序实现对从站的诊断对各种I/O信息的处理。其软件采用模块化结构，主要包括初始化软件，DB块数据存储及类型转换软件，故障软件，和报警软件。

    根据卸船机的信号分布，整个PLC系统设置一个主PLC主站，安装在电气房的主PLC柜中，一个远程I/O子站安装在大车控制柜，负责大车和料水机构的信号采集和控制输出，一个远程I/O子站安装在司机室控制柜，负责司机室的信号采集和控制输出。子站通过ET200M接口模块接入现场总线。

    3 系统软件设计

    3.1 编码器部分

    软开闭斗、半自动操作功能的实现是以对抓斗位置及闭合程度的准确定位为前提的，在以往的大型卸船机控制系统中，实现此项功能需要在各机构的电机侧或卷筒侧各增加一套绝对值编码器检测设备，还需要在PLC系统中增加相应数量的定位模块。而在ZQX300卸船机上，脉冲编码器直接接入6RA70调速器已有的编码器接口，同时承担了速度反馈和抓斗定位功能，从而节省了在绝对值编码器和定位模块上的投资。因为6RA70调速器本身具有编码器计算功能，我们只需要从调速器中将以双字格式存储的位置值读入PLC进行处理即可，总线的应用保证了该类数据传输的速度和精确度。由前面的数据交换表可以看出，起升机构的位置值在PLC中通过DB31.DBD48和DB31.DBD52调用，开闭机构、小车机构的做法也是一样，通过对起升机构和开闭机构的位置值的差值进行规格化，可方便地得到抓斗的实时闭合角度值。

    和使用绝对值编码器一样，由于编码器本身存在的误差或者由于钢丝绳的弹性变形，在运行一段时间后，得到的位置检测值也会产生偏差，需要对其进行校正，在ZQX300卸船机上，设置了固定位置的限位开关作为编码器校正点，通过调速器的P452参数实现对位置值的每循环自动校正，很好地解决了这个问题。

    与编码器相关的参数设置和说明如表1所示。

            表1

         

    3.2 通讯部分

    在ZQX300卸船机上，采用PROFIBUS-DP作为系统总线，将各PLC站点和调速器接入总线，实现快速的数据交换，PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代常用的24VDC或4~20mA信号传输。利用调速器自带的PZD报文功能块，最多达到现16个字的数量交换量，每个字可拆分为16个控制位，或者合并为32位的双字格式。

    在该卸船机的配置中，315-2DP CPU作为一类主站，各远程PLC子站和调速器作为从站，构建完成整个卸船机的控制系统，总线以1.5Mkps的设置速率运行（最高可到12Mkps），在满足数据传输速度要求的前提下，尽可能地保证了传输的可靠性和稳定性。系统的软件配置由STEP7编程软件完成，各子站的模块通过编程软件自由设置I/O地址，这个功能方便了几个机构相关信号的编号区分，设置完成后即可在程序中自由调用。各调速器的的参数读取采用自带的PZD报文功能，通过简单的参数设置完成，表2是起升调速器和PLC的数据交换设置表，如下所示。

                 表2   调速器—PLC数据交换表(起升机构)

            

    在PLC中建立相应的DB数据块，将发至调速器或从调速器的数据通过STEP7自带的SFC14，SFC15功能块一次性写入读出到建立好的DB块中，大大减轻了编程工作量，也加快了数据传输的速度。

    3.3 控制功能

    ZQX300卸船机除了实现常规同级别小卸船机所具有的抓料、搬运、放料等常规功能外，充分运用PLC系统和调速系统的现有功能，以很小的成本实现了以前只有在大型卸船机上才有的软开闭斗、自动沉挖、力矩平衡、半自动操作等功能。

    基于脉冲编码器产生的抓斗实时位置值和开度值在自动沉挖、力矩平衡功能的投入区域判断中发挥了作用，使其准确地判断了可执行的区域。

    自动沉挖、力矩平衡功能都是通过S7-300 PLC强大的计算功能来实现，其基础数据是6RA70调速器通过总线传入PLC的各电机的力矩值。6RA70调速器也可独立完成该功能，通过在起升和开闭调速器间建立的模拟量通道或SIMOLINK通道，但是前者有误差大，后者有投资高的缺点。在ZQX300卸船机上，PLC对各机构的力矩数据进行比较、运算、规格化后，结合抓斗位置值，得出针对各机构的力矩修正值，再通过总线传送至各调速器，通过6RA70调速器附加给定通道参数设定，对各机构的力矩和速度进行调整，以实现相对应的功能。

    3.3.1 软开闭斗

    一般的抓斗控制系统，控制开闭斗的时机完全靠司机的估计和熟练程度，开闭电动机易造成过载，抓斗开闭易过头，增大了设备故障率和机械损伤。软开闭斗功能使抓斗在接近完全开斗或闭斗的位置自动减速，在完全开斗或闭斗的位置自动停止。有效降低了抓斗的机械损耗，并减低了噪音污染。

    由于抓斗没有检测器件，抓斗的斗形无法直接检测。从抓斗的工艺我们了解到，抓斗的开闭是通过起升/开闭之间的相对运动来实现，所以通过PLC程序检测起升/开闭之间的位置差值可以计算出抓斗的开合程度。因此，抓斗的开闭就可以通过控制起升/开闭的相对位置来控制。完成抓斗初始设定后，抓斗开、闭斗时，起升机构和开闭机构将根据抓斗的即时开度、开闭斗的预置减速位置、开闭斗的预置停止位置，自动减速、自动停止。为了防止在开闭斗时抓斗的机构冲击，抓斗控制软件编制了位置给定软件功能块实现对位置给定的软化作用。

    3.3.2 自动沉抓

    自动沉挖功能使抓斗在料面上方开始抓料时，自动产生一个下挖动作，实现额定负荷作业，大大提高了作业效率。
电气控制系统通过对抓斗的抓取特性建立专用的数学模型，协调控制起升机构和开闭机构的转速和力矩，实现抓斗的最大抓取量控制，有效的提高抓斗的抓取量。起升机构和开闭机构转速、力矩的有效配合，也有效的降低了在沉挖过程中的机械震动。

    3.3.3 力矩平衡及半自动操作

    力矩平衡功能实现了使抓斗在重载上升时，始终保持闭斗状态，在空载下降时，始终保持开斗状态，并在这2个过程中，使起升、开闭电机以同样的转矩工作，提高了电机使用效率和寿命。

    半自动操作功能允许司机在每个抓料循环中只进行一次人工干预，既物料抓取。抓取动作完成后的上升、进斗、放料、返回船舱的动作由系统自动完成，显著降低了操作人员的工作强度和设备使用过程中的人为损坏，提高了安全性。

    4 应用体会

    该卸船机额定生产能力300T/H，最大生产能力为360T/H，整机工作级别为A8，卸船机通过抓斗从船舶上抓取物料，快速搬运至码头指定输料皮带或料斗。大大改进了内河港口接卸散料的效率，目前该机型已经在宜兴热电、东莞三联热电、上海柘中管桩集团等多个单位的内河码头装备，承担着用户主要的进料作业。

    配备了该控制系统的ZQX300卸船机自投放市场以来，运行可靠,故障率低，并以其出众的性价比，获得了市场的青睐和用户的好评。其以简约、可靠、稳定为核心的控制系统设计思路正与小型码头的生产要求相符合。该系统的成功也验证了SIEMENS调速系统和S7-300PLC的强大功能和稳定易用性。通过调整子站的数量和I/O模块的配置，并调整调速器的功率选择，该系统同样适用更大生产能力的散货卸船机或其他具有相似工作机构的工程机械。

    参考文献：

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                                                              ——转自《自动化博览》