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基于PLC控制的三峡MQ2000型高架门机电控系统
xiao_xiao1 发表于 2008/12/2 12:25:48 640 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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介绍了三峡MQ2000型高架门机的电气控制系统、PLC硬件配置以及符合国情的PLC应用软件，在提高设备的可靠性及使用维护方便等方面有一定的创新。
关键词：高架门机； 电控系统； PLC； 应用软件
1 引言
三峡MQ2000型高架门机（以下简称高架门机）作为原电力部机械制造局的重点项目，从上世纪90年代初开始调研、设计，当时的设计指导思想是立足国产，创国内名牌，为三峡工地提供先进、可靠、使用维护方便的优质产品。高架门机自1995年底在吉林水工机械厂完成整机出厂调试，1996年开始用于三峡工地，至今已有7年多，为三峡工程的建设作出了应有的贡献。高架门机的主要技术指标见表1。
2 电机与调速方案
高架门机有起升机构、变幅机构、回转机构和大车机构，其中起升机构、变幅机构和回转机构采用直流电动机加可控硅整流的调速方案，大车机构则采用交流电动机加液力耦合器的方案。
根据当时国情，直流电机采用上海南洋电机厂引进国外先进技术生产的Z4系列直流电动机。高架门机的起升机构在安装功况最小幅度时最大起重量为63t，额定速度为28m/min，而在浇筑功况时，满罐（20t）时要求速度为63m/min，空罐（5.6t）时则为100m/min，调速范围很宽。因而在安装功况，采用改变电枢电压的恒转矩调速方案，而在浇筑功况，当电机超过额定速度后采用减少励磁电流的弱磁升速恒功率调速方案。
可控硅整流装置则采用当时国内最先进的由天津三开厂与德国西门子合资生产的6RA22系列全数字直流调速装置。整个控制系统的控制与调节都由16位的微处理器来实现。一个带有数字显示器的参数设定单元，不再需要其它的附加设备，便可完成参数的设定与调试。电枢由两个反并联无环流三相全控桥供电，为电枢可逆系统，并有较宽的弱磁调速范围。由于采用微机控制，使系统的调试过程大为简化，既可根据经验进行手动优化，也可通过一个调用参数对电流调节器、速度调节器及励磁特性曲线进行自动优化，从而实现最佳控制。装置还具有完善的故障诊断、报警、显示和保护功能。
3 PLC硬件配置与应用软件
3.1 PLC
采用日本光洋电子（无锡）有限公司生产的SU-6型PLC，硬件配置见图1。
司机室与电气房各装一套PLC，利用一对一方式通讯，节省了大量的控制电缆，便于安装、维护，提高了可靠性。
3.2 GV50-E型触摸显示屏
由于三峡地区雾多，能见度差，视觉存在死角（看不到吊钩），在司机室联动台配置了一台触摸显示屏，能实时动态以图形和数字同时显示整机状况，如时间、吊钩高度、回转角度、变幅幅度等，出现故障时能同时显示故障代码，如图2所示。根据需要，还可切换显示。
高架门机的回转机构可360°回转，变幅机构只能在最小幅与最大幅之间运行，从俯视图上看，吊钩可处于最小幅一个圆与最大幅一个圆之间360°任一位置，吊钩的高度则用棒形图来表示。
由于GV50-E触摸显示屏图库较简单，变幅与回转的吊钩俯视位置需逐点手动生成。先将回转光电编码器360°回转变化值分成64个区域，再将变幅光电编码器从最小幅至最大幅的变化值分成16份，然后逐点输入至显示屏。当变幅与回转机构动作时，通过对相应光电编码器的数据计算，图2上的吊钩俯视位置即相应变化。吊钩高度用棒形图显示则较简单，只要将起升最低位置和最高位置的光电编码器数据置入棒形图的最低点和最高点即可。当起升机构动作时，吊钩高度即相应变化。
3.3 带绝对值编码器的主令开关
当时国内产的主令开关一般都是节点式的，个别也有带电位计的，但在繁重工况下，一般在一年左右就会损坏。因而我们专门配置了带绝对值编码器的主令开关。绝对值编码器在一圈内数据从0~255变化，主令开关在零位与正、反最大值之间使编码器各转160度左右，也就是使主令开关在零位及正、反最大位置之间约有100个点，相当于无级调速。由于编码器选用坚牢型、无接触磨损、可靠性高，从而提高了主令开关的寿命。另配有专门开发的软件，使绝对值光电编码器在安装时无需对准数据位置，下面以升降主令编码器为例加以说明，参见图3。
绝对值编码器安装固定后，其升降对应的旋转方向是固定的，本例中对应降方向，绝对值编码器的数据为增加方向，中间有可能增至255后突变至0，再从零开始增加。主令开关在零位时对应的数据可能是0~255中的任一个。在设置方式下，只要将主令从零位往升方向至最大值，再往降方向至最大值，PLC就能自动得出数据寄存器R2101~R2104的数据。从而计算出升区间长度R2105和降区间长度R2106。进而计算出主令手柄位置在升或降区间的相对长度值，就可换算成相应的速度给定值。计算流程图参见图4（R2100存放当前主令位置对应的编码器数据）
3.4 PLC增量给定
采用西门子6RA22系列全数字式可控硅直流调速装置，利用PLC的D/A模块输出作为调速装置的速度给定，机构的恒定加速度通过PLC增量形式给出。通过“安装/浇筑”工况方式转换开关，可方便地调整机构的加速度，如安装时起升速度最高为28m/min，加速时间为5s，浇筑时再结合重量传感器及电机电流等参数，使满载起升速度为63m/min，空载自动为100m/min，为提高生产率，加速时间则缩短为3s，兼顾了安装时所需的平稳及浇筑生产时的高效，参见图5。增量计算流程图见图6。
用增量给定除了可改变电机的加减速度，还可通过判断目标值是否等于当前给定值来确认电机是处于加速还是匀速状态，从而可利用电机电流等参数来计算吊钩下负荷大小，再对力矩保护曲线线性插值，计算出允许力矩值，作后备力矩超载保护。
3.5 抱闸控制软件
配有专门开发的位势负载抱闸控制软件，当电机电流大于设定值时才允许抱闸打开，防止溜钩；停机时，先电制动，当速度降到设定值以下，再投入抱闸(紧急故障状况时，则立即投入抱闸)，做到制动平稳可靠，制动器磨损少。
3.6 多重保护装置
配有多重保护装置，如限位有光电编码器，凸轮开关，极限机械开关等，重量检测有负荷传感器和电机电流等参数综合检测，正常时，所有保护同时起作用。当部分有故障时，在安全有保障的前提下，可方便地通过转换开关将部分保护切除，不影响正常生产，待允许停机时，再消除相应故障，确保安全生产，适应国情。
3.7 机房操作开关
电机低速运行值可方便地设置，在机房机构旁有相应的操作开关，以便于卷筒穿绳和调整等维护工作。
3.8 故障诊断
配置故障诊断程序，当电气故障出现时，能在显示屏上显示故障代码。
3.9 PLC程序编制
在PLC的程序编制中，巧妙地将用于顺序控制的级式编程移值到方式、功能块转换上，从而缩短了程序扫描时间，提高了实时响应速度，并使程序简洁、明了、易于调试。
4 结语
高架门机自三峡工地投入使用以来，由于其先进、可靠、使用维护方便，受到了使用单位的好评。在基本无参考资料的情况下，使国产高架门机电气控制性能上了一个台阶，可与进口设备相比美，达到了预期的设计目标。