南歐江2×500KN雙向門式起重機電氣控制系統的設計
文:胡勝方 厲紅婭 水利部杭州機械設計研究所 2019年第四期
導語:本文以南歐江一級水電站2×500KN雙向門式起重機為研究對象,介紹了雙向門機的電氣系統特點,描述了控制系統各個組成部分的設計,闡述了系統PLC控制器與變頻器的選擇,并針對起升機構變頻主回路圖給出了起升機構的調試參數,最后列出了系統軟件邏輯設計流程。
摘要:本文以南歐江一級水電站2×500KN雙向門式起重機為研究對象,介紹了雙向門機的電氣系統特點,描述了控制系統各個組成部分的設計,闡述了系統PLC控制器與變頻器的選擇,并針對起升機構變頻主回路圖給出了起升機構的調試參數,最后列出了系統軟件邏輯設計流程。
關鍵詞:門式起重機;控制系統;軟件設計;起升機構;調試參數;
1引言
我單位為南歐江流域水電站二期工程自主研發設計的2×500kN雙向門式啟閉機安裝在南歐江一級水電站進水口,2×500kN起升機構雙吊點運行,通過液壓抓梁啟閉發電系統進水口閘門,雙向門機同時兼用于水機、電氣專業設備的安裝吊運。本門機的電控系統采用“觸摸屏+PLC+變頻器+起重機械安全監控管理系統”控制方案,整機具有以下優點:
①起升機構采用雙吊點機構形式,由兩套驅動裝置及兩套折線卷筒裝置組成,實現起升機構多層纏繞;
②各傳動機構均采用ABBACS880系列變頻調速控制,使各機構啟制動平穩,并能準確就位;起升機構采用ABB系列變頻器的D2D功能來保證兩起升機構的速度同步性和轉矩大小的一致性;
③整機采用先進的觸摸屏監控技術,使整機具有良好的人機對話和高品質的信息處理功能;
④整機采用西門子PLC作為控制中樞,系統通過PLC來采集各種信號,運用PLC內部的虛擬觸點來實現整機的時序邏輯控制,減少電氣系統的硬件故障,提高了系統控制的可靠性;
⑤整機具有完備的安全保護功能。本機除具有電控系統必需的短路保護、過電流保護、失壓保護、缺相保護、接地保護、零位保護、限位保護、超載保護、主隔離開關以及斷開總電源的緊急開關等常規保護外,還具有荷重保護、起升高度限制和超速保護等;
⑥整機安裝有起重機械安全監控管理系統,能夠實時顯示、管理、記錄門機各種數據,大大提升設備的操作安全性;
⑦門機設有視頻監視系統,設備操作者在司機室內可以清楚的觀看雙向門機水上各運行區域內以及水下抓梁部位穿退銷的實時狀況。
2電氣系統的設計
本門機的電氣系統主要包括供電系統、起升機構控制系統、小車行走機構控制系統、大車行走機構控制系統、液壓抓梁控制系統、起重機械安全管理系統、安全保護系統、照明和接地防雷保護系統。
2.1供電系統
本機供電采用磁滯式電纜卷筒供電,電源為三相四線AC380V,50HZ,控制電源為AC220V,由專用變壓器提供。總電源設有隔離刀開關,能切斷本機的所有電源,為安全檢修提供了一個明顯的斷開點,并設有總斷路器,只作短路保護,一般情況下不動作,用總接觸器來合上或斷開總電源。總斷路器中附有分勵脫扣線圈,由電源柜或司機室聯動臺上的急停按鈕來控制。
2.2起升機構控制系統
起升機構載荷為典型的位能性負載,由兩臺YZPF225M-8C-TH30KW變頻電機驅動,采用兩臺ABBACS880系列變頻器分別傳動,閉環控制。兩臺變頻器之間采用ABBACS880系列變頻器的D2D功能,保證兩臺電機轉矩和速度一致。起升機構具有各種故障自診斷及顯示報警功能,包括瞬時過電流保護、瞬時斷電失壓保護、接地保護、冷卻風機異常、超頻(超速)保護、缺相、超載保護等等。
⑴速度指標:0.2~2m/min
⑵調速方式:
由聯動臺主令開關的擋位元來決定速度。正反各四擋,分別為10%、30%、70%、100%額定速度,為恒轉矩調速。系統采用主令擋位開關量輸入至PLC,經軟件處理后,再由PLC輸出開關量信號給變頻器。速度擋可在變頻器內任意設定,以滿足不同速度要求。
⑶運行與保護
①每套起升機構分別由一套工作制動器和一套安全制動器構成。
②變頻器故障時,裝置內部各輸出故障的一對常開觸點,以實現故障停車,并報警。
③起升機構設有荷重、高度綜合儀綜合保護裝置。當吊點荷載達到額定起重量的90%時,自動發出提示性報警信號;當達到額定起重量的105%時,延時報警斷電;當達到額定起重量的110%時,立即報警斷電(下降仍可工作);當吊具上的荷載為零時,給出欠載預警信號;當起升機構達到極限位置時自動切斷相應方向的電源并報警。起升機構設有機械式限位開關,當吊鉤到達上、下極限位置時,能自動切斷相應方向的電源,機構停止運行,與綜合儀構成機電雙重保護。
2.3小車行走機構控制系統
小車機構載荷為典型的位移性負載,由兩臺2.2kW變頻電機驅動,采用ABBACS880系列變頻器傳動,開環控制。
⑴速度指標:0.5~5m/min
⑵調速方式:由司機室聯動臺主令開關的擋位元來決定速度。前、后各四擋,分別為10%、30%、70%、100%額定速度。系統采用主令擋位開關量輸入至PLC,經軟件處理后,再由PLC輸出開關量信號給變頻器。速度擋可在變頻器內任意設定,以滿足不同速度要求。
⑶運行與保護
①該機構設有兩個液壓電動夾軌器,小車機構只有在夾軌器打開的情況下和外部風速沒超過20m/s的情況下才能運行。
②各電機均設有熱超載保護。變頻器故障時,裝置內部各輸出故障的一對常開觸點,以實現故障停車,并報警。
2.4大車行走機構控制系統
大車機構載荷為典型的位移性負載,由四臺4kW變頻電機驅動,采用ABBACS880系列變頻器傳動,開環控制。
⑴速度指標:2~20m/min
⑵調速方式:由司機室聯動臺主令開關的擋位元來決定速度。左、右各四擋,分別為10%、30%、70%、100%額定速度。系統采用主令擋位開關量輸入至PLC,經軟件處理后,再由PLC輸出開關量信號給變頻器。速度擋可在變頻器內任意設定,以滿足不同速度要求。
⑶運行與保護
①該機構設有兩個液壓電動夾軌器、一個風速儀及2套錨定裝置,大車機構只有在夾軌器打開、外部風速小于20m/s以及錨定裝置打開的情況下才能運行。
②各電機均設有熱超載保護。變頻器故障時,裝置內部各輸出故障的一對常開觸點,以實現故障停車,并報警。
2.5液壓抓梁控制系統
液壓自動掛脫梁液壓系統供電及信號檢測采用磁力耦合式電纜卷筒。電纜收放速度與門機起升速度同步。液壓自動掛脫梁穿銷、退銷由安裝在液壓泵站中的油泵電機和電磁換向閥實現。檢測信號由6個接近開關實現,分布在梁上各個部位。其中二個為對位到位信號,二個為穿銷到位信號,二個為退銷到位信號。
穿銷回路和退銷回路中串有停止按鈕,如遇穿銷、退銷到位后,油泵電機和電磁閥沒有斷電,可以用停止按鈕來停止穿、退銷動作。
在液壓抓梁穿銷裝置附近設有4套水下攝像頭,信號經由電纜卷筒傳至司機室液晶顯示屏,司機室內操作員可以在線實時觀察液壓抓梁穿退銷狀態。
2.6起重機械安全管理系統
起重機設有起升機械安全管理監控系統,該系統分為視頻監控與數據監控,安裝在司機室內。整機所需的監控數據經由PLC采集后通過以太網發送至司機室數據監控中心并上傳至遠程的服務器,大大增加了整機的操作安全性。在門機的行走區域以及水下抓梁上共設有十二套攝像頭,各攝像頭采集的信號通過以太網的通訊方式傳輸至司機室,各區域實時畫面最終在司機室液晶顯示器上進行在線實時顯示,方便操作人員看到起重機各個工作區域。整機網絡拓撲示意圖如圖1所示。
圖1網絡拓撲示意圖
2.7照明和接地防雷保護系統
本機設有單獨的照明系統,照明系統由專門的照明變壓器供電。在接地系統方面,本機設有專門的接地線,供電端地線接地電阻不大于4 Ω。司機室鋼結構與整機本體可靠連接,保護本機上鋼結構的任何一點接地電阻均不大于4 Ω。本機還設有避雷器,可有效保護人身及門機電子設備免受雷擊損害。
3系統硬件選擇
3.1PLC控制器的選擇
德國西門子公司推出的S7-200SMART系列PLC具有如下亮點:
機型豐富:提供不同類型、I/O點數豐富的CPU模塊,單體I/O點數最高可達60點,可滿足大部分小型自動化設備的控制需求。
可擴展選件:新穎的信號板設計可擴展通信端口、數字量通道、模擬量通道。在不額外占用電控柜空間的前提下,信號板擴展能更加貼合用戶的實際配置,提升產品的利用率,同時降低用戶的擴展成本。
性能卓越的高速芯片:配備西門子專用高速處理器芯片,基本指令執行時間可達0.15μs,在同級別小型PLC中遙遙領先。
以太互聯,經濟便捷:CPU模塊本體標配以太網接口,集成了強大的以太網通信功能。一根普通的網線即可將程序下載到PLC中,方便快捷,省去了專用編程電纜。通過以太網接口還可與其它CPU模塊、觸摸屏、計算機進行通信,輕松組網。
通用SD卡,方便下載:本機集成MicroSD卡插槽,使用市面上通用的MicroSD卡即可實現程序的更新和PLC固件升級,極大地方便了客戶工程師對最終用戶的服務支持,也省去了因PLC固件升級返廠服務的不便。
軟件友好,編程高效:在繼承西門子編程軟件強大功能的基礎上,融入了更多的人性化設計,如新穎的帶狀式菜單、
全移動式編程界面窗口、方便的程序注釋功能、強大的密碼保護。圖2PLC硬件組成
基于S7-200SMARTPLC的以上優點,本雙向門機采用S7-200SMARTPLC作為控制核心,完全滿足門機使用要求,PLC硬件組成如上圖2所示。
3.2變頻器的選擇
ABB變頻器由于其在起重機行業的專業優勢和多年在起重行業應用的成功案例,目前已成為電機電氣傳動的首選。ABB公司推出的ACS8800系列變頻器采用了ABB獨一無二的電機直接轉矩控制技術,能夠為任何交流電機提供提供精確的速度與轉矩控制。門機起升機構變頻調速硬件原理圖如下圖3所示。
圖3起升機構變頻硬件原理圖
3.3起升變頻器主要參數
變頻器優化辨識又稱為變頻器的自學習,變頻器通過辨識,自動測試電機的各項參數,充分了解電機的特性,這樣就會更好的控制電機的運行。為保證最大可能的控制精度,以達到最佳效果,辨識前應將電機與負載解耦使電機完全處于空載狀態。變頻器優化識別通過之后在進行D2D功能調試前,需要將兩起升機構的同步剛性軸連接起來。起升機構變頻器的參數見下表1。
表1起升機構變頻器主要參數
4軟件設計
由于本門機采用S7-200SMART作為控制系統的核心,因而該系統的編程采用STEP7-MicroWINSMARTV2.2編程軟件。其具體的程序邏輯控制流程如下圖4所示。
圖4程序控制流程圖
5結束語
該系統經調試與測試,各項性能優良,系統工作穩定、視頻傳輸信號實時穩定,門機整體運行平穩,整機啟動、制動沖擊小,受到業主的一致好評。老撾南歐江一級水電站2×500KN雙向門機現場使用如圖5所示。
圖52×500kN雙向門機總圖
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