時(shí)間:2015-02-02 16:10:20來(lái)源:趙仕兵 胡勝方 龔平 覃建青
摘要:本文主要介紹了船廠D3560K7門座式起重機(jī)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì),詳細(xì)介紹了本電氣系統(tǒng)的傳動(dòng)部分和控制部分的設(shè)計(jì)流程,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試后,該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,起制動(dòng)平穩(wěn),受到業(yè)內(nèi)好評(píng)。
1前言
由我單位自主研發(fā)設(shè)計(jì)的D3560K7門座式起重機(jī)安裝在新加坡船廠內(nèi),該起重機(jī)主要用在港口和碼頭裝卸貨物,也可用于船廠吊裝金屬結(jié)構(gòu)件,或者用于這些場(chǎng)所的設(shè)備安裝工程及組裝場(chǎng)地的吊運(yùn)工作。本機(jī)電氣系統(tǒng)采用目前國(guó)際上先進(jìn)的“HMI+PLC+變頻器”控制方案,整機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn):
⑴揚(yáng)程高,變幅范圍大。如圖1所示,本機(jī)的工作幅度為22~60m,最大幅度時(shí)起升高度達(dá)72m(軌上37m,軌下35m)。最小幅度時(shí)起升高度達(dá)75m(其中軌上70m,軌下5m)。
⑵起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和大車機(jī)構(gòu)均采用變頻調(diào)速系統(tǒng),調(diào)速性能好,運(yùn)行平穩(wěn)。該變頻器具有多種故障自診
圖1起重特性圖
斷及顯示報(bào)警功能,包括瞬時(shí)過(guò)電流保護(hù)、瞬時(shí)斷電失壓保護(hù)、接地保護(hù)、冷卻風(fēng)機(jī)異常、超頻(超速)保護(hù)、接觸器粘結(jié)、缺相等。
⑶采用司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)操作,并設(shè)有力矩限制器,該限制器能實(shí)時(shí)顯示起重量噸位及幅度位置,便于司機(jī)操作。
⑷可視化程度高,該電氣系統(tǒng)采用了目前先進(jìn)的觸摸屏監(jiān)控技術(shù)和起重機(jī)動(dòng)畫模擬顯示技術(shù),使整機(jī)具有良好的人機(jī)對(duì)話界面和高品質(zhì)的信息處理功能。
⑸采用PLC作為電氣系統(tǒng)的控制核心,通過(guò)PLC輸入模塊來(lái)采集各種信號(hào),運(yùn)用PLC內(nèi)部的虛擬觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)整機(jī)的時(shí)序邏輯控制。
⑹完善的安全保護(hù)。本機(jī)除了具有常規(guī)電控系統(tǒng)所必需的短路、過(guò)流、欠流、欠壓等保護(hù)外,還具有力矩保護(hù)、荷重保護(hù),高度保護(hù)和超速保護(hù),增減幅限位保護(hù),防吊鉤沖頂保護(hù),以及由風(fēng)速儀和防風(fēng)鐵楔組成的防風(fēng)保護(hù)裝置。
2電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
本機(jī)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括供電系統(tǒng)、起升系統(tǒng)、變幅系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、大車運(yùn)行系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)。
2.1供電系統(tǒng)
電源回路原理圖如圖2所示,電源由機(jī)上平臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組供電或由外電源為AC415V,50HZ引入經(jīng)電纜卷筒-E1~-E5,至筒身下部的電源切換箱內(nèi),再經(jīng)中心導(dǎo)電裝置,引到機(jī)房?jī)?nèi)的低壓配電柜,經(jīng)隔離刀開(kāi)關(guān)Q100、斷路器QF100、總接觸器KM1送到各控制柜。柜內(nèi)設(shè)有隔離刀開(kāi)關(guān)和斷路器,刀開(kāi)關(guān)能切斷門機(jī)的所有低壓設(shè)備電源,為安全檢修提供了一個(gè)明顯的斷開(kāi)點(diǎn);斷路器作短路保護(hù),一般情況下不動(dòng)作;通常只用總接觸器來(lái)通、斷總電源。斷路器附有分勵(lì)脫扣線圈,由司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)上的急停按鈕或電源控制柜上的急停按鈕來(lái)控制,只有在總接觸器因某種原因無(wú)法正常切斷電源回路的緊急情況下,才偶然使用一下分勵(lì)脫扣裝置,起到緊急停車的作用。
低壓配電柜門上有電流表、電壓表及切換開(kāi)關(guān)可測(cè)量三相電流、電壓。
圖2電源回路原理圖
2.2起升系統(tǒng)
起升機(jī)構(gòu)載荷為典型的位能負(fù)載,由一臺(tái)YZPFM315M2-8-TH,110KW變
頻電機(jī)驅(qū)動(dòng),采用日本安川CIMR-HB4A0304變頻器傳動(dòng),閉環(huán)控制。起升機(jī)構(gòu)
圖3起升機(jī)構(gòu)原理圖
原理圖如圖3所示
⑴速度要求:輕載:載荷≤10t時(shí),速度為1.25~25m/min;
重載:載荷>10t時(shí),速度為1.25~12.5m/min。
⑵速度給定:由力矩限制器的輸出點(diǎn)的狀態(tài)來(lái)判斷輕重載,并由聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令開(kāi)關(guān)的擋位來(lái)決定速度。正反各五擋:輕載時(shí)分別為10%、50%、100%、150%、200%額定速度,其中前三擋為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,第四、五擋為恒功率調(diào)速;重載時(shí)分別為10%、30%、50%、70%、100%額定速度,為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。系統(tǒng)采用主令擋位開(kāi)關(guān)量輸入,經(jīng)軟件處理后,再由PLC模擬量輸入輸出模塊輸出電壓信號(hào)(最大DC10V)給變頻器。速度檔可在PLC內(nèi)任意設(shè)定,以滿足使用要求。
⑶運(yùn)行與制動(dòng):起升機(jī)構(gòu)有兩套制動(dòng)器,其中一套為工作制動(dòng)器,一套為安全制動(dòng)器。為確保起升機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)制動(dòng),制動(dòng)時(shí)工作制動(dòng)器先行制動(dòng),隔1~2秒后安全制動(dòng)器再制動(dòng)。
2.3變幅系統(tǒng)
變幅機(jī)構(gòu)載荷也為典型的位能負(fù)載,由一臺(tái)YZPFM315S-8-TH,75KW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng),采用日本安川CIMR-HB4A0260變頻器傳動(dòng),閉環(huán)控制,變幅機(jī)構(gòu)原理圖如圖4所示。
圖4變幅機(jī)構(gòu)原理圖
⑴速度要求:正常工況(最小幅度至最大幅度的區(qū)間)的速度:1.4~14m/min。特殊工況(最大幅度至臂架頂部放置地面)的速度:10%額定速度。
⑵速度給定:首先由聯(lián)動(dòng)臺(tái)上的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)選擇“正常/特殊”工況,再由力矩限制器的輸出點(diǎn)的狀態(tài)來(lái)判斷是否帶載,最后由聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令開(kāi)關(guān)的擋位來(lái)控制速度。正常工況下正反各五擋,分別為10%、30%、50%、70%、100%額定速度,帶載增幅時(shí)二至五擋速度減半;減速限位動(dòng)作后只能低速運(yùn)行。系統(tǒng)采用主令擋位開(kāi)關(guān)量輸入,經(jīng)軟件處理后,再由PLC模擬量輸入輸出模塊輸出電壓信號(hào)(最大DC10V)給變頻器。速度擋可在PLC內(nèi)任意設(shè)定,以滿足調(diào)速要求。
⑶運(yùn)行與制動(dòng):變幅機(jī)構(gòu)有兩套制動(dòng)器,其中一套為工作制動(dòng)器,一套為安全制動(dòng)器。為確保變幅機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)制動(dòng),制動(dòng)時(shí)工作制動(dòng)器先行制動(dòng),隔1~2秒后安全制動(dòng)器再制動(dòng)。
2.4回轉(zhuǎn)系統(tǒng)
回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)載荷為典型的位移負(fù)載,由兩臺(tái)YZPF225S2-8-TH,22KW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng),采用日本安川CIMRHB4A0180變頻器傳動(dòng),開(kāi)環(huán)控制。調(diào)速范圍為1:10,控制精度為0.5%,回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)原理圖如圖5所示。
圖5回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)原理圖
⑴速度要求:回轉(zhuǎn)速度:0.03~0.3r/min?;剞D(zhuǎn)角度:全回轉(zhuǎn)。
⑵速度給定:由聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令開(kāi)關(guān)擋位來(lái)決定速度。正反各五擋,分別為10%、30%、50%、70%、100%額定速度。系統(tǒng)采用主令擋位開(kāi)關(guān)量輸入PLC,經(jīng)軟件處理后,再由PLC開(kāi)關(guān)量輸出給變頻器,再根據(jù)變頻調(diào)速器的內(nèi)部設(shè)定,輸出相應(yīng)的速度,其速度擋可在變頻器內(nèi)部任意設(shè)定。
⑶運(yùn)行與制動(dòng):本機(jī)構(gòu)抱閘采用常開(kāi)方式,當(dāng)聯(lián)動(dòng)臺(tái)上制動(dòng)按鈕或腳踏開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí),制動(dòng)器得電抱閘,否則制動(dòng)器失電松開(kāi)。
各電機(jī)均設(shè)有熱過(guò)載保護(hù)。
2.5大車運(yùn)行系統(tǒng)
大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)載荷為典型的位移負(fù)載,由12臺(tái)YZPFE112M2-4-TH3KW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng),采用日本安川CIMRHB4A0112變頻器傳動(dòng),開(kāi)環(huán)控制。調(diào)速范圍為1:10,控制精度為0.5%,大車機(jī)構(gòu)原理圖如圖6所示。
圖6大車機(jī)構(gòu)原理圖
⑴速度要求:行走速度:1.6~16m/min;
⑵調(diào)速方式:由聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令開(kāi)關(guān)擋位來(lái)決定速度。正反各五擋,分別為10%、30%、50%、70%、100%額定速度。系統(tǒng)采用主令擋位開(kāi)關(guān)量輸入PLC,再由PLC開(kāi)關(guān)量輸出給變頻器,再根據(jù)變頻調(diào)速器的內(nèi)部設(shè)定,輸出相應(yīng)的速度,其速度擋可在變頻器內(nèi)部任意設(shè)定。
⑶運(yùn)行與制動(dòng):本機(jī)構(gòu)設(shè)有4個(gè)電動(dòng)防風(fēng)鐵楔和1個(gè)風(fēng)速儀,當(dāng)防風(fēng)鐵楔退回且風(fēng)速不超過(guò)20米/秒時(shí),大車機(jī)構(gòu)才可以正常啟動(dòng)。
各電機(jī)均設(shè)有熱過(guò)載保護(hù)。
2.6安全保護(hù)系統(tǒng)
⑴本門機(jī)設(shè)有綜合力矩保護(hù)裝置(儀表電源AC220V),主要起超載和超幅保護(hù)。起重量發(fā)送裝置裝于臂架頭部,幅度發(fā)送裝置安裝在臂架根部。當(dāng)實(shí)際起重量為額定起重量的90%時(shí)預(yù)報(bào)警,當(dāng)達(dá)到105%時(shí)切斷起升電源,限制起升并報(bào)警,能限制工作時(shí)的傾覆力矩不至超出起重特性曲線的允許值,最大幅度和最小幅度前都設(shè)有減速限位,同時(shí)在起升機(jī)構(gòu)卷筒軸上還設(shè)有一套機(jī)械高度限位裝置,它與綜合力矩保護(hù)裝置共同作用,起到了雙重保護(hù)的目的。另外本機(jī)還裝有LED顯示屏,用來(lái)顯示吊鉤的載荷。
⑵變幅機(jī)構(gòu)在卷筒軸上也設(shè)有一套機(jī)械幅度限位裝置,它與綜合力矩保護(hù)裝置共同作用,起到了雙重保護(hù)的目的。另外在臂架與人字架防后傾支撐架間裝有防后傾限位。
⑶門機(jī)人字架頂部設(shè)有風(fēng)速儀傳感器,當(dāng)風(fēng)速超過(guò)20米/秒,自動(dòng)報(bào)警,并禁止大車運(yùn)行,同時(shí)使電動(dòng)防風(fēng)鐵楔自動(dòng)插入軌道,以防止大風(fēng)將起重機(jī)吹走。
⑷運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)有終點(diǎn)限位開(kāi)關(guān),限制起重機(jī)行走范圍,以防發(fā)生出軌事故。
⑸本機(jī)設(shè)有電鈴,在各機(jī)構(gòu)工作前,均鳴響電鈴。
⑹本機(jī)設(shè)有聲光警示器,在大車機(jī)構(gòu)工作時(shí),均鳴響警示器。
⑺本機(jī)設(shè)有電動(dòng)防風(fēng)鐵楔,停機(jī)時(shí)可楔住軌道。防風(fēng)鐵楔上設(shè)有限位開(kāi)關(guān),保證防風(fēng)鐵楔未開(kāi)啟時(shí)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)不能運(yùn)行。
⑻本機(jī)的機(jī)臺(tái)尾部還設(shè)有兩個(gè)防撞報(bào)警的超聲波開(kāi)關(guān)。
⑼本機(jī)設(shè)有兩個(gè)錨定裝置,在停機(jī)時(shí)需手動(dòng)錨定,以防事故發(fā)生。
3電氣系統(tǒng)控制部分的設(shè)計(jì)
3.1電氣系統(tǒng)控制部分的硬件設(shè)計(jì)
西門子S7-200系列PLC出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:極高的可靠性;極豐富的指令集;易于掌握;便捷的操作;豐富的內(nèi)置集成功能;實(shí)時(shí)特性;強(qiáng)勁的通訊能力,以及豐富的擴(kuò)展模塊。
基于S7-200PLC的以上優(yōu)點(diǎn),本機(jī)采用S7-200PLC作為控制核心。整個(gè)PLC控制系統(tǒng)由一塊CPU226、三塊數(shù)字量輸入輸出模塊EM223、一塊數(shù)字量輸入模塊EM221以及三塊模擬量輸入輸出模塊EM235組成。其中CPU226為中央處理器,處理由外部輸入的各種信息。數(shù)字量輸入輸出模塊用來(lái)接收外部各種故障信號(hào)、各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)、聯(lián)動(dòng)臺(tái)的輸入信號(hào)以及輸出各機(jī)構(gòu)的控制命令,以完成各運(yùn)行機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)、運(yùn)行,制動(dòng)。而模擬量模塊EM235主要接收各機(jī)構(gòu)的速度和電流信號(hào),這些信號(hào)由PLC模塊處理后經(jīng)過(guò)MPI網(wǎng)傳輸至司機(jī)室觸摸屏,以便司機(jī)及時(shí)的了解本機(jī)的整個(gè)工作況。
3.2電氣控制部分的軟件設(shè)計(jì)
由于本門機(jī)采用西門子S7-200作為控制系統(tǒng)的核心,編程采用Step7Microwin4.0軟件,編程時(shí),根據(jù)程序控制流程對(duì)電源、起升、變幅、回轉(zhuǎn)和行走各機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行編程,具體的程序控制流程如圖7所示.通過(guò)Winccflexible2008軟件對(duì)觸摸屏MP277進(jìn)行編程,以便對(duì)本機(jī)所有機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息實(shí)時(shí)監(jiān)控與處理。
圖7程序控制流程圖
4結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研發(fā)、調(diào)試,我單位自主設(shè)計(jì)的電氣系統(tǒng)已成功運(yùn)用在新加坡船廠D3560K7門座式起重機(jī)上,如圖8所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試:整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),起動(dòng)、制動(dòng)沖擊小。受到業(yè)主的一致好評(píng)。
圖8整機(jī)圖
水利部杭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所起重機(jī)械運(yùn)輸事業(yè)部
姓名:趙仕兵
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