桥吊吊具电缆全变频闭环控制系统设计张乾能

/吊具电缆全变频闭环限制系统设计张乾能（北三集司，浙江宁波315813）摘要：桥吊吊具电缆驱动方式是吊具限制重要部分，全变频闭环限制驱动方式因其响应速度快、电缆跟随效果好、维护保养简洁等优势被广泛应用。本文详细地介绍了一种桥吊吊具限制系统方案设计，可为桥吊吊具限制系统改造供应确定的帮助。关键词：吊具电缆；闭环限制；桥吊；PLCDesignoffullvariablefrequencyclosed-loopcontrolsystemonspreadercableZHANGQianneng,ZHAOZhimiao(NingboGangjiTerminalCo,.Ltd.Ningbo315813,Zhejiang)Abstract:Drivemodeofcontainercranespreadercableisthemaincomponentofcranespreadercontrolsystem.Fullvariablefrequencyclosedloopcontrolsystemhasfastresponse,goodcablefolloweffect,simplemaintenancewhichiswidelyused.Thispaperintroducesakindofcranehoistcontrolsystemdesign,whichcanprovidesomehelpforsystemreformation.Keywords:spreadercable;closed-loopcontrol;queycrane;PLC桥吊吊具电缆驱动方式是吊具电气限制的重要部分，全变频闭环限制驱动方式具备以下优势：1）全变频闭环限制驱动的吊具电缆卷盘克服了磁滞联轴器的“软特性”，系统响应速度快，电缆跟随效果好；2）卷盘限制接受“速度限制和力矩限幅限制相结合技术”，结合吊具上架的缓冲器过紧限位开关作用，保证电缆在任何工况下不会超过其许用拉力；3）电机接受单台卧式安装变频调速电机，整个传动系统转动惯量小，其应用场合不受电缆自重、起上升度、吊具加速度等限制；4）电机接受弹性联轴器和减速器连接，保养工作量小、维护简洁，相对应的配件价格低；5）电缆爱惜：A限制电机给定卷盘的力矩，确保电缆张力小于其许用拉力；B吊架上架的缓冲器安装有过紧限位开关，一旦吊具电缆卷盘收、放缆速度和吊具速度不同步造成的吊具缓冲器的行程达到最大值时，吊具缓冲器给上的过紧限位触发，电缆过紧信号发出，整个系统作出紧停动作从而爱惜电缆。因此，目前国内港口普遍接受这种方式对桥吊吊具电缆限制方式进行改造，本文给出了一套完整的限制系统设计方案，以供参考。1吊具电气限制方式的选择吊具电气限制方式选择将为吊具电控系统设计定下基调[1]。依据吊具的特点及需求，有3中不同的限制方式可供选择，优缺点如下，见下表1。表1不同的限制方式比较[1]限制方式系统方案施工难度优缺点点对点硬接线通过点硬接线采集吊具感应开关信号。模拟量输入模块采集称重传感器信号。大量的接线，需更换吊具电缆，施工难度大。总成本稍低，调试周期长，维护工作量大。CAN通讯接受BROMMASCS2限制器，并运用CAN地址模块采集吊具信号以及称重传感器信号。限制功能逻辑固化，解封须要厂家帮助。成本较高，实施阶段风险较大。ASI通讯接受西门子现场总线技术ASI地址板采集吊具信号，通过模拟量模块采集称重传感器信号。两线通讯，施工难度小。编程自由开放，系统易于扩展，维护简洁，成本中等。3种不同限制方式的比较可见，接受ASI（传感器-执行器接口技术）通讯的限制方式在施工难度、调试周期、成本限制、维护等方面具有明显优势。因此选择了ASI通讯作为吊具电气限制方式。2吊具限制系统限制过程吊具限制系统由1台变频电机驱动，驱动电机上装有增量型编码器，通过编码器反馈信号进行处理来不断调整的变频电机的转速，实现对变频电机的闭环限制。为了避开变频电机出现过冷或过热现象，在变频电机内安装了温控元件，将反馈信号给可编程限制器，用来监控变频电机的温度。同时变频电机上还安装有风扇和加热器，用来防止变频电机结露和给变频电机散热。吊具限制系统须要安装1台制动器，干脆装在齿轮减速箱上，用于整个限制系统的制动。该制动器接受常闭式制动器，在通电时打开，断电时抱闸；另外可编程限制器需检测制动器的抱闸松紧限位用来推断制动器的开闭状态。司机室联运台是司机限制桥吊动作的操作平台，吊具系统的各种手动操作都要从这里的按钮发出。吊具电缆系统的手动操作主要有以下三种：手动选中，手动收缆、手动放缆。卷取装置在收放吊具电缆时，要防止放空电缆和电缆满盘时接着回收，同时要防止收放电缆时电缆拉力过大而损坏电缆，因此需调制电缆空盘限位和电缆满盘限位以及电缆过紧限位。本设计中以卷盘上电缆剩余圈数为3圈时吊具处于最低位，既电缆空盘限位处；电缆还可以绕1圈时吊具处于最高位，既电缆满盘限位处；当电缆张力过大，超出电缆许用拉力时，电缆过紧限位动作，设备停止。滑环箱内也装有一个加热器，用来防止滑环箱结露，该加热器始终通电。3吊具限制系统总体方案对吊具电缆限制系统有了相应的了解后，下面简洁介绍吊具电缆限制系统总体方案，限制系统框图如图1所示。图1限制系统框图可编程限制器接收主PLC的运行指令及运行状态，并据此来得到主起升的运行速度及状态，从而限制变频器输出电压频率，实现对变频电机的调速，使吊具电缆和主起升保持一样；在电机停止或限位信号指示机构发生故障时，可编程限制器限制制动器进行减速制动或紧急制动,并发出信任指示灯信号或报警信号。依据吊具电缆限制系统的要求和限制系统框图，可得出吊具电缆限制系统限制原理图如图2所示。图2限制系统限制原理图3.1设计说明依据用户桥吊已有吊具电缆系统配置的运行速度，将已有的驱动方式“磁滞+变频驱动”，改造为“全变频驱动”，改造后的吊具电缆卷盘限制接受“速度+力矩限制”。3.2吊具运用场合和环境该吊具卷筒安装在起重机上，随起重机一起工作在海洋性气候的环境中，环境温度：-10~45°C；湿度：100%；工作风速：25米/秒；非工作风速：55米/秒。3.3吊具基本信息和主参数1、数量：1套/台；2．最大悬挂长度：共计62米，其中轨上42米+轨下20米+悬挂高度0~4米（在吊具最高处时上架缓冲器至卷筒中心的高度）；3．在吊具最高处时：卷筒还可绕1圈；4．在吊具最低处时：卷筒上电缆剩余圈数3圈；5．起升速度参数：见表2；表2吊具起升速度参数类别起升速度（米/分）加速时间（秒）减速时间（秒）空吊具起升18033空吊具下降18033满载起升901.51.5满载下降901.51.56.驱动型式：改造前磁滞+变频驱动，改造后为全变频驱动；7.卷筒型式：单排多层缠绕卷盘；8.安装方式：户外安装。4吊具电缆限制系统机械部分设计对吊具电缆限制系统机械部分的改造较少且不是本文的重点探讨对象，估仅在此处做粗略的介绍。4.1增加电机安装座不同的电机其安装座尺寸也有差异，故须要依据选用的电机重新设计其安装座，以保证其的正确安装和运用。4.2增加制动器安装依据新的吊具限制系统机电一体化的须要，在原系统中须要加入一制动器来保证系统制动实力和断电时系统的平安，制动器安装在原系统中电机的安装位置，依据选用的制动器尺寸设计的安装座如图3所示：图3制动器安装座实物图4.3减速箱大修对原减速箱进行检修，其中的齿轮、轴承假如不能运用或不能满足运用要求的，要对其更换或重新选型。4.4增加过紧限位装置针对改进的吊具限制系统的须要，在原有吊具缓冲器上加装过紧限位装置，来保证电缆不因张力过大而产生故障。5桥吊吊具PLC限制系统硬件设计桥吊吊具PLC限制系统硬件设计是限制系统至关重要的环节之一，关系着PLC限制系统运行的牢靠性、平安性、稳定性。PLC限制系统供电电源一般为AC8—5-240V，适应电源范围较宽，一般加装抗干扰的电源滤波器、1:1隔离变压器等电源净化原件。PLC限制系统的输出电路设计，依据生产工艺要求，一般接受适应于高频动作、响应时间短的晶体管输出各种指示灯、变频器的启动停止。抗干扰设计是PLC限制系统设计时必需考虑的问题，一般接受隔离、屏蔽、布线等防干扰方式。5.1限制系统的输入输出信号桥吊吊具系统的限制主要由PLC完成，PLC是限制系统的核心。吊具限制系统输入输出点是PLC的选型的一个重要参考，依据被控对象的困难程度，以及生产工艺的要求，进行I/O点数的统计，列出清单，以备运用，并适当进行内存容量的估计，确定留有适当的软硬见资源余量而不奢侈资源的机型。输入信号包括主控PLC的各种通讯信号、编码器和热继电器的反馈信号、制动器的状态信号、各种限位信号等。输出信号包括给反馈主控PLC的各种通讯信号、吊具屏的各种显示报警信号、各接触器的动作信号、变频器的动作信号等。对吊具电缆限制系统输入输出点的统计见表3、表4。表3-3吊具电缆限制系统输入点归纳序号输入点序号输入点1变频器接触点闭合9手动选中2变频器故障10手动收电缆3制动器接触器闭合11手动放电缆4制动器状态指示12电缆满盘5制动器抱闸紧13电缆空盘6制动器抱闸松14电缆过紧限位7电机热继电器15编码器8制动器检测继电器表4吊具电缆限制系统输出点统计序号输出点序号输出点1制动器平安接触器6变频器故障2制动器接触器7电机过载3主接触器8电缆过紧4电缆卷盘运转9电缆卷盘未满盘5电缆卷盘无故障10电缆卷盘未空盘5.2PLC的选型可编程限制器，简称PLC即ProgrammableLogicDevice，是为了取代老式的继电器限制系统而特地为工业限制所设计的综合型限制系统，一般分为软件系统和硬件系统，PLC构成[2]如下图4所示，它具有强大的和工业设备相连接的接口，具有更适用于限制要求的编程语言[3]。它可以将预先编制的指令存储起来，然后依据指令进行逻辑运算、依次限制、定时、计数等，并通过模拟或数字输入/输出，从而来机械动作或生产过程。图4PLC构成框图桥吊吊具限制系统主要有PLC完成，PLC是电气限制的核心，现在的PLC产品种类很多，但各种类型之间也有确定的差异，甚至有些差异还很大，因此只有选择适合的PLC，才能使整个系统更加牢靠。PLC选型基本规则[4,5,6,7]：要能满足运用要求(依据限制系统输入输出点数多少)，限制系统运行的牢靠性要高，维护简洁便利，性价比要高。基于对改造系统仅是整个桥吊电气限制系统中的一个模块，考虑到客户对原运用系统的已经比较熟悉，以及整个系统的牢靠性和兼容性，维护便利性，本次改造原系统所运用的西门子系统，同时依据输入输出信号数量及详细的运用要求，所选用的PLC的型号CPU315-2DP，整机系统接受PROFIBUS-DP总线限制，信息监控系统接受TP170A人机界面。该PLC[8]含有PROFIBUS主从接口，主站驾驭数据流的限制权，可以在没有外部请求下发送指令或读取从站信息。从站连接变频器等简洁设备。SINAMICSS210[9]集V/F、矢量限制及伺服限制于一体的驱动限制系统，它不仅能限制一般的三相异步电动机，还能限制同步电机、扭矩电机及直线电机。内部集成的DCC（驱动限制图表）功能，用PLC的编程语言来实现逻辑、运算及简洁的工艺等功能。人机界面能体现系统运行中出现的故障以及系统运行状态，检修人员只要查看人机界面显示的故障信息，就可以解除故障。其接口示意图如下图5。图5SIEMENSCPU315-2DP的接口示意图已安装在电器柜中的PLC如图6所示。图6已安装的PLC实物图5.3吊具电缆的选择桥吊用吊具电缆运用的环境比较恶劣，通常安装在户外，经常在高温或低温下工作，承受海风、雨水等的侵袭，必需有确定耐凹凸温、耐酸/碱、抗老化等特性；要在高速下作业，还要不断的进行卷盘动作，不能因此造成电缆的扭曲，导致断芯，必需有确定能耐磨、耐弯曲、耐扭转等特性；要能承受较大的拉力；要有确定的抗电磁干扰实力等。因此吊具电缆的性能要求高，价格昂贵，一般运用国外进口的的较多。依据本探讨的运用要求，最终选定的吊具电缆状况如下：电缆型号：PRYSIMACORDAFLEX0.6/1KV44*2.5mm2电缆最大直径：37.1毫米电缆重量：2.28公斤/米电缆允许拉力：5100牛电缆最小允许弯曲半径：_8Dmm5.4变频电机的选型电缆卷盘卷绕力矩的大小由电缆重力、集电环输电箱滑环和碳刷的摩擦力、电缆弯曲阻力、电缆卷盘转动的阻力等所产生的合力矩所确定的。这个卷绕力矩的精准计算很难实现，但对于变频电机的选型，可以用原来电机的功率来确定，原电机的功率为5.5KW(两台)，因此选定电机的功率为11KW。依据变频电机的功率和桥吊的运用状况，最终选定的变频电机如下：电机品牌：上海ABB变频调速电机QABP160M4数量：1台防护等级：IP55绝缘等级：F温升等级：B级电机工作制：S1(1分钟160%过载)电机冷却方式：IC411(自带风扇冷却)增量型编码器配置：LINELINDE产品：XHI80386-120-HTL/1024，电机内置；标配加热器和测温元件；220VAC/1PH，50W常闭开关量信号接线盒进线方式：软管(G1-1/4″)两个；主要技术参数：380VAC，50Hz，11KW，23.2A，70N.m，1460r/min；图7变频电机安装实物图小结本章介绍了桥吊吊具电缆限制系统设计，阐述了限制过程及总体设计方案，和桥吊吊具限制系统硬件设计等。选择了合适的桥吊吊具电缆电气限制方式，介绍了桥吊吊具限制系统限制过程，并设计出了限制系统总体方案，给出了限制系统原理图。明确了桥吊吊具的运用场合和环境，给出了吊具基本信息和主参数，包括起升速度详细参数；对机械部分设计也做了简洁说明，增加了吊具限制系统