1 引言

新加坡船廠(chǎng)用MD600D高架門(mén)機(jī)主要用于港口碼頭船塢物品裝卸、修造船廠(chǎng)金屬結(jié)構(gòu)件吊裝等工作；也可用于這些場(chǎng)所設(shè)備安裝工程及組裝場(chǎng)地的吊運(yùn)工作，因而屬船廠(chǎng)重要設(shè)備，由于門(mén)機(jī)已使用十多年了，電氣故障率比較高，因而需對(duì)其電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行全面改造。

本次改造電控系統(tǒng)采用目前國(guó)際上先進(jìn)的“觸摸屏+PLC+變頻調(diào)速”控制方案，其中整個(gè)系統(tǒng)采用西門(mén)子新型PLCS7-1500控制，通過(guò)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。這大大簡(jiǎn)化了電控系統(tǒng)中的硬件線(xiàn)路，減少電氣系統(tǒng)的硬件故障，提高了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)還采用了目前電控系統(tǒng)中先進(jìn)的觸摸屏監(jiān)控技術(shù)，使整機(jī)具有良好的人機(jī)對(duì)話(huà)和高品質(zhì)的信息處理功能。

2 電氣控制系統(tǒng)

MD600D高架門(mén)機(jī)的電氣系統(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(chē)運(yùn)行系統(tǒng)、門(mén)機(jī)操作系統(tǒng)等。

2.1 供電系統(tǒng)

外電源為三相四線(xiàn)AC415V，50HZ引入，電源點(diǎn)在軌道一端終點(diǎn)，起重機(jī)電纜卷筒側(cè)。經(jīng)電纜卷筒WR引入機(jī)臺(tái)下部中心導(dǎo)電裝置XR，再接到機(jī)房?jī)?nèi)供電柜，門(mén)機(jī)的控制部分電源為AC220V。總電源設(shè)有隔離刀開(kāi)關(guān)Q0，能切斷本機(jī)的所有電源，為安全檢修提供了一個(gè)明顯的斷開(kāi)點(diǎn)，并設(shè)有斷路器QF0，只作短路保護(hù)。一般情況下QF0不動(dòng)作，通過(guò)總接觸器KM0來(lái)合上或斷開(kāi)總電源。QF0中附有分勵(lì)脫扣線(xiàn)圈，由電源大車(chē)柜和司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)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。

2.2 起升系統(tǒng)

起升機(jī)構(gòu)變頻電機(jī)為YZPBF355L2-10，額定功率為132KW，采用安川變頻器CIMR-G7A4160傳動(dòng)，閉環(huán)控制。

速度指標(biāo)：

1.53~15.3m/min

調(diào)速方式：

由聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令開(kāi)關(guān)5S1擋位來(lái)決定速度。上升、下降各為五擋，分別為10%，30%，50%，70%，100%的額定速度。系統(tǒng)采用主令開(kāi)關(guān)輸入到PLC的數(shù)字量輸入模塊，經(jīng)軟件處理后，輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)給變頻器，從而輸出相應(yīng)的速度，其速度擋可在變頻器內(nèi)部任意設(shè)定，以滿(mǎn)足調(diào)速要求。

2.3 變幅系統(tǒng)

變幅機(jī)構(gòu)由一臺(tái)YZP288M-10，45KW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用安川變頻器CIMR-G7A4075傳動(dòng)，閉環(huán)控制。

速度指標(biāo)：

吊重水平移動(dòng)平均速度：0.96~9.6m/min

調(diào)速方式：

由聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令開(kāi)關(guān)5S2擋位來(lái)決定速度。增減幅各五擋，分別為10%，30%，50%，70%，100%額定速度。系統(tǒng)采用主令開(kāi)關(guān)輸入到PLC的數(shù)字量輸入模塊，經(jīng)軟件處理后，輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)給變頻器，從而輸出相應(yīng)的速度，其速度擋可在變頻器內(nèi)部任意設(shè)定，以滿(mǎn)足調(diào)速要求。每擋速度之間加減速過(guò)程非常平穩(wěn)，無(wú)沖擊。

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。本電氣系統(tǒng)采用安川變頻調(diào)速方式來(lái)完成調(diào)速任務(wù)。變頻電機(jī)為YZP225M-6，額定功率為30KW，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由一套變頻調(diào)速裝置傳動(dòng)，開(kāi)環(huán)控制。驅(qū)動(dòng)裝置采用安川全數(shù)字式變頻調(diào)速裝置CIMRG7A4037，調(diào)速范圍為1：10，控制精度為0.5%。

速度指標(biāo)：

回轉(zhuǎn)速度：0.068~0.68r/min

回轉(zhuǎn)角度：全回轉(zhuǎn)

調(diào)速方式：

由聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令開(kāi)關(guān)5S3擋位來(lái)決定速度。左右轉(zhuǎn)各五擋，分別為10%，30%，50%，70%，100%額定速度（有擋位無(wú)級(jí)調(diào)速）。系統(tǒng)采用主令開(kāi)關(guān)輸入到PLC的數(shù)字量輸入模塊，經(jīng)軟件處理后，輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)給變頻器，從而輸出相應(yīng)的速度，其速度擋可在變頻器內(nèi)部任意設(shè)定，以滿(mǎn)足調(diào)速要求。

2.5 大車(chē)運(yùn)行系統(tǒng)

大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)載荷為典型的位移負(fù)載。本電氣系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式來(lái)完成調(diào)速任務(wù)。變頻電機(jī)為YZP160M2-4，額定功率為11KW，4臺(tái)。大車(chē)機(jī)構(gòu)四臺(tái)電機(jī)4M1～4M4由一套變頻調(diào)速裝置傳動(dòng)，開(kāi)環(huán)控制。驅(qū)動(dòng)裝置采用四象限運(yùn)行的安川全數(shù)字式變頻調(diào)速裝置CIMR-G7A4055，調(diào)速范圍為1：10，控制精度為0.5%。

速度指標(biāo)：

速度：2～20m/min

調(diào)速方式：

由聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令開(kāi)關(guān)5S4擋位來(lái)決定速度。左右轉(zhuǎn)各五擋，分別為10%，30%，50%，70%，100%額定速度（有擋位無(wú)級(jí)調(diào)速）。系統(tǒng)采用主令開(kāi)關(guān)輸入到PLC的數(shù)字量輸入模塊，經(jīng)軟件處理后，輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)給變頻器，從而輸出相應(yīng)的速度，其速度擋可在變頻器內(nèi)部任意設(shè)定，以滿(mǎn)足調(diào)速要求

2.6 門(mén)機(jī)操作系統(tǒng)

本機(jī)駕駛室裝有一套主令操作臺(tái)，該操作臺(tái)為聯(lián)動(dòng)操作臺(tái)，駕駛員左邊操作臺(tái)手柄控制變幅和回轉(zhuǎn)，右邊操作臺(tái)手柄控制起升和行走，現(xiàn)具體說(shuō)明如下：

①右操作手柄控制起升和行走，兩個(gè)動(dòng)作可分別操作也可聯(lián)動(dòng)操作。右操作臺(tái)面板有電動(dòng)夾軌器啟動(dòng)和停止按鈕、松閘指示、電控系統(tǒng)總接觸器合指示燈、起升和大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行及故障指示等。

②左操作手柄控制變幅和回轉(zhuǎn)，左操作臺(tái)面板前部是力矩限制器，側(cè)面是觸摸屏。面板上還裝有故障報(bào)警指示、回轉(zhuǎn)手閘指示、回轉(zhuǎn)制動(dòng)按鈕、系統(tǒng)急停等，整個(gè)系統(tǒng)采用西門(mén)子新型PLCS7-1500控制，具體見(jiàn)圖1所示。

圖1 MD600D高架門(mén)機(jī)電氣控制圖

3 PLC系統(tǒng)

3.1西門(mén)子新型S7-1500PLC

西門(mén)子公司提供了適合多種自動(dòng)化需求的PLC產(chǎn)品。新一代的SIMATICPLC控制器包括基礎(chǔ)系列、高級(jí)系列、分布式系列和軟控制器系列，產(chǎn)品種類(lèi)多、集成度高。SIMATICS7-1500控制器是SIMATICPLC產(chǎn)品家族的旗艦產(chǎn)品。它專(zhuān)門(mén)為中高端工廠(chǎng)自動(dòng)化控制任務(wù)量身定制，適合較復(fù)雜的應(yīng)用。目前SIMATIC S7-1500產(chǎn)品家族的CPU種類(lèi)非常齊全，有6款標(biāo)準(zhǔn)型CPU，兩款分布式PLC以及兩款緊湊型CPU。本次高架門(mén)機(jī)改造采用的為標(biāo)準(zhǔn)型CPU 6ES7511-1KA01-0AB0，框架內(nèi)模塊離散I/O可達(dá)1024點(diǎn)。

3.2PLC硬件系統(tǒng)

如圖1所示，整個(gè)PLC控制系統(tǒng)分兩大部分：第一部分為PLC控制系統(tǒng)，主要由1塊CPU模塊6ES7511-1AK01-0AB0、2塊32位數(shù)字量輸入模塊6ES7521-1BL00-0AB0、1塊16位數(shù)字量輸入模塊6ES7521-1BH00-0AB0、2塊32位數(shù)字量輸出模塊6ES7522-1BL00-0AB0和1塊4通道模擬量輸入模塊6ES7534-7QE00-0AB0組成，以實(shí)現(xiàn)整機(jī)各機(jī)構(gòu)的調(diào)速控制。同時(shí)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)及故障狀態(tài)通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入及時(shí)反饋至PLC系統(tǒng)，由PLC系統(tǒng)傳到司機(jī)室觸摸屏人機(jī)界面上顯示。其中CPU為西門(mén)子新系列產(chǎn)品，需在TIA博途軟件環(huán)境下編程。數(shù)字量輸入模塊主要用來(lái)接收風(fēng)速儀和力矩限制器的開(kāi)關(guān)量信號(hào)以及聯(lián)動(dòng)臺(tái)的操作命令信號(hào);數(shù)字量輸出模塊主要輸出報(bào)警和聯(lián)動(dòng)臺(tái)指示信號(hào)，以便司機(jī)及時(shí)地掌握整機(jī)各機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)及故障信息，正確無(wú)誤地安全操作。所有信號(hào)經(jīng)PLC又可傳遞給司機(jī)室觸摸屏，以便司機(jī)隨時(shí)掌握整機(jī)的工作狀態(tài)，也為維修人員捕捉故障信息打下基礎(chǔ)。

3.3 軟件開(kāi)發(fā)

3.3.1TIA博途軟件

由于本系統(tǒng)CPU采用了西門(mén)子最新產(chǎn)品S7-1500系列，因而該門(mén)機(jī)PLC需在TIA博途軟件環(huán)境下編程。西門(mén)子TIA博途軟件將全部自動(dòng)化組態(tài)設(shè)計(jì)工具完美地整合在一個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境之中。它包括TIA博途STEP7、WinCC、Startdrive和SCOUT。其中TIA博途STEP7是用于組態(tài)SIMATICS7-1200、S7-1500、S7-300/400和WinAC控制器系列的工程組態(tài)軟件，并可在PC機(jī)上使用SIMATICS7-1500仿真器，實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)辦公室中對(duì)程序的測(cè)試，完成起動(dòng)階段的準(zhǔn)備工作。在使用S7-1500CPU之前，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目并添加S7-1500PLC站點(diǎn)，其中主要包括系統(tǒng)的硬件配置信息和控制設(shè)備的用戶(hù)程序，具體見(jiàn)圖2所示。

圖2 MD600D高架門(mén)機(jī)硬件配置圖

圖3 MD600D高架門(mén)機(jī)軟件開(kāi)發(fā)圖

3.3.2PLC程序設(shè)計(jì)：

選用西門(mén)子公司的新型系列PLCS7-1500，系統(tǒng)送電后，首先檢查系統(tǒng)是否準(zhǔn)備好（如安全裝置有無(wú)動(dòng)作、操作手柄是否在零位等），然后由司機(jī)發(fā)出操作命令，PLC接收命令信號(hào)后，由PLC程序完成整個(gè)工藝控制過(guò)程，并輸出相應(yīng)信號(hào)，通過(guò)安川公司變頻器CIMR完成各機(jī)構(gòu)的調(diào)速運(yùn)行。具體流程如圖4所示。

圖4 流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)門(mén)機(jī)各機(jī)構(gòu)操作原理編制的程序，經(jīng)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)：線(xiàn)路簡(jiǎn)單，PLC系統(tǒng)調(diào)試方便，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，并具有數(shù)據(jù)記憶功能，人機(jī)界面的加入又使整機(jī)電控系統(tǒng)的智能化程度提高。這些已被成功運(yùn)用于新加坡MD600D高架門(mén)機(jī)的成功案例（見(jiàn)圖5），這將為國(guó)內(nèi)高架門(mén)機(jī)電控系統(tǒng)的改造起到拋磚引玉的作用。

圖5 新加坡MD600D門(mén)機(jī)