1 引言

新加坡船廠用MD600D高架門機主要用于港口碼頭船塢物品裝卸、修造船廠金屬結(jié)構(gòu)件吊裝等工作；也可用于這些場所設備安裝工程及組裝場地的吊運工作，因而屬船廠重要設備，由于門機已使用十多年了，電氣故障率比較高，因而需對其電氣控制系統(tǒng)進行全面改造。

本次改造電控系統(tǒng)采用目前國際上先進的“觸摸屏+PLC+變頻調(diào)速”控制方案，其中整個系統(tǒng)采用西門子新型PLCS7-1500控制，通過運用PLC內(nèi)部的虛擬觸點來實現(xiàn)整機的時序邏輯控制。這大大簡化了電控系統(tǒng)中的硬件線路，減少電氣系統(tǒng)的硬件故障，提高了整個系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。同時還采用了目前電控系統(tǒng)中先進的觸摸屏監(jiān)控技術(shù)，使整機具有良好的人機對話和高品質(zhì)的信息處理功能。

2 電氣控制系統(tǒng)

MD600D高架門機的電氣系統(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)、大車運行系統(tǒng)、門機操作系統(tǒng)等。

2.1 供電系統(tǒng)

外電源為三相四線AC415V，50HZ引入，電源點在軌道一端終點，起重機電纜卷筒側(cè)。經(jīng)電纜卷筒WR引入機臺下部中心導電裝置XR，再接到機房內(nèi)供電柜，門機的控制部分電源為AC220V。總電源設有隔離刀開關(guān)Q0，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，并設有斷路器QF0，只作短路保護。一般情況下QF0不動作，通過總接觸器KM0來合上或斷開總電源。QF0中附有分勵脫扣線圈，由電源大車柜和司機室聯(lián)動臺上的急停按鈕來控制，只有在總接觸器因某種原因無法正常切斷電源回路的緊急情況下，才偶然使用一下分勵脫扣裝置。

2.2 起升系統(tǒng)

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

速度指標：

1.53~15.3m/min

調(diào)速方式：

由聯(lián)動臺主令開關(guān)5S1擋位來決定速度。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，輸出開關(guān)量信號給變頻器，從而輸出相應的速度，其速度擋可在變頻器內(nèi)部任意設定，以滿足調(diào)速要求。

2.3 變幅系統(tǒng)

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

速度指標：

吊重水平移動平均速度：0.96~9.6m/min

調(diào)速方式：

由聯(lián)動臺主令開關(guān)5S2擋位來決定速度。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，輸出開關(guān)量信號給變頻器，從而輸出相應的速度，其速度擋可在變頻器內(nèi)部任意設定，以滿足調(diào)速要求。每擋速度之間加減速過程非常平穩(wěn)，無沖擊。

2.4 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)

回轉(zhuǎn)機構(gòu)載荷為典型的位移負載。本電氣系統(tǒng)采用安川變頻調(diào)速方式來完成調(diào)速任務。變頻電機為YZP225M-6，額定功率為30KW，回轉(zhuǎn)機構(gòu)由一套變頻調(diào)速裝置傳動，開環(huán)控制。驅(qū)動裝置采用安川全數(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：

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)動臺主令開關(guān)5S3擋位來決定速度。左右轉(zhuǎn)各五擋，分別為10%，30%，50%，70%，100%額定速度（有擋位無級調(diào)速）。系統(tǒng)采用主令開關(guān)輸入到PLC的數(shù)字量輸入模塊，經(jīng)軟件處理后，輸出開關(guān)量信號給變頻器，從而輸出相應的速度，其速度擋可在變頻器內(nèi)部任意設定，以滿足調(diào)速要求。

2.5 大車運行系統(tǒng)

大車運行機構(gòu)載荷為典型的位移負載。本電氣系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式來完成調(diào)速任務。變頻電機為YZP160M2-4，額定功率為11KW，4臺。大車機構(gòu)四臺電機4M1～4M4由一套變頻調(diào)速裝置傳動，開環(huán)控制。驅(qū)動裝置采用四象限運行的安川全數(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：

速度：2～20m/min

調(diào)速方式：

由聯(lián)動臺主令開關(guān)5S4擋位來決定速度。左右轉(zhuǎn)各五擋，分別為10%，30%，50%，70%，100%額定速度（有擋位無級調(diào)速）。系統(tǒng)采用主令開關(guān)輸入到PLC的數(shù)字量輸入模塊，經(jīng)軟件處理后，輸出開關(guān)量信號給變頻器，從而輸出相應的速度，其速度擋可在變頻器內(nèi)部任意設定，以滿足調(diào)速要求

2.6 門機操作系統(tǒng)

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

①右操作手柄控制起升和行走，兩個動作可分別操作也可聯(lián)動操作。右操作臺面板有電動夾軌器啟動和停止按鈕、松閘指示、電控系統(tǒng)總接觸器合指示燈、起升和大車運行機構(gòu)運行及故障指示等。

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警指示、回轉(zhuǎn)手閘指示、回轉(zhuǎn)制動按鈕、系統(tǒng)急停等，整個系統(tǒng)采用西門子新型PLCS7-1500控制，具體見圖1所示。

圖1 MD600D高架門機電氣控制圖

3 PLC系統(tǒng)

3.1西門子新型S7-1500PLC

西門子公司提供了適合多種自動化需求的PLC產(chǎn)品。新一代的SIMATICPLC控制器包括基礎(chǔ)系列、高級系列、分布式系列和軟控制器系列，產(chǎn)品種類多、集成度高。SIMATICS7-1500控制器是SIMATICPLC產(chǎn)品家族的旗艦產(chǎn)品。它專門為中高端工廠自動化控制任務量身定制，適合較復雜的應用。目前SIMATIC S7-1500產(chǎn)品家族的CPU種類非常齊全，有6款標準型CPU，兩款分布式PLC以及兩款緊湊型CPU。本次高架門機改造采用的為標準型CPU 6ES7511-1KA01-0AB0，框架內(nèi)模塊離散I/O可達1024點。

3.2PLC硬件系統(tǒng)

如圖1所示，整個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，以實現(xiàn)整機各機構(gòu)的調(diào)速控制。同時各機構(gòu)的運行狀態(tài)及故障狀態(tài)通過開關(guān)量輸入及時反饋至PLC系統(tǒng)，由PLC系統(tǒng)傳到司機室觸摸屏人機界面上顯示。其中CPU為西門子新系列產(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接收風速儀和力矩限制器的開關(guān)量信號以及聯(lián)動臺的操作命令信號;數(shù)字量輸出模塊主要輸出報警和聯(lián)動臺指示信號，以便司機及時地掌握整機各機構(gòu)的工作狀態(tài)及故障信息，正確無誤地安全操作。所有信號經(jīng)PLC又可傳遞給司機室觸摸屏，以便司機隨時掌握整機的工作狀態(tài)，也為維修人員捕捉故障信息打下基礎(chǔ)。

3.3 軟件開發(fā)

3.3.1TIA博途軟件

由于本系統(tǒng)CPU采用了西門子最新產(chǎn)品S7-1500系列，因而該門機PLC需在TIA博途軟件環(huán)境下編程。西門子TIA博途軟件將全部自動化組態(tài)設計工具完美地整合在一個開發(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機上使用SIMATICS7-1500仿真器，實現(xiàn)在設計辦公室中對程序的測試，完成起動階段的準備工作。在使用S7-1500CPU之前，需要創(chuàng)建一個項目并添加S7-1500PLC站點，其中主要包括系統(tǒng)的硬件配置信息和控制設備的用戶程序，具體見圖2所示。

圖2 MD600D高架門機硬件配置圖

圖3 MD600D高架門機軟件開發(fā)圖

3.3.2PLC程序設計：

選用西門子公司的新型系列PLCS7-1500，系統(tǒng)送電后，首先檢查系統(tǒng)是否準備好（如安全裝置有無動作、操作手柄是否在零位等），然后由司機發(fā)出操作命令，PLC接收命令信號后，由PLC程序完成整個工藝控制過程，并輸出相應信號，通過安川公司變頻器CIMR完成各機構(gòu)的調(diào)速運行。具體流程如圖4所示。

圖4 流程圖

4 結(jié)束語

根據(jù)門機各機構(gòu)操作原理編制的程序，經(jīng)試驗可以發(fā)現(xiàn)：線路簡單，PLC系統(tǒng)調(diào)試方便，運行穩(wěn)定、可靠，并具有數(shù)據(jù)記憶功能，人機界面的加入又使整機電控系統(tǒng)的智能化程度提高。這些已被成功運用于新加坡MD600D高架門機的成功案例（見圖5），這將為國內(nèi)高架門機電控系統(tǒng)的改造起到拋磚引玉的作用。

圖5 新加坡MD600D門機