青岛港道轨式集装箱门式起重机电气控制系统研究及分析

       1本机用于水运所试验基地堆场上的集装箱装卸作业试验，采用双主梁、双悬臂、带斜拉杆的桥架结构，主结构为整体双对称形式。桥架跨中可堆码8列集装箱，并留有1列拖挂车通道；两侧悬臂可通过2列拖挂车。集装箱吊具可越过4层箱垛并堆装第5层集装箱（箱高9英尺6英寸）。

　　满载吊具升降速度：25m/min空载吊具升降速度：50m/min满载吊钩横梁升降速度：16m/min小车速度：120m/min模拟岸边集装箱起重机、集装箱门式起重机装卸作业工艺，开展单机性能试验及作业效率研究；集装箱机械的技术性能及参数的检测试验；电气驱动和控制性能试验和检测；集装箱吊具作业技术及工作性能试验；集装箱装卸机械操作人员操作技术的模拟培训。

　　2电气系统原理与组成本机电气系统的主要组成部分有：安川变频器（VS-616G5型）、通用电气可编程控制器（GE-9d3Q）、研祥工换机，上位监控软件iFix2.6以及Digital公司的GP触摸屏。整个系统分三个层次：执行层、控制层、监视层。

　　本机由司机室操作台集中对起升机构、小车运行机构、大车运行机构、顶规器、集装箱吊具伸缩、转锁、导板等进行操作控制。根据作业工况的要求，起升机构和小车运行机构、小车运行机构和大车运行机构可以同时运行。

　　2.1执行层执行层：主要由变频器实现对电机速度的调节与控制。

　　辅助动力，照明起升机构采用一台变频电机驱动，电机功率为200KW，转速为980/1960ipm，额定电流为370A，起升变频器选用616G5A4330，额定输出电流为605A，带PG-B2卡，选用闭环矢童控制模式，速度控制范围是1：1000.系统具有足够的调速硬度和良好的低能转矩特性，在Hz电机能以150%额定转矩输出，50Hz以下实现恒转矩调速，50Hz以上实现恒功率调速。

　　起升机构属于位势负荷，即负荷力矩的方向始终一致，因此驱动器除提供满足负荷上升和下降的方向运行力矩外，在制动器打开时，以及在整个减速停车过程中，都要提供足以维持负荷重量的力矩。在每一次起动时（不论上升还是下降），变频器根据对电动机的自适应检测出所必须提供的力矩，提供出一个状态化适当的电流给电动机，如果变频器读到反馈的电流，则制动器释放、打开；如果变频器读不到反馈电流，则认为力矩检测失败，并提供有关的信息显不。

　　低速制动是所有调速机构的共同特点。实际速度的反馈是通过旋转编码器将速度反馈至变频器，变频器将速度的转换值用通信的形式传递至PLC，然后控制制动器的动作，在速度减至接近于零时，发出制动指令，保证了机构在篼速运行及制动过程中的平稳，没有任何冲击负荷的效应。

　　恒功率调速是起升机构进行篼效节能、广泛应用的控制方式，即在重载时，保持在电动机基速以下的最大恒转矩运行；而在轻载或空载时，利用电动机高速低转矩输出的特性，根据负荷大小所应提供的转矩弱磁提高转速，保持功率恒定，以提高起重机的使用效率。该起重机的最高转速是基速的两倍，即频率输出为（KlOOHz.负荷的检测是根据提供电流的大小，通过数据通信由变频器传至PLC，然后经过计算比较得出向变频器发出的速度给定指令。

　　大车运行机构采用四台变频电机驱动，功率4X11KW，转速为970rpm，额定电流为104A，与起升机构共用一台变频器，采用不带速度反馈的矢童控制方式，即开环矢量控制方式，其速度控制范围为1：100，1Hz时启动转矩达150%.小车运行机构采用两台变频电机驱动，功率为2X37KW，转速为1500ipm，额定电流为140A，变频器选用616G5A4100，带PG-B2卡，选用闭环V/f控制方式。其速度控制范围为1：100，1Hz时启动力矩可达150%.吊具系统采用一台吊具栗驱动，主要动作有吊具伸出、吊具缩回、旋锁打开、旋锁闭合；吊具泵启动后，根据操作信号，开闭相应的电磁阀。

　　2.2控制层控制层由PLC及工业控制网络组成，通过PLC程序实现系统的安全保护和运行控制。

　　电气室工控机司机室触摸屏PLC系统主要由电源模块、CPU模块、Genius通讯模块、ProfiBus通讯模块、高速计数模块、A0模块、DI/DO模块、远程模块组成。按所处位置分为本地站、操作台、大车箱、吊具箱、变频器等五部分。

　　CPU模块负责PLC系统本身的自动管理、输入采集、程序处理、输出刷新。

　　Genius模块通过屏蔽电缆与远程站的FieldControlUnit模块相连完成Genius通讯，通讯波特率为153.6Kb/s（各远程站中配有FieldControlUnit模块，负责所在远程站各模块的地址配置二信号定义、与主站的通讯）。

　　Profibus模块通过屏蔽电缆与变频器SI-P卡相连完成PLC与变频器之间的通讯，变频器的所有数据，包括各项指令信息、状态信息等，都可以通过数据通信网络进行传递。

　　该起重机的每一台变频器上都配备有SIP+，负责与PLC的通讯、变频器站号通过SI-P卡上的两个开关设定。两者的通讯需要安川变频器的GSD文件引导，该文件的配置在PLC的硬件配置文件中设定。

　　高速计数模块与脉冲发生器相连，采集各电机的实时速度。

　　AI/AO/DI/DO模块是各现场电气元件与CPU之间联系的桥梁，AI/DI用于接收和采集外设输入信号并将其转化成CPU能接受和处理的数据。AO/DO模块将CPU的输出控制信息转换成外设所需要的控制信号去驱动执行机构。

　　PLC通过CPU364上的以太网口与工控机相连，采用TCP/IP通讯协议与上位监控软件进行数据交换。通过电源模块上的串口与司机室触摸屏相连，采用SNP协议将数据传给触摸屏监控软件。

　　2.3监视层电气室装有工控机和iFk图形控制软件，实时动态显示起重机各运行机构的运行状态，并实时显示电机速度、起重量等参数；司机室放置GP2301工业触摸屏，实时显示各电气元部件状态。

　　为了方便用户对设备的使用、维修和管理，该起重机具有完善的上位监控系统和故障报警显示器。监控系统的硬件就是一台上位计算机，通过以太网卡与PLC进行数据通信；其软件平台为iFix2.6人机界面软件。起重机调试界面如所示。

　　该起重机的主要作业机构为起升、小车和大车机构，而起升和小车构成的立体作业运行过程为监控系统提供了一个很好的二维动态显示画面。该监控系统可以动态模拟起重机的作业状况，包括起升、小车机构运行的动画模拟。其中起升和小车的移动位置和速度是根据PLC所提供的计算位置和速度而得到的，并伴有数值显示。

　　起重机在运行过程中可能发生的故障，都可由上位系统进行监视、存储及打印。当某一故障发生时，进入警报记录看器，即可看到历史上所发生的故障、警报的内容和时间、日期。

　　起重机的调试或维护工程师，都希望能在设备运行过程中，对各机构的转速、电流、力矩等参数进行实时状态监视。而监控系统具有这种以曲线形式反映在坐标轴上的示波器功能，坐标轴的横坐标为时间，纵坐标为参数值，曲线可以根据参数类型进行放大、缩小，其扫描速度可以加快、减慢或停止，并可锁定。此外，各个机构的速度设定、转速、电流、力矩等参数曲线可以任意单独切换或同时选择。

　　监控系统各类故障表、变频器参数表、曲线图等均可通过打印机打印出来。

　　3结束语闭环控制的速度反馈采用增童式脉冲编码器，系统具有足够的调速硬度和良好的低频转矩特性，能避免低频时满负荷工况下发生带不动负载的现象。

　　轨道式集装箱门式起重机应用变频调速系统，可以实现整机迅速准确的移动和定位，运行平稳。起升机构具有良好的低速性能，实现零速抱闸，全速受控，减少制动器闭合时昀振动及制动片磨损。利用恒功率功能，实现提篼生产效率，节约能源的目的。

　　变频器设有输出滤波器，有较好的输出波形补偿，从而减少了由于输出线较长而造成的传输损耗。

　　控制层采用PLC使控制系统具备快速、准确、可靠的性能，并节约了大量中间继电器。