顏 劍

（湖北漢江王甫洲水力發(fā)電有限責(zé)任公司，湖北老河口 441800）

PLC變頻控制技術(shù)在雙向門機電氣改造中的應(yīng)用

顏 劍

（湖北漢江王甫洲水力發(fā)電有限責(zé)任公司，湖北老河口 441800）

以王甫洲2×800 kN/100 kN雙向門機電氣改造為例，介紹機電氣系統(tǒng)改造工程中電氣原理，變頻控制技術(shù)，PLC控制技術(shù)，以及Modbus通信在實際工程中的應(yīng)用。

Modbus；變頻器；PLC；觸摸屏

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.38

0 引言

隨著信息化和科學(xué)技術(shù)的日新月異，國內(nèi)外起重設(shè)備已全面采用工業(yè)變頻、PLC等自動化和智能化技術(shù)和裝備，PLC+變頻調(diào)速近幾年已經(jīng)成為起重設(shè)備的主流電控配置解決方案。該系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快，安裝調(diào)試方便，安全保護完善，操作控制簡便等一系列傳統(tǒng)起重機控制技術(shù)所不能比擬的優(yōu)勢。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、云計算等概念和技術(shù)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，更加實用穩(wěn)定和超前的機電設(shè)備控制技術(shù)為成熟應(yīng)用在門式起重設(shè)備上提供了可靠平臺。

1 系統(tǒng)概述

漢江王甫洲水利樞紐工程泄水閘2×800 kN/100 kN雙向門機是20世紀90年代末設(shè)計制造安裝的，電氣控制設(shè)計采用的是較為落后的串級調(diào)速驅(qū)動方案，常規(guī)繼電器控制方式。經(jīng)過近20 a的運行，內(nèi)部原件已老化，門機安全系數(shù)降低，工作效率低，維護檢修成本高。

門機主要由起升機構(gòu)、大車和小車運行機構(gòu)、液壓抓梁機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)等組成。其中起升機構(gòu)考慮到機械設(shè)計，電機安裝形式等現(xiàn)場實際因素，未采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，仍采用串電阻調(diào)速方式。大車機構(gòu)、小車機構(gòu)與回轉(zhuǎn)機構(gòu)分別采用施耐德公司的ATV系列變頻器進行調(diào)速控制。

門機的邏輯控制系統(tǒng)由一套施耐德公司的M340系列PLC構(gòu)成，通過采集主令開關(guān)及控制按鈕發(fā)出的啟動、運行、停止、多段速等命令并與當(dāng)前門機狀態(tài)進行邏輯判斷，控制輸出繼電器動作，達到控制門機運行的目的，然后通過以太網(wǎng)將PLC內(nèi)部控制信號發(fā)送至設(shè)在司機室內(nèi)的觸摸屏上，以方便操作人員操作監(jiān)視和維修。PLC系統(tǒng)配置如圖1所示。

門機的起升機構(gòu)設(shè)有機械式旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)與絕對值編碼器兩套保護系統(tǒng)。絕對值編碼器可實時監(jiān)測起升機構(gòu)的高度將其對應(yīng)的脈沖數(shù)送入設(shè)在司機室內(nèi)的綜合儀表上，到達設(shè)置的上下限位時會自動切斷對應(yīng)的上升或下降控制回路，使起升機構(gòu)停止運行。機械式旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)安裝在卷筒的末端，當(dāng)運行至上下極限位置時，起升機構(gòu)的升降動作將可以自動停止，確保安全。荷重檢測裝置設(shè)置在鋼絲繩上部，通過電流信號送入綜合儀表內(nèi)。當(dāng)起吊重量達到90%額定負荷時，綜合儀表發(fā)出預(yù)警，提醒操作人員注意；當(dāng)起吊重量達到110%時，綜合儀表發(fā)出報警，并切斷上升控制回路停止上升，此時下降不受影響，重物可以下降。

圖1 PLC系統(tǒng)配置

2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的核心由一套施耐德公司的M340系列PLC構(gòu)成，負責(zé)整個門機電控系統(tǒng)的信息收集，交換，處理和輸出，保障設(shè)備的控制邏輯正確，技術(shù)性能達到使用運行要求。主要包括起升邏輯控制，大車邏輯控制，小車邏輯控制，回轉(zhuǎn)邏輯控制，液壓抓梁機構(gòu)的邏輯控制，安全保護控制，通信設(shè)備及輔助設(shè)備的控制。通過ModbusRtu工業(yè)現(xiàn)場總線在控制設(shè)備與顯示設(shè)備之間傳送信號，進行信息交換，共同構(gòu)成自動化控制系統(tǒng)。Modbus通信規(guī)約是由施耐德公司所屬的品牌Modicon于1979年創(chuàng)立，是世界上第一個真正運用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。它是一種應(yīng)用于電子控制器上的通用語言?，F(xiàn)在已成為全球通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了此標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家生產(chǎn)的控制設(shè)備能夠連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進行集中控制。本規(guī)約定義了一個控制器能識別使用的消息結(jié)構(gòu)，而不論它們是經(jīng)由何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。通過本規(guī)約，控制器之間、控制器經(jīng)由以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間能夠相互通信。它描述了控制器請求訪問其他設(shè)備的過程，和如何響應(yīng)來自其他設(shè)備的請求，以及如何檢測錯誤并記錄。它為消息域、模式和內(nèi)容創(chuàng)建了通用的公共格式。

Modbus協(xié)議具有以下特點：

（1）標(biāo)準(zhǔn)和開放，不會侵犯知識產(chǎn)權(quán)，沒有使用許可費。用戶能自由、安全地使用Modbus協(xié)議。目前，已有400多家廠商支持Modbus，超過600多種產(chǎn)品支持Modbus;

（2）Modbus支持RS485，RS232等多種電氣接口，也可用雙絞線、光纖、無線等各種介質(zhì)，適合各種介質(zhì)間的數(shù)據(jù)傳輸;

（3）Modbus還具有簡單緊湊的幀格式，易于理解、使用、開發(fā)。

PLC系統(tǒng)的CPU采用BMXP34 2020型，該CPU內(nèi)置以太網(wǎng)口，Modbus，TCP/IP，該 CPU 具有 8 個特點。

（1）結(jié)構(gòu)緊湊精巧；

（2）高可靠性，提供各類主流認證及帶防腐涂層模塊；

（3）金屬機架綜合性能優(yōu)良，高速通訊的總線和I/O并行的總線，能夠確?？焖俜€(wěn)定的傳輸數(shù)據(jù)；

（4）每毫秒可以處理7000條指令，數(shù)據(jù)處理能力非常強大；

（5）內(nèi)存容量大，無需備份電池，存儲卡“即插即載”；

（6）具有豐富的專家功能，如位置控制、回路控制、計數(shù)等；

（7）所有模塊便于維護，支持熱插拔等功能；

（8）支持中文名和中文變量名，基于Unity Pro軟件平臺。

Unitypro軟件內(nèi)PLC系統(tǒng)配置如圖2所示。

圖2 Unitypro軟件內(nèi)PLC系統(tǒng)配置

各機構(gòu)操作由位于司機室的聯(lián)動控制臺上的主令手柄、旋鈕開關(guān)、按鈕等給定，信號傳到PLC，PLC收到聯(lián)動控制臺的給定信號后，經(jīng)程序處理后將其轉(zhuǎn)換為對傳動裝置的控制指令，轉(zhuǎn)換主令手柄的檔位，即可改變變頻器的輸出頻率，各機構(gòu)的運行速度也相應(yīng)改變。

3 傳動調(diào)速裝置

除起升機構(gòu)外，門機采用施耐德ATV71和ATV312系列的變頻器。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能強大、性能穩(wěn)定、安全可靠等優(yōu)點。該設(shè)備本身具有自整定功能和參數(shù)設(shè)置單元，無需附加設(shè)備即可完成參數(shù)的設(shè)置。所有控制、調(diào)整、監(jiān)控、制動器控制和附加功能由變頻器內(nèi)的微處理器在轉(zhuǎn)換器中實現(xiàn)。該系統(tǒng)具有零速滿轉(zhuǎn)矩功能，在PLC收到變頻器啟動信號后，控制制動器開啟，電機根據(jù)預(yù)置加速度運行到給定的速度，然后是恒速運行。

變頻調(diào)速控制變頻電機通過“交流直流-交流”的控制方式，實現(xiàn)速度控制和轉(zhuǎn)矩控制。它的特點是啟動和停止平穩(wěn)，對電機和機械系統(tǒng)的沖擊影響較小，并具有良好的速度平滑性。變頻器外接制動斬波電阻。停車時，制動電阻用于消耗重物的勢能，實現(xiàn)安全穩(wěn)定停車，并保護變頻器和控制電路。

4 HMI與信息管理

Human Machine Interface的縮寫就是HMI，意為人機界面，即“人機接口”。人機界面又稱使用者界面或者用戶界面，是系統(tǒng)與用戶之間信息交互的媒介，在人機信息交互領(lǐng)域，都存在有人機界面，它實現(xiàn)了信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。

硬件和軟件兩部分組成人機界面產(chǎn)品，硬件部分包括中央處理器、顯示單元、輸入單元、通信接口、數(shù)據(jù)存儲單元，HMI產(chǎn)品的性能由處理器性能決定，這是HMI的核心要素。根據(jù)HMI的產(chǎn)品級別，處理器可以分別選擇8、16位、32位處理器。HMI的軟件一般為兩部分，即在HMI硬件中運行的系統(tǒng)軟件和在PC Windows操作系統(tǒng)下運行的圖像配置組態(tài)軟件。用戶必須先使用HMI圖像配置組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過PC和HMI產(chǎn)品串口通信端口，將準(zhǔn)備好的“工程文件”下載到HMI處理器運行。在這個項目中，使用的是施耐德公司的HMIGXU5512觸摸屏。本項目的觸摸屏部分畫面如圖3所示。

圖3 觸摸屏主起升界面

觸摸屏還可以完成一些功能設(shè)置，如荷重設(shè)置、高度設(shè)置等，用于顯示門機起升機構(gòu)起重量、起升高度、大車的運行距離、具體位置、各主要機構(gòu)的傳動裝置狀態(tài)、故障指示等。針對一般故障，門機駕駛員可按照觸摸屏上的提示做相應(yīng)的操作即可使設(shè)備恢復(fù)正常工作狀態(tài)，如果遇到駕駛員不能解決的故障，維修人員可以根據(jù)觸摸屏的提示快速找到故障點，以此決定檢修維護方案，修復(fù)或替換故障原器件，使設(shè)備恢復(fù)正常操作。

門機主司機室內(nèi)另設(shè)置一套視頻監(jiān)控系統(tǒng)。在門機的4個門腿和起升吊點附近設(shè)置高清攝像頭，通過網(wǎng)線接入司機室的監(jiān)控屏幕上，使操作人員在司機室內(nèi)就可以很方便的監(jiān)視門機軌道、吊點的情況，保證門機運行的安全。

5 結(jié)語

經(jīng)過電氣改造后，門機采用目前國內(nèi)外先進的電氣控制系統(tǒng)，具有更好的安全防護和故障自動監(jiān)測診斷能力，用直觀的圖文信息顯示門機狀態(tài)，方便實時監(jiān)控門機的運行情況。不需要投入太多的改造經(jīng)費，設(shè)備在性能可靠、操作簡單、維護方便的前提下便具有了更高的綜合性能，使王甫洲水利樞紐在電氣控制、維護、操作、檢修等各方面具備了更高的技術(shù)水平和設(shè)備管理水平。

TM91.5

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〔編輯 李 波〕