PLC 变频调速在调度绞车控制系统中的应用

刘艳 杨洁 刘鄂生

1 概述

装车楼生产线是一种重要的港口装卸设备，在沿海各大型港口的煤炭、矿石和其他散装物料输送码头中均有广泛应用，目前国内外仅有少数的专业厂家能够成套生产供货。过去，由于种种历史原因，装车楼生产线的列车调度作业大多仍采用了以铁路机车牵引或以传统的继电逻辑式电路组合加常规电气控制的调度设备，其对车皮的撞击较大，事故隐患多、工人劳动强度大、设备营运成本较高且难以满足装车楼生产线安全稳定运行的工艺需要。应用户要求，我厂在秦皇岛港某装车楼生产线中，首次开发并调试投运了一套采用S7-300系列的PLC加6SE70工程型变频器组成程控系统的调度绞车设备。

2 设计要点

2.1 控制系统技术要求

根据调度绞车的工作原理，归纳其控制要求是:1)推送空、重车速度为:0.15 m/s～0.25 m/s;为了防止装车楼移动车斗在升起和落下时与被装车皮之间产生撞击、设备受损，同时又保证装车效率，要求速度自动调节;2)空列的返牵读牌速度为0.5 m/s;3)拖动电机为大功率交流变频电机;4)控制方式分为:就地手动、集中手动、自动、调试四种，全部由PLC程控系统实现;5)为了安全可靠地运行，装车楼的PLC与本系统的PLC之间要求具备严格的电气联锁保护以及设备自身某些环节的保护联锁;6)为了抑制变频调速系统存在的电网高次谐波干扰，PLC程控采用了模拟量接口的光电隔离，开关量接口则要求采用以继电器隔离加滤波电容抗干扰等技术;7)本系统PLC与上位机PLC之间具备PROFIBUS通信协议的接口，实现数据交换及管理;8)运行过程的声光提示与故障报警;9)非正常状态下的程序复位等。

2.2 设计选型

根据以上要求，我们调速系统选用西门子公司6SE70变频器:具有较大的调速范围，良好的低频启动特性，额定电压以下全范围恒转矩输出，矢量控制模式下稳定的静态特性和动态特性，完整快速的故障诊断，保护和报警功能、低噪声驱动及方便灵活的参数自整定，完备的制动功能等等。设计中，变频器的基本负载电流必须满足不小于实际负载电流的要求，变频器的过载能力为:当过载时间不大于60 s时，过载倍数为1.36倍;当过载时间不大于30 s时，过载倍数为1.6倍，电机额定最小电流不得小于变频器的1/6，并要求在调试中对电机进行参数辨识，模型优化。参照选型样本，选取制动单元及制动电阻。如采用国产电阻降低成本，根据工程经验，对于平移往返的负载，制动功率P制动=1/3－1/2的负载功率P负载，考虑有特殊工况，制动功率略大一点，式中参数见文献［2］。

PLC则选择了西门子S7-300系列作为程控系统的主机，该系列PLC是一种多功能模块化可编程控制器，适应性广，便于扩展，应用灵活。设计中经过对I/O接点的估算，各模块的功耗，内存容量的规划，其主要组件是:中央微处理器模块CPU315-2DP;数字量输入模块16×24VDC;数字量输出模块16×230VAC;PLC电源模块PS307 10 A;高速计数器模块FM350-1等。考虑到与用户上位机S7-400H系列及带有组态软件RSVIEW(Rockwell公司产品)系统的通信，我们选用了带有PROFIBUS通讯接口的CPU315-2DP模块，配备带有终端电阻的PROFIBUS90°接头，采用DP协议实现装车楼PLC之间的数据通信，通信数据格式为二进制(非ASCII码)。

2.3 PLC程控设计

本系统采用STEP7编程软件进行编程和硬件组态，以FM350高速记数单元加光电编码器作行程位置辅助检测，同时在推车和返回的终点与极限位置增加无触点接近开关和光电开关作双重保护，以防止调度绞车设备越限或误操作。组态时需先行安装由西门子公司提供的FM350编程软件，在编写主控软件DB1时，将FC1，FC2，UDT1等功能块拷贝到BLOCK程序块下并插入DB1数据块，再插入其他子程序功能块等。系统通过检测风机、制动器、变频器输出的工作状态信号和各接近开关、光电开关以及高速记数单元所反映的工况信息，进行数据实时处理，同时对调度绞车进行正常联锁启停和速度调节，变频器的电流和频率等信号实时反馈到上位机PLC和本系统PLC中，当发生过流、过热或设备越限等故障时，能自动停车，并发出声光报警信号，供操作和维修人员分析判断。本系统使用灵活，用户程序设计了多种控制方式，如解除联锁的调试方式和正常联锁下的就地手动方式，设置了硬电位器和软电位器两种速度给定形式，其中软电位器只需按住一个按钮即可连续进行速度调节，可靠性较高。当设备到达终点位置时，联锁信号限制该方向的运行，指示灯闪烁，要复位必须使用双按钮操作才能解除限制，此措施能防止误操作，保证设备的安全运行。同时本系统还可组态通过PROFIBUS协议上传数据，具体细节可参见文献［4］的相关内容。

3 调试

3.1 变频调速器设置

包含了受控电机的基本参数以及变频器开关量、模拟量输入、输出选择与控制功能的基本设定等。西门子6SE70系列变频器是一种功能比较强大，编程十分灵活的智能化调速设备，可根据不同的工艺要求，设置不同的参数，实现不同的控制功能;另外变频器参数与系统PLC程序和硬件必须密切配合，才能实现不同工况下的速度和方向控制。参数设定的原理详见参考文献［2］［5］及西门子公司的相关技术资料。

3.2 系统调试

1 )调度绞车PLC与装车楼PLC的综合信号调试:开关量联锁信号和模拟量调速及电流，频率反馈信号，直接关系到调度绞车与装车楼料斗设备之间的安全稳定运行，必须一一进行测试，确保可靠。2)系统调试:信号测试完成后，将所有开关量，模拟量连接起来，进行系统调试，即对各联锁条件逐一试验，使之动作准确，响应快捷，达到设计要求。然后是带空载负荷及重载负荷试验，均一次性通过;重载调试仅出现的一个问题，即:装车时偶尔有速度跳变的现象，使得调度绞车与装车楼的料斗间的协调配合带来安全隐患，我们及时分析原因，查明是给定信号受现场高次谐波干扰所致，遂决定采用抗干扰和速度限幅措施，由我厂技术人员现场解决了速度跳变问题。

4 结语

通过PLC及变频器组成的装车楼调度绞车程控系统的设计及调试完成，实现了装车楼生产线调车作业的空载高速牵返读牌和重载装车调速过程的全自动运行，实现了港口物料输送过程——装车楼生产线调车作业的自动控制，满足了装车楼生产线安全稳定运行的工艺需要。同时减小了对车皮的撞击，降低了工人劳动强度，也降低了设备营运成本及维护成本。

［1］ 刘 锴，周 海.深入浅出西门子S7-300PLC［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004.

［2］ 西门子电气传动有限公司.6SE70变频调速器使用大全［Z］.2001.

［3］ 刘鄂生.PLC可编程控制系统在翻车机成套设备上的应用［J］.华中电力，2000(5)：49-51.

［4］ 崔 坚，李 佳.西门子公司工业网络通信指南［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［5］ 韩安荣.通用变频器及其应用［M］.北京：机械工业出版社，2001.

［6］ 西门子电气传动有限公司.FM350-1b Function Module manual［Z］.2003.