卸船机PLC控制系统的升级改造及应用

林健伟

(广东省粤电集团有限公司珠海发电厂，广东 珠海 519050)

1 概述

某电厂卸船机原有控制系统由一套西门子公司生产的大型可编程逻辑控制器(PLC)S5-155U构成。CPU采用CPU948，主机架包括2个IM308C Profibus主站的通讯卡，分别连接3个直流驱动器、4个变频器，以及11个远程IO站ET200U。该系统共有900路数字量输入、450路数字量输出、4路模拟量输入。经过十多年的运行，该系统发生故障的频率增大，并且由于西门子公司已推出了新一代控制系统，S5系统的备件价格逐渐升高，供货周期延长，部分模块现已停产不再供货，无法满足电厂PLC控制系统维护的要求。为节省长期投资，电厂对卸船机PLC控制系统进行了升级改造。

2 PLC控制系统升级改造方案

卸船机PLC控制系统升级改造的方案为：用西门子S7-400系统代替原S5-155U系统；用ET200M代替原ET200U；人机操作采用西门子最新一代的监控系统WinCC，其基于Windows XP操作系统，可显示图形和中文，通过动画显示工艺流程、储存和打印工艺参数，实现配方管理等多种功能；CPU采用CPU414-2DP，该CPU运算速度可达到0.1 ms/1000条指令，内存为1.4 M，集中控制最大可接16 K数字通道或8 K模拟通道，从程序容量和速度上都大于原有的CPU948，完全可以达到原有系统的功能指标；输入输出模块全部采用光电隔离类型的模板，以保证系统的可靠运行；上位机和S7-400系统之间通过以太网模块进行通讯，最高速率可达100 Mb/s，能够满足系统运行的需求，上位机可以通过以太网交换机与电厂生产管理系统交换数据。

由于大部分的S5系统可通过西门子公司提供的SIMATIC S5系统到S7系统的转换程序进行转换，降低了系统升级改造的风险，保证了控制工艺的稳定，减少了停机调试的时间。

3 改造后PLC控制系统的设置

卸船机PLC控制系统主要包括驱动和控制2个部分。驱动部分包括直流调速及交流变频器；控制部分包括主控制器CPU414-2DP、以太网通讯模块CP443-1等，改造后控制系统采用基于Profibus-DP的网络结构，网上共挂了24个ET200M从站，共包含984/316个DI/DO，24个PIW输入模拟量。

卸船机PLC控制系统的核心是驱动部分，驱动部分主要依据各机构带动负载在额定抓料能力(包括各机构转筒的折算速度，物料的额定抓取重量)运行时所需的转矩及电流的大小来进行选型。为了满足系统的节能要求，改造后系统采用2台可以实现能量回馈的整流回馈单元RRU(射频拉远单元)，配置成12脉动主从方式给交流母排提供能量。RRU回路通过由电动机弹簧储能的负荷开关连接到400 V低压配电回路上；起升、开闭、小车、悬臂等机构由西门子6se80系列逆变器采用无级变频调速，所有逆变器均由公共直流母排供电。

为了满足客户线路维护方便、通讯速度高及可靠性高的要求，改造后系统采用了基于Profibus-DP网络的PLC分布式控制方式，采用了西门子S7-400系列PLC CPU414-2DP，通过Profibus-DP网络与分布式站点ET200M实现通讯，DP网络总线的波特率设置为1.5 Mb/s。电气房的所有ET200M站通过Profibus连接到CPU,驾驶室的ET200M站通过光电模块(olm)以及光缆连接到电气房olm，然后再连接到CPU。直流交流驱动器通过Profibus通讯板，再由Profibus通讯电缆连接到PLC。PLC除了通过数据总线向驱动机构传输计算好的速度给定值、控制字外，还要接收各机构的状态字。

4 改造后PLC控制系统主要功能的实现

卸船机有起升、开闭、小车、悬臂、大车、驾驶室及给料机等主要机构。由于此次主要对PLC控制系统及直流系统进行了升级改造，下面重点介绍起升、开闭机构的驳接功能实现情况。

抓斗起升和开闭机构的机械结构一样，各由1个直流电机驱动，直流电机由数字式整流器6RA80驱动。起升、开闭机构的速度检测及位置丈量可通过安装在电机非输出轴的脉冲编码器来实现。脉冲编码器将测得的速度值连接到驱动器作为速度闭环控制的速度反馈，并实时监控起升、开闭机构的位置及高度位置。实现主要的运行指标为：加速时间0～100 %为2.5 s，减速时间100 %～0为2.5 s，减速区及点动区速度都为最大速度的10 %，上升最大速度为2.4 m/s，下降最大速度为2.5 m/s。

4.1 抓斗循环动作状态

当抓斗没有张开或闭合动作时，抓斗上升或下降的过程中，起升和开闭机构以同样的速度上升或下降。当抓斗在上升过程中张开时，起升机构运行在100 %的弱磁速度而开闭机构运行在额定速度；当抓斗在下降过程中张开时，开闭机构运行在100 %的弱磁速度而起升机构运行在额定速度。当抓斗在闭合过程中，将起升机构运行在不同于开闭机构的速度，即可实现起升钢丝绳的松绳功能。

4.2 停车

卸船机停车流故障分为以下4种：

(1) 一级故障：电动机切断，使能也切断，没有延时；

(2) 二级故障：快停止，不用复位，速度在最短时间内降到0；

(3) 三级故障：减速停止，如电机过热；

(4) 四级故障：报警，这种情况不停止。

在正常停车过程中，电机首先是电气减速，当其速度约降到最大速度的3 %时，PLC断开刹车的接触器进行刹车；刹车之后，变频器经过2.5 s的延时后停止工作。在起升、开闭机构电机的后输出端各装有1个离心式超速开关，用于起升、开闭机构的超速保护，当检测到起升或开闭机构超速时急停，PLC将封闭刹车硬件回路自锁，负荷自动开关跳闸，必须复位后方能恢复正常操作。

4.3 操纵模式选择

操纵模式分为手动、点动、自动。手动、自动模式可以从驾驶室右操纵台的操纵手柄进行操纵，可以前后左右推动操纵手柄来生成起升或开闭机构的速度限制值和速度方向，并通过ET200M传输至PLC。在抓斗运行过程中，起升、开闭机构的速度由PLC内部的PID位置控制器根据初始位置和目的位置来计算，其值在经操纵手柄产生的速度限制后送进驱动装置。点动模式从机房就地操纵面板操纵，就地操纵时首先从就地操纵站启动卸船机，将选择开关打至本地，就能操纵起升或开闭机构；在同一模式下运行速度为最大速度的10 %，由PLC将速度值送往驱动装置。当抓斗调整钢丝绳或更换钢丝绳时，可以使用就地操纵；当选择点动操纵时，所有的手动和自动操纵被封闭。

5 改造后PLC控制系统的监控

为了实时直观地了解PLC控制系统的状态，卸船机配置了上位机监控系统，电气室及驾驶室均配有监控设备，PLC通过CP443-1以太网模块与它们通讯。卸船机及驾驶室监控系统采用先进的WinCC及WinCC flexible组态软件，除了可以方便地组态变量与PLC通讯来监控卸船机状态、反映具体的故障信息外,还可以将重要的运行数据进行存档，作为以后系统优化的依据。

操作员站作为监视、控制、维护和事故处理的HMI(人机界面)。在驾驶室的HMI操作面板上，可调出系统中任意一个信息画面进行集中监视和控制。操作人员、维护人员和系统工程师在相应的操作站上根据口令等级进行常规控制、复杂控制、系统维护、控制环节的建立和扩充。

该监控系统总貌画面可提供PLC控制系统总貌的平面布置图，反映系统总体的工艺流程和平面布置，同时还提供画面进入功能，允许用户通过鼠标点击对应流程进入相应的工段流程画面。

(1) 操作菜单画面：系统主要的操作画面除了可以通过按钮和切换键来切换外，还提供主要画面的菜单切换功能，用户可以通过键盘的菜单选择来进行画面切换。

(2) 用户流程图画面：提供主要工段的生产流程画面，在该画面中显示主要的工艺参数、设备状态等，并可进行关键位置的集中操作。通过该画面，可以进入各工段单点设备的运行显示画面，进行局部位置的监视和操作。

(3) 趋势显示画面：提供主要监控参数的趋势显示，包括实时趋势显示和历史趋势显示。趋势显示内容可以动态调整，包括显示上下限、颜色、时间段等，并可以查询任意时间点的数据。

(4) 测点一览画面：以表格的形式显示系统所有输入、输出点的当前信息，包括模拟量输入、输出和开关量输入、输出。

(5) 参数成组显示画面：将相关参数组态成一幅画面，进行实时参数的动态显示，便于对设备的集中监控和对比。

(6) 报警查询画面：提供对报警信息的查询，查询内容包括报警发生时间、发生时的状态等。

(7) 单点信息显示画面：将关键点的趋势、状态、当前信息等集中在一幅画面中显示。

(8) 分组控制操作画面：操作员通过将系统划分为若干个控制组进行控制，以此来实现对系统的操作。可提供给操作员对某台设备或某组设备的集中控制画面，便于他们对系统各部分的操作。

(9) 操作员功能维护画面：主要是操作权限管理画面，不同的操作员有不同的操作权限，只有具有相应的权限才能进行相关操作。

(10) 打印功能：提供了定时打印、事故打印和随机打印等方式，操作员可以根据系统管理的需要方便地使用。

6 改造后PLC控制系统的优点

(1) 西门子公司至少能提供S7控制系统20年的产品供应期，可满足系统维护的长期需求；且备件价格不足S5系统的50 %，降低了维护成本。

(2) 替换下来的S5系统模块可以作为其他卸船机的备件，降低了整体的备件费用。

(3) 卸船机控制程序更加优化、运行更加安全稳定，提高了检修人员用程序查找故障的效率。

(4) 采用WinCC图形监控系统便于对设备的操作和运行状态的记录和管理，且监控界面布局合理、直观、明了，方便了运行人员的操作及监视，为电厂建设高效的现代化港口奠定了技术基础。