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基于PROFIBUS-DP总线控制的桥式起重机电气系统的研制

供稿:中国工控网 2016/3/18 14:56:46

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  • 关键词: PROFIBUS-DP总线控制 PROFIBUS-DP 总线控制 桥式起重机
  • 摘要:本文主要以津巴布韦卡里巴南岸水电站250t桥式起重机为研究对象,通过软硬件的设计,开发了桥机PROFIBUS-DP总线控制系统,从而简化整个电气系统,提高了系统运行的可靠性,为今后起重机械电气技术的发展起到了抛砖引玉的作用。

津巴布韦卡里巴南岸水电站厂房内需设计制造两台250t/50t/10t单小车桥式起重机(以下简称桥机),主要用于厂房内水轮发电机定转子及其它设备的安装和检修,水轮发电机组起吊最重部件为转子带起吊轴。转子装配(含起吊轴)重量约403.5t,需两台桥机进行同步抬吊(见下图1)。抬吊时,两桥机起升及大小车均需保持同步,所以,系统控制比较复杂。为此,通过开发桥机PROFIBUS-DP总线控制系统,可大大简化整个电气系统的线路,从而保证其控制的精度及系统运行的稳定性。

图1250t/50t/10t桥式起重机抬吊三维图


一、电气系统的设计

桥机的电气系统采用了目前国际上先进的“HMI+PLC+变频器”三级控制方式,其中HMI(人机界面)主要便于司机及维修人员掌握整机运行状态,快速查询设备故障,使整机具有良好的人机对话界面和高品质的信息处理功能。而PLC作为桥机的整个控制系统的核心,通过PLC来采集各种信号,运用PLC内部的虚拟触点来实现整机各机构的时序逻辑控制,可大大减少电气系统的硬件故障,提高了系统控制的可靠性。而变频器实现了所有传动机构启制动的平稳性,减少钢结构的冲击。整个电气系统(见下图2所示)分为:供电系统、起升系统、小车系统、大车系统、通讯及照明系统等几个部分。其中起升和大小车系统分别采用了安川变频器H1000和A1000,并通过PROFIBUS-DP现场总线与西门子PLC实现数据通讯。

图2桥机电气系统图

1.1 供电系统

桥机供电采用安全滑触线供电,电源为三相四线制交流380V,50Hz。控制电源由控制变压器T2提供AC220V的电源。小车馈电装置采用电缆滑车。总电源设有主隔离刀开关QS100,能切断桥机的所有电源,为安全检修提供了一个明显的断开点,并设有断路器QF100作短路保护,一般情况下QF100不动作,由主接触器KM10来开合动力回路。QF100中附有分励脱扣线圈,由司机室联动台上、电源控制柜上及遥控装置上的急停按钮来控制,只有在总接触器因某种原因无法正常切断电源回路的紧急情况下,才偶然使用一下分励脱扣装置。

1.2 起升机构

起升机构由主起升和副起升两套机构组成,分别由一台YZPFM315M2-8C,55kW和YZPFM315S2-8C,30kW变频电机驱动,并分别采用具有矢量控制技术的安川H1000变频器CIMR-HB4A0260和CIMR-HB4A0150调速,闭环控制。

主起升速度:

80t<Q≤250t时0.1~1.0m/min

Q≤80t时0.1~3.5m/min

副起升速度:

15t<Q≤50t时0.3~3.0m/min

Q≤15t时0.3~10m/min

主副起升均采用主令控制器控制,有挡位无级调速方式,每种工况上下各五挡,各挡对应的速度均可在PLC内任意设定。

1.3小车运行机构

小车运行机构由两台YZPFE132M-4,7.5kW变频电机驱动,采用具有矢量控制技术的安川A1000变频器CIMR-AB4A0072传动,闭环控制。

运行速度:0.3~20m/min,采用主令控制器控制,有挡位无级调速,速度分为前后各五挡,各挡对应的速度均可在PLC内任意设定。

1.4大车运行机构

大车运行机构由四台YZPFE132M-4,7.5kW变频电机驱动,采用具有矢量控制技术的安川A1000变频器CIMR-AB4A0165传动,闭环控制。

运行速度:0.5~25m/min,采用主令控制器控制,有挡位无级调速,速度分为左右各五挡,各挡对应的速度均可在PLC内任意设定。

1.5通讯系统

1.5.1硬件系统的设计

PROFIBUS是由西门子公司开发的一个工业控制系统的现场总线标准,主要用于过程的分布式控制。PROFIBUS家族包括PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS,其中PROFIBUS-DP使用了互联网络的第一层和第二层,这种精简的结构保证了数据的高速传输,传输速率为9.6kbps~12Mbps,特别适合PLC与现场I/O设备之间的通讯。为此,本桥机采用了PROFIBUS-DP网络控制方式,具体见图3所示。整个PROFIBUS-DP通讯系统由一个主站七个从站组成,主站为机房PLC,采用了西门子S7-300PLC(CPU-2DP),自带DP接口,它通过PROFIBUS-DP总线分别与主起升变频器、副起升变频器、小车变频器、大车变频器、小车位置检测编码器、起升位置检测编码器及司机室PLC7个从站相连接,其中主站PLC的CPU为6ES7315-2AH14-0AB0,变频器通过内置SI-P3接口卡接入PROFIBUS-DP通讯网络,编码器采用带DP接口和协议的P+F产品PVM58,司机室PLC从站是通过ET200M通讯模块接入DP总线。

图3 桥机PROFIBUS-DP硬件系统图

1.5.2软件设计

由于本桥机PLC系统采用了西门子S7-300,为此采用了编程软件STEP7V5.5,在硬件组态前首先必须在安川公司(YASGAWA)的网站中下载文件名为YASKOACF.GSD文件,并在STEP7中安装成功,同样也需要安装P+F编码器PVM58的GSD文件。这样安装GSD文件后,在右边的硬件目录PROFIBUSDP—AdditionalFieldDevices—Drives—SI-P3PROFIBUS-DPINTERFACECARD和PROFIBUSDP—AdditionalFieldDevices—Encoders—PEPPERL+FUCHS—P+FEncoder,从而将安川变频器和P+F编码器接入了DP网络,以此完成了桥机PROFIBUS-DP网络的硬件组态,见下图4所示:

图4 桥机PROFIBUS-DP网络硬件组态

安川变频器DP通讯卡SI-P3常用三种输入输出数据长度Extendeddata1—32字节、Extendeddata2—12字节、Basicdata—6字节可供选择,本次编程采用了Basicdata方式,将变频器运行的速度和电流通过DP总线及时地传输给机房主站PLC,主站PLC又通过总线传给司机室PLC,司机室触摸屏从司机室PLC取数据,从而能及时读出各机构的运行数据,相反,司机室的操作命令通过总线读到主站PLC,再由主站PLC将命令发送给各变频器。具体见下图5所示:

图5 主起升变频器速度给定


二、结束语

该系统经过工厂调试后,成功实现了桥机通讯系统的数据交换,各机构运行稳定(见图6),并很好地实现了并车抬吊的要求,各项指标符合要求,深受用户的好评。

图6工厂调试

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