摘要：本文主要以津巴布韋卡里巴南岸水電站250t橋式起重機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)軟硬件的設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了橋機(jī)PROFIBUS-DP總線控制系統(tǒng)，從而簡(jiǎn)化整個(gè)電氣系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，為今后起重機(jī)械電氣技術(shù)的發(fā)展起到了拋磚引玉的作用。

1引言

津巴布韋卡里巴南岸水電站廠房?jī)?nèi)需設(shè)計(jì)制造兩臺(tái)250t/50t/10t單小車(chē)橋式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)橋機(jī)），主要用于廠房?jī)?nèi)水輪發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子及其它設(shè)備的安裝和檢修，水輪發(fā)電機(jī)組起吊最重部件為轉(zhuǎn)子帶起吊軸。轉(zhuǎn)子裝配（含起吊軸）重量約403.5t，需兩臺(tái)橋機(jī)進(jìn)行同步抬吊（見(jiàn)下圖1）。抬吊時(shí)，兩橋機(jī)起升及大小車(chē)均需保持同步，所以，系統(tǒng)控制比較復(fù)雜。為此，通過(guò)開(kāi)發(fā)橋機(jī)PROFIBUS-DP總線控制系統(tǒng)，可大大簡(jiǎn)化整個(gè)電氣系統(tǒng)的線路，從而保證其控制的精度及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖1250t/50t/10t橋式起重機(jī)抬吊三維圖

2電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

橋機(jī)的電氣系統(tǒng)采用了目前國(guó)際上先進(jìn)的“HMI+PLC+變頻器”三級(jí)控制方式，其中HMI（人機(jī)界面）主要便于司機(jī)及維修人員掌握整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，快速查詢?cè)O(shè)備故障，使整機(jī)具有良好的人機(jī)對(duì)話界面和高品質(zhì)的信息處理功能。而PLC作為橋機(jī)的整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)PLC來(lái)采集各種信號(hào)，運(yùn)用PLC內(nèi)部的虛擬觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)整機(jī)各機(jī)構(gòu)的時(shí)序邏輯控制，可大大減少電氣系統(tǒng)的硬件故障，提高了系統(tǒng)控制的可靠性。而變頻器實(shí)現(xiàn)了所有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)啟制動(dòng)的平穩(wěn)性，減少鋼結(jié)構(gòu)的沖擊。整個(gè)電氣系統(tǒng)（見(jiàn)下圖2所示）分為：供電系統(tǒng)、起升系統(tǒng)、小車(chē)系統(tǒng)、大車(chē)系統(tǒng)、通訊及照明系統(tǒng)等幾個(gè)部分。其中起升和大小車(chē)系統(tǒng)分別采用了安川變頻器H1000和A1000，并通過(guò)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線與西門(mén)子PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。

圖2橋機(jī)電氣系統(tǒng)圖

2.1供電系統(tǒng)

橋機(jī)供電采用安全滑觸線供電，電源為三相四線制交流380V，50Hz?？刂齐娫从煽刂谱儔浩鱐2提供AC220V的電源。小車(chē)饋電裝置采用電纜滑車(chē)?？傠娫丛O(shè)有主隔離刀開(kāi)關(guān)QS100，能切斷橋機(jī)的所有電源，為安全檢修提供了一個(gè)明顯的斷開(kāi)點(diǎn)，并設(shè)有斷路器QF100作短路保護(hù)，一般情況下QF100不動(dòng)作，由主接觸器KM10來(lái)開(kāi)合動(dòng)力回路。QF100中附有分勵(lì)脫扣線圈，由司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)上、電源控制柜上及遙控裝置上的急停按鈕來(lái)控制，只有在總接觸器因某種原因無(wú)法正常切斷電源回路的緊急情況下，才偶然使用一下分勵(lì)脫扣裝置。

2.2起升機(jī)構(gòu)

起升機(jī)構(gòu)由主起升和副起升兩套機(jī)構(gòu)組成，分別由一臺(tái)YZPFM315M2-8C，55kW和YZPFM315S2-8C，30kW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并分別采用具有矢量控制技術(shù)的安川H1000變頻器CIMR-HB4A0260和CIMR-HB4A0150調(diào)速，閉環(huán)控制。

主起升速度：

80t＜Q≤250t時(shí)0.1～1.0m/min

Q≤80t時(shí)0.1～3.5m/min

副起升速度：

15t＜Q≤50t時(shí)0.3～3.0m/min

Q≤15t時(shí)0.3～10m/min

主副起升均采用主令控制器控制，有擋位無(wú)級(jí)調(diào)速方式，每種工況上下各五擋，各擋對(duì)應(yīng)的速度均可在PLC內(nèi)任意設(shè)定。

2.3小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)

小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)由兩臺(tái)YZPFE132M-4，7.5kW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用具有矢量控制技術(shù)的安川A1000變頻器CIMR-AB4A0072傳動(dòng)，閉環(huán)控制。

運(yùn)行速度：0.3～20m/min，采用主令控制器控制，有擋位無(wú)級(jí)調(diào)速，速度分為前后各五擋，各擋對(duì)應(yīng)的速度均可在PLC內(nèi)任意設(shè)定。

2.4大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)

大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)由四臺(tái)YZPFE132M-4，7.5kW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用具有矢量控制技術(shù)的安川A1000變頻器CIMR-AB4A0165傳動(dòng)，閉環(huán)控制。

運(yùn)行速度：0.5～25m/min，采用主令控制器控制，有擋位無(wú)級(jí)調(diào)速，速度分為左右各五擋，各擋對(duì)應(yīng)的速度均可在PLC內(nèi)任意設(shè)定。

2.5通訊系統(tǒng)

2.5.1硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

PROFIBUS是由西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，主要用于過(guò)程的分布式控制。PROFIBUS家族包括PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS,其中PROFIBUS-DP使用了互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的第一層和第二層，這種精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)的高速傳輸，傳輸速率為9.6kbps~12Mbps，特別適合PLC與現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備之間的通訊。為此，本橋機(jī)采用了PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)控制方式，具體見(jiàn)圖3所示。整個(gè)PROFIBUS-DP通訊系統(tǒng)由一個(gè)主站七個(gè)從站組成，主站為機(jī)房PLC,采用了西門(mén)子S7-300PLC(CPU-2DP),自帶DP接口，它通過(guò)PROFIBUS-DP總線分別與主起升變頻器、副起升變頻器、小車(chē)變頻器、大車(chē)變頻器、小車(chē)位置檢測(cè)編碼器、起升位置檢測(cè)編碼器及司機(jī)室PLC7個(gè)從站相連接，其中主站PLC的CPU為6ES7315-2AH14-0AB0,變頻器通過(guò)內(nèi)置SI-P3接口卡接入PROFIBUS-DP通訊網(wǎng)絡(luò)，編碼器采用帶DP接口和協(xié)議的P+F產(chǎn)品PVM58,司機(jī)室PLC從站是通過(guò)ET200M通訊模塊接入DP總線。

圖3橋機(jī)PROFIBUS-DP硬件系統(tǒng)圖

2.5.2軟件設(shè)計(jì)

由于本橋機(jī)PLC系統(tǒng)采用了西門(mén)子S7-300,為此采用了編程軟件STEP7V5.5,在硬件組態(tài)前首先必須在安川公司(YASGAWA)的網(wǎng)站中下載文件名為YASKOACF．GSD文件，并在STEP7中安裝成功，同樣也需要安裝P+F編碼器PVM58的GSD文件。這樣安裝GSD文件后，在右邊的硬件目錄PROFIBUSDP—AdditionalFieldDevices—Drives—SI-P3PROFIBUS-DPINTERFACECARD和PROFIBUSDP—AdditionalFieldDevices—Encoders—PEPPERL+FUCHS—P+FEncoder，從而將安川變頻器和P+F編碼器接入了DP網(wǎng)絡(luò)，以此完成了橋機(jī)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的硬件組態(tài)，見(jiàn)下圖4所示：

圖4橋機(jī)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)硬件組態(tài)

安川變頻器DP通訊卡SI-P3常用三種輸入輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度Extendeddata1—32字節(jié)、Extendeddata2—12字節(jié)、Basicdata—6字節(jié)可供選擇，本次編程采用了Basicdata方式，將變頻器運(yùn)行的速度和電流通過(guò)DP總線及時(shí)地傳輸給機(jī)房主站PLC,主站PLC又通過(guò)總線傳給司機(jī)室PLC,司機(jī)室觸摸屏從司機(jī)室PLC取數(shù)據(jù)，從而能及時(shí)讀出各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，相反，司機(jī)室的操作命令通過(guò)總線讀到主站PLC,再由主站PLC將命令發(fā)送給各變頻器。具體見(jiàn)下圖5所示：

圖5主起升變頻器速度給定

3結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)工廠調(diào)試后，成功實(shí)現(xiàn)了橋機(jī)通訊系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，各機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定（見(jiàn)圖6），并很好地實(shí)現(xiàn)了并車(chē)抬吊的要求，各項(xiàng)指標(biāo)符合要求，深受用戶的好評(píng)。

圖6工廠調(diào)試