起重机自动化在垃圾发电厂中的应用
日期：2008-5-11 22:34:43 来源：《PLC&FA》
点击： 作者：未知
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1 引言
起重机是工矿、仓库、码头等部门常用的起重设备，在工业生产过程中有着重举足轻重的作用。随着工业自动化的发展，plc的高可靠性和变频器对电机控制的优越性日益体现，使得plc和变频器在工厂自动化和大型工业设备中的应用越来越广泛。本文结合工程实例，对变频器和plc在垃圾发电厂抓斗自动化控制系统中的应用做了详细的描述。
2 起重机工作特点及技术要求
2.1 起重机电控特点
该项目采用双梁抓斗桥吊，它由开闭机构、起升机构和大、小车运行机构等组成，使用六瓣双绳抓斗，主要担负垃圾焚烧车间焚烧炉进料斗的供料和坑内垃圾的搬运、搅拌、倒垛、堆放等任务。工作条件十分恶劣，为多粉尘、高温、高湿和高腐蚀性气体环境。由于是靠抓斗进行作业，属重负荷型，故其工作级别很高，各机构电机均为短时重复工作制。
一个抓垃圾的周期内工况有：抓斗抓垃圾、满斗提升、空斗提升、满斗下降、空斗下降、满斗平移、空斗平移、提升刹车、下降刹车、平移刹车等等。拖动力矩与负载力矩在四象限内变化，特别是满斗（空斗）下降时，电动机的力矩方向与负载重力方向相同，电动机处于被拖动的发电状态。
2.2 起重机电控技术要求
2.2.1变频器技术要求
（1）起动力矩大，特别是悬空起动不能有溜沟；
（2）要实现软启动，但加/减速时间不能太长，2～3秒，否则将影响工作效率；
（3）能经受频繁起动的过电流及负荷冲击，长期工作无跳闸。垃圾池上方同一轨道上一共并排安装三台起重机，采用两用一备工作方式，防止因其中一台出现故障不能工作而降低整体生产效率。垃圾池一侧设四台垃圾焚烧炉，由两台同时工作的起重机给四台焚烧炉供料。
2.2.2 电气系统的要求
（1）采用变频调速和plc控制，对抓斗实现半自动化操控。
（2）为降低制造成本，根据两用一备工作特点，采用两套变频传动系统通过切换方式驱动三台起重机。
（3）为减少对电气系统元器件的腐蚀，电控柜不设在吊车上，而是安放在中央控制室，采用封闭式控制室操作台集中控制。
（4）采用无线遥感式自动称量系统，称重传感器设在起升机构上，数显仪表放置在控制室内，称重能自动计量并逐日累计。
3 系统组成
抓斗式起重机控制系统主要由触摸屏系统、plc系统和变频调速系统等组成，系统原理框图如下图1所示。
图1 系统原理框图
3.1 电气传动
起升机构和开闭机构均选用鼠笼型异步变频专用电动机，采用变频调速，变频器选用施耐德altivar 71系列，该变频器在其内部设置了机械抱闸逻辑顺序控制功能，能实现上升和下降起动的平稳过度。速度通过主令控制器开关量给定方式控制，起升和开闭均为3个档位，分别对应15、25、35hz频率给定，通过现场调试速度快慢比较合适。
大、小车运行机构是实现抓斗坐标式半自动化定位，完成物料水平位移的重要机构，为提高生产率，本机运行机构取的速度很高，半自动操作时，存在抓斗高速平移与快速精确定位的矛盾，为较好解决这一问题，并减少抓斗在卸料口的摆晃。大、小车运行机构同样采用变频调速，变频器选用施耐德altivar 31系列，通过主令控制器模拟量给定方式控制，对应0～50hz频率给定，实现无级变速。当大小车在稳定区段运行时，采用高速（频率40～50hz）,当抓斗接近卸料点或取料点时，大小车减速运行（10～15 hz）直至在指定点停车，可以很方便的实现零速刹车技术，减少抓斗在停车时的摆晃。
3.2 抓斗坐标式半自动化水平定位
根据技术要求，抓斗坐标式半自动化水平定位过程如下：当人工操控抓斗抓取垃圾并处于闭合状态后，选择半自动运行模式，吊车自动横向纵向运行到指定的垃圾焚烧炉进料斗上方，然后自动打开抓斗卸料，之后再自动横向纵向运行返回原取料点（附近），等待下一循环。
为实现上述功能，本机在大车端梁外侧和小车架外侧各装有两个定位开关，开关为超声波式（不推荐红外光电式，因其易受环境污染影响效能）。在沿大车运行方向和小车运行方向分别在大车承载梁和吊车主梁上按一定距离设置若干反射板，这样便把吊车下方的矩形空间划分成若干个小矩形，即坐标空间或划格空间。
抓斗对格区和焚烧炉进料斗的寻找是通过plc软件实现的，采用顺序查表技术，即把各点脉冲的发生顺序事先列入表中（软件）。当大小车运行时，根据实际采样的脉冲数列和大小车运行方向及起点位置信号，由plc程序进行顺序判别并跟脉冲发生顺序表进行比较，即可得出当前抓斗所在位置。
3.3 抓斗起升高度自动控制
在半自动运行方式下，为使抓斗自动达到卸料高度（非极限高度）和抓料深度，并在水平位移时不遇到障碍，本机起升高度限位开关必须选用具有3点以上位置输出的机械凸轮控制开关，将各对应起升高度点信号送至plc，当抓斗抓取物料结束按半自动模式驶向指定卸料点时，plc控制抓斗同时上升直至卸料高度，当抓斗卸空返回原取料格区时，经一段延时后plc控制抓斗同时下降，当抓斗下降到已接触垃圾并失重时（失重信号由称量系统提供），plc控制抓斗停止下降。
机械凸轮控制开关的另两个高度信号分别用作上、下极限限位。为更准确探测垃圾高度，在每个抓斗上安装了一个超声波测距仪，超声波测距仪采用德国倍加福产品，探测距离12米，可根据距离长短输出4～20ma电流信号。plc通过接收到电流信号的大小，进行高度判断，准确率相当高。
3.4 plc系统及分布式i/o
由于电控柜不设在起重机上，而起重机上却有众多的开关量信号、模拟量信号及液压系统的阀控信号需要plc处理，为解决信号长距离传输过程中的衰减问题，提高系统的抗干扰能力和工作可靠性，减少电控柜与起重机之间的电缆数量，系统采用simatic s7-300 plc和et200m分布式i/o技术。
s7-300 plc系统由s7-300主站、工业现场总线profibus-dp和et200m分布式i/o（从站）组成， 主站设在控制柜里，et200m从站设在起重机上，二者之间通过一根屏蔽双绞线建立通讯联系。
s7-300主站是profibus-dp网上最高级自动化装置，负责网上所有设备的管理和实时控制。s7-300主站由电源模块ps307、cpu模块315-2dp、数字量输入模块sm321、数字量输出模块sm322、模拟量输入模块sm331、模拟量输出模块sm332组成，cpu执行用户程序，接受操作台的命令及各机构应答信号，是整个系统的实时控制中心，模拟量输入模块用于接受操作台主令开关的模拟信号和采样变频器的实际值，模拟量输出模块用以提供altivar 71变频器的主给定值，连接图如下图2所示。
图2 plc系统连接图
et200m从站由电源模块ps307、通讯模块im153、数字量输入模块sm321、数字量输出模块sm322等组成，受主站cpu指挥，用以采样和处理各机构定位开关、限位开关及液压系统电磁阀的控制信号。
et200m从站及外围扩展继电器等元件安装在起重机上一个具有足够散热空间的密闭的控制箱内，进出电缆均经过专用电缆接头，从而有效防止了腐蚀性气体对et200m从站及周边元器件的侵蚀。
3.5 操作台与人机界面hmi
系统采用操作台集中控制，操作台上设有人机界面hmi、联动主令开关、称量显示仪表和若干控制按钮指示灯。为适应大小车无级变频调速，大小车主令开关采用模拟量输出，起升主令开关则采用前后各三档开关量输出。
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起重机是工矿、仓库、码头等部门常用的起重设备，在工业生产过程中有着重举足轻重的作用。随着工业自动化的发展，plc的高可靠性和变频器对电机控制的优越性日益体现，使得plc和变频器在工厂自动化和大型工业设备中的应用越来越广泛。本文结合工程实例，对变频器和plc在垃圾发电厂抓斗自动化控制系统中的应用做了详细的描述。
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2 起重机工作特点及技术要求
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2.1 起重机电控特点
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该项目采用双梁抓斗桥吊，它由开闭机构、起升机构和大、小车运行机构等组成，使用六瓣双绳抓斗，主要担负垃圾焚烧车间焚烧炉进料斗的供料和坑内垃圾的搬运、搅拌、倒垛、堆放等任务。工作条件十分恶劣，为多粉尘、高温、高湿和高腐蚀性气体环境。由于是靠抓斗进行作业，属重负荷型，故其工作级别很高，各机构电机均为短时重复工作制。
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一个抓垃圾的周期内工况有：抓斗抓垃圾、满斗提升、空斗提升、满斗下降、空斗下降、满斗平移、空斗平移、提升刹车、下降刹车、平移刹车等等。拖动力矩与负载力矩在四象限内变化，特别是满斗（空斗）下降时，电动机的力矩方向与负载重力方向相同，电动机处于被拖动的发电状态。
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2.2 起重机电控技术要求
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2.2.1变频器技术要求
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（1）起动力矩大，特别是悬空起动不能有溜沟；
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（2）要实现软启动，但加/减速时间不能太长，2～3秒，否则将影响工作效率；
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（3）能经受频繁起动的过电流及负荷冲击，长期工作无跳闸。垃圾池上方同一轨道上一共并排安装三台起重机，采用两用一备工作方式，防止因其中一台出现故障不能工作而降低整体生产效率。垃圾池一侧设四台垃圾焚烧炉，由两台同时工作的起重机给四台焚烧炉供料。
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2.2.2 电气系统的要求
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（1）采用变频调速和plc控制，对抓斗实现半自动化操控。
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（3）为减少对电气系统元器件的腐蚀，电控柜不设在吊车上，而是安放在中央控制室，采用封闭式控制室操作台集中控制。
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（4）采用无线遥感式自动称量系统，称重传感器设在起升机构上，数显仪表放置在控制室内，称重能自动计量并逐日累计。
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3 系统组成
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抓斗式起重机控制系统主要由触摸屏系统、plc系统和变频调速系统等组成，系统原理框图如下图1所示。
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图1 系统原理框图
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3.1 电气传动
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起升机构和开闭机构均选用鼠笼型异步变频专用电动机，采用变频调速，变频器选用施耐德altivar 71系列，该变频器在其内部设置了机械抱闸逻辑顺序控制功能，能实现上升和下降起动的平稳过度。速度通过主令控制器开关量给定方式控制，起升和开闭均为3个档位，分别对应15、25、35hz频率给定，通过现场调试速度快慢比较合适。
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大、小车运行机构是实现抓斗坐标式半自动化定位，完成物料水平位移的重要机构，为提高生产率，本机运行机构取的速度很高，半自动操作时，存在抓斗高速平移与快速精确定位的矛盾，为较好解决这一问题，并减少抓斗在卸料口的摆晃。大、小车运行机构同样采用变频调速，变频器选用施耐德altivar 31系列，通过主令控制器模拟量给定方式控制，对应0～50hz频率给定，实现无级变速。当大小车在稳定区段运行时，采用高速（频率40～50hz）,当抓斗接近卸料点或取料点时，大小车减速运行（10～15 hz）直至在指定点停车，可以很方便的实现零速刹车技术，减少抓斗在停车时的摆晃。
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3.2 抓斗坐标式半自动化水平定位
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为实现上述功能，本机在大车端梁外侧和小车架外侧各装有两个定位开关，开关为超声波式（不推荐红外光电式，因其易受环境污染影响效能）。在沿大车运行方向和小车运行方向分别在大车承载梁和吊车主梁上按一定距离设置若干反射板，这样便把吊车下方的矩形空间划分成若干个小矩形，即坐标空间或划格空间。
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抓斗对格区和焚烧炉进料斗的寻找是通过plc软件实现的，采用顺序查表技术，即把各点脉冲的发生顺序事先列入表中（软件）。当大小车运行时，根据实际采样的脉冲数列和大小车运行方向及起点位置信号，由plc程序进行顺序判别并跟脉冲发生顺序表进行比较，即可得出当前抓斗所在位置。
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3.3 抓斗起升高度自动控制
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在半自动运行方式下，为使抓斗自动达到卸料高度（非极限高度）和抓料深度，并在水平位移时不遇到障碍，本机起升高度限位开关必须选用具有3点以上位置输出的机械凸轮控制开关，将各对应起升高度点信号送至plc，当抓斗抓取物料结束按半自动模式驶向指定卸料点时，plc控制抓斗同时上升直至卸料高度，当抓斗卸空返回原取料格区时，经一段延时后plc控制抓斗同时下降，当抓斗下降到已接触垃圾并失重时（失重信号由称量系统提供），plc控制抓斗停止下降。
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3.4 plc系统及分布式i/o
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由于电控柜不设在起重机上，而起重机上却有众多的开关量信号、模拟量信号及液压系统的阀控信号需要plc处理，为解决信号长距离传输过程中的衰减问题，提高系统的抗干扰能力和工作可靠性，减少电控柜与起重机之间的电缆数量，系统采用simatic s7-300 plc和et200m分布式i/o技术。
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s7-300 plc系统由s7-300主站、工业现场总线profibus-dp和et200m分布式i/o（从站）组成， 主站设在控制柜里，et200m从站设在起重机上，二者之间通过一根屏蔽双绞线建立通讯联系。
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s7-300主站是profibus-dp网上最高级自动化装置，负责网上所有设备的管理和实时控制。s7-300主站由电源模块ps307、cpu模块315-2dp、数字量输入模块sm321、数字量输出模块sm322、模拟量输入模块sm331、模拟量输出模块sm332组成，cpu执行用户程序，接受操作台的命令及各机构应答信号，是整个系统的实时控制中心，模拟量输入模块用于接受操作台主令开关的模拟信号和采样变频器的实际值，模拟量输出模块用以提供altivar 71变频器的主给定值，连接图如下图2所示。
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图2 plc系统连接图
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et200m从站由电源模块ps307、通讯模块im153、数字量输入模块sm321、数字量输出模块sm322等组成，受主站cpu指挥，用以采样和处理各机构定位开关、限位开关及液压系统电磁阀的控制信号。
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et200m从站及外围扩展继电器等元件安装在起重机上一个具有足够散热空间的密闭的控制箱内，进出电缆均经过专用电缆接头，从而有效防止了腐蚀性气体对et200m从站及周边元器件的侵蚀。
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3.5 操作台与人机界面hmi
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系统采用操作台集中控制，操作台上设有人机界面hmi、联动主令开关、称量显示仪表和若干控制按钮指示灯。为适应大小车无级变频调速，大小车主令开关采用模拟量输出，起升主令开关则采用前后各三档开关量输出。
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