基于 M340 和 Kingview 的 双小车桥机智能控制系统的设计

文: 水利部杭州机械设计研究所 龚平2024年第二期

  1引言

  为满足水电站厂房内安装和检修大型水轮机组的需要,国内外同行提出了设计双小车桥式起重机的思路。平时轻载起吊时采用单小车运行方式,在安装或检修水轮机组定、转子(重载)时采用双小车的运行方式。这样就能起到了节能降耗的目的。但目前传统的双小车桥机控制系统普遍存在着空中起吊重物时“溜钩”,两小车抬吊时同步性差,为控制两吊点高差(≤10mm)操作困难,人机对话品质达不到要求等问题。由此可见,双小车桥机的设计(见图1),虽然很好地解决了桥机资源浪费问题,但目前重点需要解决的是其电控系统的自动化和智能化问题,以保证桥机起吊时不出现“溜钩”现象,在抬吊水轮机组定转子时,两小车起升机构和小车运行机构能同步起制动,运行时,能根据两吊点高度差自动纠偏,始终保持高度一致(高度差≤10mm)。为解决以上难题,通过秘鲁圣加旺Ⅲ水电站125t+125t/18m桥式起重机项目展开智能控制系统的设计。

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图 1 双小车桥机总体布置图

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  2 硬件设计

  2.1 电气传动系统

  为实现大吨位起吊,开发如图1所示的双小车桥式起重机,其电气系统如图2所示主要包括供电系统、起升系统、小车运行系统、大车运行系统等,其中供电系统采用滑触线供电。起升系统包括1#小车起升机构和2#小车起升机构,两机构完全一样,分别由一台QABP315L8A,90KW变频电机驱动, 实现1:20调速比(50t 0.3~3m/min; Q≤50t时:0.6~6m/min)。小车系统包括1#小车运行机构和2#小车运行机构,两机构完全一样,每个机构均由两台三合一100LA/4 2.2KW变频电机驱动,实现1:10调速比(1.2~12m/min)。为实现起升和小车运行机构的调速比,两机构均选用ABB公司DTC控制的ACS880变频器驱动。


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如图2所示,司机室设置了联动台,其中右联动台设置了起升和大车运行操作主令控制器,左联动台设置小车运行操作主令控制器,各五挡。同时设置了操作对象选择转换开关:1#小车、2#小车、并车运行。所有操作信号均输入PLC,而PLC输出信号控制联动台上的各机构运行和故障指示灯。

  2.2 PLC(M340)

  双小车桥机电气控制系统采用施耐德M340系列PLC,具体硬件配置如图3所示。整个PLC控制系统由CPU模块BMX P34 2020、三个数字量输入模块BMX DDI3202K、一个数字量输入模块BMX DDI1602、两个数字量输出模块BMX DDO3202K、一个模拟量输入模块BMX AMI0410和编码器接口SSI模块BMX EAE 0300组成。其中CPU为中央处理器,处理各种信息。数字量输入主要用来接收各机构运行和故障状态开关量信号以及遥控器的操作命令信号;数字量输出主要输出各机构控制命令,以完成各机构正确地启动、运行、制动。起升机构使用SSI绝对值编码器德国库伯勒Sendix M5863,可将吊点高度数据传入PLC中。

  2.3 人机界面

  为实时监视桥机运行和故障状态,使整机具有良好的人机对话和高品质的信息处理功能,本桥机采用研华工控机TPC-1551T(在司机室),与PLC集成以太网 Modbus/TCP 网络通讯接口相连,将桥机的操作、运行和故障等信号通过图形、曲线展示出来。

  3 软件设计

  3.1 传动控制(Unity Pro XL软件)

  为实现桥机的智能化控制,本系统采用了施耐德M340系列PLC产品,并在Unity Pro XL软件环境下编程。 编程软件Unity Pro XL 是基于Windows 环境下运行的,能对各系统PLC进行控制算法和逻辑组态的软件。根据双小车桥机的运行与控制要求,按照以下步骤进行了程序的开发:

  (1)建立项目,按照图3,配置机架、输入输出模块等 。

  (2)根据双小车桥机操作运行工况,编制控制系统流程图(见图4),利用编程软件Unity Pro XL开发设计了起升1、起升2、小车1、小车2及大车程序段,创建的程序段及起升梯形图如图5、图6所示。通过开发控制系统PLC程序,实现一人操作1#小车、2#小车、并车运行,同时确保并车抬吊时两起升吊点高度始终保持一致(两吊点高度差≤10mm),从而解决操作复杂、抬吊同步性差和起升溜钩的难题。

  ①为实现一人操作1#小车、2#小车、并车运行,解决双小车司机操作复杂的难题, 在联动台上设置了操作对象选择转换开关: 1#小车、2#小车、并车运行。这样如需操作1#小车/2#小车起升或运行机构时,就将开关选至1#小车/2#小车,抬吊时,只要将转换开关选择至并车运行。 操作信号输入PLC后,通过PLC的控制程序,输出信号给变频器,从而实现桥机1#小车、2#小车、并车运行工况。

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图 8 起升机构监控图

  ② 起升机构采用主令控制器控制时,上升、下降各五挡。并车运行前,两小车通过机械拉杆装置进行刚性连接,以保证两小车运行的速度同步;在起升卷筒高度限制器的轴上装上一个高分辩率绝对编码器,进行高度位置检测,其信号输入PLC系统。并车时,以1#小车为基准,2#小车起升高度位置信号分别与1#小车进行比较,当高度差信号≥10mm时,对其速度进行微调,实现高度位置随动,以达到并车抬吊时两起升吊点高度始终保持一致。

  ③ 空中起吊重物时,由于电机转矩的建立需要一定的时间,当电机输出转矩低于负载转矩松闸时,就会产生重物下滑的现象,由此出现“溜钩”现象,产生安全隐患。为此,开发防溜钩控制程序,操作启动起升运行时,先通过变频器读取电机电流,并转换成电机转矩模拟量信号(0~10V)输入给PLC,通过开发PLC防溜钩控制程序,实现电机转矩增至100%额定转矩时,输出松闸信号,打开抱闸,避免了“溜钩”现象的产生。

  3.2 人机界面系统设计(Kingview软件)

  桥机电气控制系统人机界面采用研华工控机,并用Kingview组态软件来编程,组态软件是一种面向工业自动化的通用数据采集和监控软件。组态软件与PLC通讯协议采用modbus TCP 协议, Kingview组态软件由工程浏览器(TouchExplorer)、工程管理器(Proj-Manager) 和画面运行系统(TouchVew)三大部分组成。通过建立新工程项目、制作图形画面、定义变量、建立动画连接、命令语言编程和程序运行,完成图7和图8的监控画面。不仅能显示整机状态、操作记录,起吊重量和吊点高度实时曲线,而且能故障查询,并获得历史操作及历史趋势等信息,实现高品质的人机对话和信息处理功能。

  4 结束语

  开发的桥机控制系统应用于秘鲁圣加旺Ⅲ水电站125t+125t/18m桥式起重机中,该系统经现场调试与测试:双小车抬吊时最大高差为7mm,空中起吊不“溜钩”,各机构运行平稳、定位准确,并具有数据记忆功能,工控机的监控又使整机电控系统的智能化程度进一步提高。桥机智能控制系统的成功研发与应用,将为起重机械行业的智能化技术研发发挥抛砖引玉的作用。

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