新一代西門子起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)

1、.：.；新一代西門子起重機(jī)電氣控制系統(tǒng) 陳憶文19-男，湖南湘潭人，學(xué)士學(xué)位，電氣工程師，現(xiàn)就職于西門子工廠自動(dòng)化工程上海分公司起重機(jī)部門，從事電氣設(shè)計(jì)與調(diào)試任務(wù)。摘要：西門子在起重機(jī)的開(kāi)展中逐漸構(gòu)成了對(duì)起重機(jī)電氣控制的一整套處理方案，本文引見(jiàn)新一代的西門子起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)及其在橋吊中的的運(yùn)用。關(guān)鍵詞：SIMOCRANE；橋吊；主從控制；起升系統(tǒng)；行走系統(tǒng)；軸；工藝Abstract:Duringtheprogressofcranesdevelopment,Siemensmakesaseriessolutiontoimproveitscapability.Thispaperintroduces

2、anewelectricalcontrolsystemofcranedesignedbySiemensanditsapplicationforSTS.Keywords:SIMOCARNE;STS;Master-slavecontrol;Hoistingsystem;Movingsystem;Axes;Technology1概述 在經(jīng)濟(jì)全球一體化的時(shí)代，在消費(fèi)規(guī)模不斷擴(kuò)展的時(shí)代，在物資轉(zhuǎn)運(yùn)越來(lái)越頻繁的時(shí)代，起重機(jī)發(fā)揚(yáng)著越來(lái)越重要的作用，對(duì)起重機(jī)的性能也提出了越來(lái)越高的要求。在起重機(jī)的開(kāi)展歷程中，西門子不斷是起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的引領(lǐng)者和行業(yè)規(guī)范的制定者。隨著對(duì)起重機(jī)系統(tǒng)性能要求日益提高，西門子開(kāi)發(fā)

3、了一套全新的起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)SIMOCRANE。該系統(tǒng)沿襲了以往控制系統(tǒng)業(yè)已成熟的構(gòu)造方式，主要由供電系統(tǒng)、起升系統(tǒng)、行走系統(tǒng)小車機(jī)構(gòu)，大車機(jī)構(gòu)等組成,但電氣控制系統(tǒng)發(fā)生了較大的改良，由PLC+SIMOTION+drive控制方式替代了原來(lái)的PLC+drive控制方式，SIMOTION可以直接控制驅(qū)動(dòng)器，且控制速度比PLC快了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這使得驅(qū)動(dòng)器可以更快速地跟蹤控制命令，控制器也可以更實(shí)時(shí)地監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)形狀。西門子還開(kāi)發(fā)了與該系統(tǒng)配套的輔助系統(tǒng)，可以無(wú)縫集成在主系統(tǒng)中，比如運(yùn)用在橋吊和卸船機(jī)中的防搖系統(tǒng)。 本文以西門子在上海振華港機(jī)Antwerp工程港口起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)為例引見(jiàn)新系統(tǒng)

4、的構(gòu)成以及在STS中的運(yùn)用。2系統(tǒng)構(gòu)成2.1硬件構(gòu)成 系統(tǒng)主要由PLC、SIMOTIOND、CF卡、SINAMICS、ET200、DP通訊線路等構(gòu)成。由于對(duì)驅(qū)動(dòng)器的控制部分功能轉(zhuǎn)移到了SIMOTIOND，對(duì)PLC的要求大大降低。SIMOTION根本上處置了與驅(qū)動(dòng)器有關(guān)的一切功能，PLC主要處置外圍設(shè)備的功能和起重機(jī)的整體運(yùn)轉(zhuǎn)。PLC與SIMOTIOND之間經(jīng)過(guò)DP通訊交換信息，而SIMOTION與SINAMICS或者集成在一同，或者經(jīng)過(guò)SIMOTION整合的內(nèi)部通訊系統(tǒng)DRIVE-CLiQ交換信息。PLC與驅(qū)動(dòng)器SINAMICS之間不再直接交換信息，而是經(jīng)過(guò)SIMOTIOND進(jìn)展。圖1為Ant

5、werp工程STS硬件組態(tài)圖，主系統(tǒng)運(yùn)用了1個(gè)CPU319F，變頻器的直流供電模塊ALM站號(hào)40和SIMOTIOND435站號(hào)44，45以及其它一些外圍設(shè)備經(jīng)過(guò)PROFIBUS總線掛接。 SIMOTIND系統(tǒng)的組態(tài)如圖2所示，集成了一個(gè)SINAMICS_Integrated再掛接了兩個(gè)SIMOTION_CX32驅(qū)動(dòng)控制器。掛接驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量根據(jù)起重機(jī)的需求而定。在Antwerp工程中運(yùn)用了8個(gè)驅(qū)動(dòng)器，因此運(yùn)用了三臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制器。 CF卡中包含了固件版本信息和起重機(jī)公用功能以及其它相關(guān)功能的授權(quán)： SIMOTIONMultiAxes適用于運(yùn)動(dòng)控制； SIMOTIONIT適用于網(wǎng)絡(luò)效力器的遠(yuǎn)程診斷和起

6、重機(jī)公用功能；SIMOTIONCraneBasicTechnology(用于“craneDCC-Library中的功能)。 SIMOCRANE系統(tǒng)只需在安裝這些授權(quán)的情況下才干正常運(yùn)轉(zhuǎn)。.2軟件構(gòu)成 PLC和SIMOTIOND中都已采用構(gòu)造化程序方式，不同的機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)各個(gè)程序塊。用戶可按照本人的需求和習(xí)慣來(lái)編寫PLC中的程序，并經(jīng)過(guò)程序與SIMOTION交換數(shù)據(jù)，從而到達(dá)向SIMOTION的下達(dá)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)作命令和速度設(shè)定值信息，并從SIMOTION獲得驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)信息。 圖1STS硬件組態(tài)圖圖2SIMOTIOND系統(tǒng)組態(tài)圖 SIMOTIOND把起重機(jī)的控制劃分成幾個(gè)子部分，每一個(gè)部分擔(dān)任起重機(jī)的一個(gè)

7、機(jī)構(gòu)。各個(gè)機(jī)構(gòu)分別是：起升機(jī)構(gòu)(Hoist)，小車(CrossTravel，大車(LongTravel)，俯仰機(jī)構(gòu)(Boom)，支撐/開(kāi)閉機(jī)構(gòu)(HoldingandClosingGear)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(SlewingGear)。各個(gè)機(jī)構(gòu)程序的主要功能表達(dá)在二個(gè)函數(shù)庫(kù)中：CraneDCC-Library(與驅(qū)動(dòng)相關(guān))和CraneFB-Library(與流程控制相關(guān))。根據(jù)不同用途的起重機(jī)組合運(yùn)用各個(gè)機(jī)構(gòu)，比如STS中就運(yùn)用了起升、小車、大車、俯仰四個(gè)機(jī)構(gòu)，而RMG軌道吊中只須運(yùn)用起升、小車、大車三個(gè)機(jī)構(gòu)。 各個(gè)機(jī)構(gòu)的程序構(gòu)造根本如下：由三個(gè)函數(shù)組成，一個(gè)函數(shù)進(jìn)展PLC與SIMOTIOND之間的信息

8、交換，一個(gè)函數(shù)進(jìn)展SIMOTION與SINAMICS之間的信息交換，還有一個(gè)函數(shù)進(jìn)展信息處置。3硬件系統(tǒng)組態(tài)3.1PLC的組態(tài) 在硬件組態(tài)視窗中選擇一個(gè)需求的PLCCPU模塊，例如Antwerp工程選擇CPU319F模塊，插入相應(yīng)的I/O模塊，然后構(gòu)建一個(gè)由PROFIBUS總線組成的系統(tǒng)，再把需求運(yùn)用的外部設(shè)備及其I/O模塊掛接在總線上，將SIMOTIOND及其組件組態(tài)為一個(gè)DP智能從站。圖3所示為Antwerp工程硬件組態(tài)，從中可以看到，這個(gè)系統(tǒng)除CPU及其包括擴(kuò)展的I/O模塊ET200和組態(tài)好的SIMOTIOND站外，還有絕對(duì)值編碼器、高壓信息檢測(cè)表、起重機(jī)形狀信息顯示表、分量丈量系統(tǒng)、總

9、線信息交換器等設(shè)備。 圖3硬件組態(tài)表示圖3.2SIMOTIOND的組態(tài) SIMOTIOND的組態(tài)過(guò)程是先組態(tài)SINAMICS控制器，然后組態(tài)SINAMICS驅(qū)動(dòng)軸，最后組態(tài)SIMOTION工藝軸。下面以Antwerp工程驅(qū)動(dòng)器的設(shè)置為例進(jìn)展簡(jiǎn)單闡明：在SCOUT軟件中，如圖4(a)所示，先在控制器SINAMICS下插入驅(qū)動(dòng)器Insertdrive,然后按照提示一步一步對(duì)驅(qū)動(dòng)器的類型伺服還是矢量，控制方式，所接入的電機(jī)型號(hào)，所接入的編碼器型號(hào)，通訊格式等進(jìn)展設(shè)置。設(shè)置好后系統(tǒng)會(huì)生成一個(gè)完好的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。然后，按此步驟設(shè)置好其它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。每一個(gè)SINAMICS控制器最多可以配置4個(gè)驅(qū)動(dòng)。在Antw

10、erp工程中總共運(yùn)用了三個(gè)SINAMICS控制器，一個(gè)是集成在SIMOTIOND中的，另兩個(gè)經(jīng)過(guò)DRIVE-CLiQ接入SIMOTIOND控制器。這三個(gè)控制器總共配置了八個(gè)驅(qū)動(dòng)軸，如圖4(b)所示為其中的一個(gè)控制器配置的三個(gè)驅(qū)動(dòng)軸。配置好后可以經(jīng)過(guò)SINAMICS下的Topology查看該控制器及其所銜接的設(shè)備的拓?fù)錁?gòu)造圖。 (a)(b) (c)(d)圖4SIMOTIOND組態(tài)表示圖 驅(qū)動(dòng)軸配置好后再配置工藝軸，將配置好的驅(qū)動(dòng)都銜接到適當(dāng)?shù)墓に囕S上，SIMOTION經(jīng)過(guò)對(duì)工藝軸的控制來(lái)控制驅(qū)動(dòng)。如圖4(c)所示，在AXES下插入軸Insertaxis,然后選擇控制方式速度、位置、同步，然后按照

11、提示一步一步設(shè)置軸的類型直線軸還是旋轉(zhuǎn)軸電氣軸、壓力軸還是虛軸，電機(jī)類型規(guī)范電機(jī)還是直線電機(jī)，軸丈量系統(tǒng)所運(yùn)用的單位如長(zhǎng)度m、mm、km、ft等，時(shí)間s、min、h等，加速度m/s等，加加速度，角度等，編=碼器丈量方式，選擇驅(qū)動(dòng)軸，通訊格式，運(yùn)用哪個(gè)編碼器及編碼器類型等。設(shè)置好后一個(gè)軸就配置好了。留意在這個(gè)配置之后有些內(nèi)容在配置終了以后是不能更改的，例如控制方式，編碼器丈量方式。假設(shè)一定要改，只能刪掉工藝軸并重新配置。在Antwerp工程中總共配置了八個(gè)工藝軸軸，如圖4(d)所示。在SIMOTIOND中，還可以設(shè)置其它工藝軸。例照實(shí)現(xiàn)主-從控制的軸。4控制構(gòu)造 工藝軸配置好后，下一步就是如何控

12、制這些軸。只需這些軸按照要求動(dòng)作，就完成了起重機(jī)的相關(guān)功能。例如對(duì)起升工藝軸的控制就完成了起升功能。下面看看工藝軸的構(gòu)造。 每一個(gè)工藝軸都對(duì)應(yīng)一個(gè)MCC單元和DCC單元。每一個(gè)MCC單元中都具有兩個(gè)MCC程序。一個(gè)程序執(zhí)行周期較長(zhǎng)，它和PLC通訊；另一個(gè)程序執(zhí)行周期較短，它和SINAMICS通訊，并設(shè)一個(gè)單獨(dú)的MCC單元對(duì)當(dāng)前軸的形狀進(jìn)展監(jiān)控。在這些程序中，根據(jù)控制的需求調(diào)用庫(kù)“CraneFB-Library中的功能塊。 除了小車、大車和主從力矩控制中的從機(jī)，一切工藝軸的構(gòu)造根本一樣。但不論怎樣都是在MCC程序中調(diào)用其他功能塊庫(kù)中的功能塊，且調(diào)用構(gòu)造方式一樣。下面以在Antwerp工程中起升和

13、大車的單元構(gòu)造為例進(jìn)展闡明。 圖5慢周期起升機(jī)MCC程序構(gòu)造 圖6慢周期大車機(jī)構(gòu)MCC程序構(gòu)造 圖5所示為慢周期起升機(jī)構(gòu)MCC程序的構(gòu)造，圖6所示為慢周期大車機(jī)構(gòu)MCC程序的構(gòu)造?？梢钥闯?，兩個(gè)單元構(gòu)造略有不同。 各功能塊的作用： ReceiveS7:從SIMATICS7接納數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)會(huì)在DCC中進(jìn)一步處置。 ControlAxis:設(shè)置驅(qū)動(dòng)對(duì)象和工藝對(duì)象中的控制字和形狀字。 TractionControl:讀取電機(jī)編碼器和外部編碼器的實(shí)踐速度。其結(jié)果在DCC中繼續(xù)處置。 OperationMode:管理操作方式和執(zhí)行運(yùn)動(dòng)指令。 ErrorPriority:讀取工藝對(duì)象、驅(qū)動(dòng)對(duì)象和功能塊的缺點(diǎn)和報(bào)警。 SendS7:SIMOTION發(fā)送數(shù)據(jù)到SIMATICS7。 圖7為快周期各機(jī)構(gòu)MCC程序的構(gòu)造，各個(gè)機(jī)構(gòu)的單元構(gòu)造都是一樣的。 各功能塊的作用： ReceiveSinamics:讀取驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)到SIMOTION。 Send