久久久91-久久久91精品国产一区二区-久久久91精品国产一区二区三区-久久久999国产精品-久久久999久久久精品

陳憶文 （19-）
男，湖南湘潭人，學士學位，電氣工程師，現(xiàn)就職于西門子工廠自動化工程有限公司上海分公司起重機部門，從事電氣設計與調(diào)試工作。

摘要：西門子在起重機的發(fā)展中逐漸形成了對起重機電氣控制的一整套解決方案，本文介紹新一代的西門子起重機電氣控制系統(tǒng)及其在橋吊中的的應用。

關鍵詞：SIMOCRANE；橋吊；主從控制；起升系統(tǒng)；行走系統(tǒng)；軸；工藝

Abstract: During the progress of cranes development, Siemens makes a series solution 
to improve its capability. This paper introduces a new electrical control system of crane
 designed by Siemens and its application for STS.

Key words: SIMOCARNE; STS; Master-slave control; Hoisting system; Moving system; 
Axes; Technology

1 概述

    在經(jīng)濟全球一體化的時代，在生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大的時代，在物資轉(zhuǎn)運越來越頻繁的時代，起重機發(fā)揮著越來越重要的作用，對起重機的性能也提出了越來越高的要求。在起重機的發(fā)展歷程中，西門子一直是起重機電氣控制系統(tǒng)的引領者和行業(yè)標準的制定者。隨著對起重機系統(tǒng)性能要求日益提高，西門子開發(fā)了一套全新的起重機電氣控制系統(tǒng)—SIMOCRANE。該系統(tǒng)沿襲了以往控制系統(tǒng)業(yè)已成熟的結構模式，主要由供電系統(tǒng)、起升系統(tǒng)、行走系統(tǒng)（小車機構，大車機構）等組成,但電氣控制系統(tǒng)發(fā)生了較大的改進，由PLC+SIMOTION+drive控制模式代替了原來的PLC+drive控制模式，SIMOTION可以直接控制驅(qū)動器，且控制速度比PLC快了一個數(shù)量級，這使得驅(qū)動器可以更快速地跟蹤控制命令，控制器也可以更實時地監(jiān)視系統(tǒng)運行狀態(tài)。西門子還開發(fā)了與該系統(tǒng)配套的輔助系統(tǒng)，可以無縫集成在主系統(tǒng)中，比如運用在橋吊和卸船機中的防搖系統(tǒng)。

    本文以西門子在上海振華港機Antwerp項目港口起重機的電氣控制系統(tǒng)為例介紹新系統(tǒng)的構成以及在STS中的應用。

2 系統(tǒng)構成

2.1 硬件構成

    系統(tǒng)主要由PLC、SIMOTION D、CF卡、SINAMICS、ET200、DP通訊線路等構成。由于對驅(qū)動器的控制部分功能轉(zhuǎn)移到了SIMOTION D，對PLC的要求大大降低。SIMOTION基本上處理了與驅(qū)動器有關的所有功能，PLC主要處理外圍設備的功能和起重機的整體運行。PLC與SIMOTION D之間通過DP通訊交換信息，而SIMOTION與SINAMICS或者集成在一起，或者通過SIMOTION整合的內(nèi)部通訊系統(tǒng)DRIVE-CLiQ交換信息。PLC與驅(qū)動器SINAMICS之間不再直接交換信息，而是通過SIMOTION D進行。圖1為Antwerp項目STS硬件組態(tài)圖，主系統(tǒng)使用了1個CPU 319F，變頻器的直流供電模塊ALM（站號40）和SIMOTION D435（站號44，45）以及其它一些外圍設備通過PROFIBUS總線掛接。

    SIMOTIN D系統(tǒng)的組態(tài)如圖2所示，集成了一個SINAMICS_Integrated再掛接了兩個SIMOTION_CX32驅(qū)動控制器。掛接驅(qū)動器的數(shù)量根據(jù)起重機的需要而定。在Antwerp項目中使用了8個驅(qū)動器，因此使用了三臺驅(qū)動控制器。

    CF卡中包含了固件版本信息和起重機專用功能以及其它相關功能的授權：

    SIMOTION MultiAxes（適用于運動控制）；

    SIMOTION IT（適用于網(wǎng)絡服務器的遠程診斷和起重機專用功能）；

    SIMOTION Crane Basic Technology(用于“crane DCC-Library”中的功能)。

    SIMOCRANE系統(tǒng)只有在安裝這些授權的情況下才能正常運行。

2.2 軟件構成

    PLC和SIMOTION D中都已采用結構化程序模式，不同的機構對應各個程序塊。用戶可按照自己的需要和習慣來編寫PLC中的程序，并通過程序與SIMOTION交換數(shù)據(jù)，從而達到向SIMOTION的下達驅(qū)動的動作命令和速度設定值信息，并從SIMOTION取得驅(qū)動的實時信息。

                                   圖1   STS硬件組態(tài)圖

                                    圖2   SIMOTION D系統(tǒng)組態(tài)圖

    SIMOTION D把起重機的控制劃分成幾個子部分，每一個部分負責起重機的一個機構。各個機構分別是：起升機構(Hoist)，小車(Cross Travel），大車(Long Travel)，俯仰機構(Boom)，支撐/開閉機構(Holding and Closing Gear)，回轉(zhuǎn)機構(Slewing Gear)。各個機構程序的主要功能體現(xiàn)在二個函數(shù)庫中：Crane DCC-Library (與驅(qū)動相關)和Crane FB-Library(與流程控制相關)。根據(jù)不同用途的起重機組合使用各個機構，比如STS中就使用了起升、小車、大車、俯仰四個機構，而RMG（軌道吊）中只須使用起升、小車、大車三個機構。

    各個機構的程序結構基本如下：由三個函數(shù)組成，一個函數(shù)進行PLC與SIMOTION  D之間的信息交換，一個函數(shù)進行SIMOTION與SINAMICS之間的信息交換，還有一個函數(shù)進行信息處理。

3 硬件系統(tǒng)組態(tài)

3.1 PLC的組態(tài)

    在硬件組態(tài)視窗中選擇一個需要的PLC CPU模塊，例如Antwerp項目選擇CPU 319F模塊，插入相應的I/O模塊，然后構建一個由PROFIBUS總線組成的系統(tǒng)，再把需要使用的外部設備及其I/O模塊掛接在總線上，將SIMOTION D及其組件組態(tài)為一個DP智能從站。圖3所示為Antwerp項目硬件組態(tài)，從中可以看到，這個系統(tǒng)除CPU及其包括擴展的I/O模塊（ET200）和組態(tài)好的SIMOTION D站外，還有絕對值編碼器、高壓信息檢測表、起重機狀態(tài)信息顯示表、重量測量系統(tǒng)、總線信息交換器等設備。

                                   圖3   硬件組態(tài)示意圖

3.2 SIMOTION D的組態(tài)

    SIMOTION D的組態(tài)過程是先組態(tài)SINAMICS控制器，然后組態(tài)SINAMICS驅(qū)動軸，最后組態(tài)SIMOTION工藝軸。下面以Antwerp項目驅(qū)動器的設置為例進行簡單說明：在SCOUT軟件中，如圖4(a)所示，先在控制器SINAMICS下插入驅(qū)動器（Insert drive）,然后按照提示一步一步對驅(qū)動器的類型（伺服還是矢量），控制模式，所接入的電機型號，所接入的編碼器型號，通訊格式等進行設置。設置好后系統(tǒng)會生成一個完整的驅(qū)動系統(tǒng)。然后，按此步驟設置好其它的驅(qū)動系統(tǒng)。每一個SINAMICS控制器最多可以配置4個驅(qū)動。在Antwerp項目中總共使用了三個SINAMICS控制器，一個是集成在SIMOTION D中的，另兩個通過DRIVE-CLiQ接入SIMOTION D控制器。這三個控制器總共配置了八個驅(qū)動軸，如圖4(b)所示為其中的一個控制器配置的三個驅(qū)動軸。配置好后可以通過SINAMICS下的Topology查看該控制器及其所連接的設備的拓撲結構圖。
        

                 (a)                                                 (b)
     
 
                 (c)                                                 (d)

                                  圖4   SIMOTION D 組態(tài)示意圖

    驅(qū)動軸配置好后再配置工藝軸，將配置好的驅(qū)動都連接到適當?shù)墓に囕S上，SIMOTION通過對工藝軸的控制來控制驅(qū)動。如圖4(c)所示，在AXES下插入軸（Insert axis）,然后選擇控制模式（速度、位置、同步），然后按照提示一步一步設置軸的類型（直線軸還是旋轉(zhuǎn)軸）（電氣軸、壓力軸還是虛軸），電機類型（標準電機還是直線電機），軸測量系統(tǒng)所使用的單位（如長度m、mm、km、ft等，時間s、min、h等，加速度m/s等，加加速度，角度等），編=碼器測量方式，選擇驅(qū)動軸，通訊格式，使用哪個編碼器及編碼器類型等。設置好后一個軸就配置好了。注意在這個配置之后有些內(nèi)容在配置結束以后是不能更改的，例如控制模式，編碼器測量方式。如果一定要改，只能刪掉工藝軸并重新配置。在Antwerp項目中總共配置了八個工藝軸軸，如圖4(d)所示。在SIMOTION D中，還可以設置其它工藝軸。例如實現(xiàn)主-從控制的軸。

4 控制結構

    工藝軸配置好后，下一步就是如何控制這些軸。只要這些軸按照要求動作，就完成了起重機的相關功能。例如對起升工藝軸的控制就完成了起升功能。下面看看工藝軸的結構。

    每一個工藝軸都對應一個MCC單元和DCC單元。每一個MCC 單元中都具有兩個MCC程序。一個程序執(zhí)行周期較長，它和PLC通訊；另一個程序執(zhí)行周期較短，它和SINAMICS通訊，并設一個單獨的MCC單元對當前軸的狀態(tài)進行監(jiān)控。在這些程序中，根據(jù)控制的需求調(diào)用庫“Crane FB-Library”中的功能塊。

    除了小車、大車和主從力矩控制中的從機，所有工藝軸的結構基本相同。但不管怎樣都是在MCC 程序中調(diào)用其他功能塊（庫中的功能塊），且調(diào)用結構形式相同。下面以在Antwerp項目中起升和大車的單元結構為例進行說明。

                                    圖5   慢周期起升機MCC程序結構

                                     圖6   慢周期大車機構MCC程序結構

    圖5所示為慢周期起升機構MCC程序的結構，圖6所示為慢周期大車機構MCC程序的結構。可以看出，兩個單元結構略有不同。

    各功能塊的作用：

    Receive S7: 從SIMATIC S7接收數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)會在DCC中進一步處理。

    Control Axis: 設置驅(qū)動對象和工藝對象中的控制字和狀態(tài)字。

    Traction Control: 讀取電機編碼器和外部編碼器的實際速度。其結果在DCC中繼續(xù)處理。

    Operation Mode: 管理操作模式和執(zhí)行運動指令。

    Error Priority: 讀取工藝對象、驅(qū)動對象和功能塊的故障和報警。

    Send S7: SIMOTION發(fā)送數(shù)據(jù)到SIMATIC S7。

    圖7為快周期各機構MCC程序的結構，各個機構的單元結構都是一樣的。

    各功能塊的作用：

    Receive Sinamics: 讀取驅(qū)動器的數(shù)據(jù)到SIMOTION。

    Send to Sinamics: SIMOTION發(fā)送數(shù)據(jù)到驅(qū)動器。

    DCC單元的功能：根據(jù)各種條件計算速度、加速度、計算最終發(fā)送到驅(qū)動器的數(shù)據(jù)。

                                    圖7   快周期各機構MCC程序結構

5 附加功能及發(fā)展

    為了適應技術的發(fā)展和起重機的新要求，在系統(tǒng)中附加了一些輔助的功能，將來可能成為基本功能，如防搖系統(tǒng)。隨著時代的發(fā)展，將來可能有更多更好的功能加入其中，比如起重機自動運行系統(tǒng)，模式識別功能。不久的將來，起重機控制系統(tǒng)功能必將更加強大和完善。



參考文獻

[1] 賈大山. 2000~2010年沿海港口建設投資與適應性特點[J]. 中國港口，2008(3).

[2] 潘愛華. 起重機起升機構電動機的應用[J]. 起重運輸機械，2007(7).