冯德海行车控制系统设计方案.doc

行车控制系统冯德海1 行车系统的总体1.1 系统总体方案设计行车系统的控制包括：大车的左、右行及速度档；小车的前、后行及速度档；吊钩的升、降及速度档等。这些都可以通过变频器和可编程控制器进行无触点控制。其中，控制系统由台达PLC 控制，主、副钩起升机构，小车和大车的运行机构调速均采用变频调速，变频器选用安川变频器。变频调速系统主要由上位机 ( 台达工业触摸屏系统 ) 、 下位机 (PLC 控制系统 ) 、变频调速系统组成。其中，电磁制动器断电抱闸，通电松闸。系统结构图如图 1-1 所示。图 1 - 1行车电气控制系统结构图1.2.1 起升机构起升机构不但要求高的转速及起制动的控制精度，而且对转矩控制要求严格。主钩起升和副钩起升两台电机各使用一个变频器。主副钩为了保持起升机构电机运行的速度，需使用脉冲编码器作为速度反馈装置。通过测量脉冲编码器的脉冲数，利用二者之差控制电机的速度。变频器附有PG-B2速度反馈控制卡并预置为电流矢量控制方式。PG-B2速度反馈控制卡的型号为：73600-A013X,功能规格：A、B相脉冲输入（输入专用），带PG和V/f控制用，脉冲监视输出。根据实际的距离需要选择PG用电线，例如10m可以选择型号为72616-W5010。PG-B2速度反馈控制卡接线如下图：图 1 - 2速度反馈控制卡接线图主钩和副钩控制电路图如下:图 1 3 行车主钩控制系统结构图工作点名称控制过程启动按钮SB1X0.0总继电器KM通电停止按钮SB2X0.1总继电器KM断电复位按钮SB3X0.2系统复位到初始状态主钩上升SB11X0.4KM01得电控制上升，KM001通电松开抱闸主钩下降SB12X0.5KM02得电控制下降，KM001通电松开抱闸主钩关闭SB13X0.6控制主钩运行的继电器断电复位主钩X0档X0.7控制多段调速指令为000主钩X1档X1.0控制多段调速指令为100主钩X2档X1.1控制多段调速指令为010主钩X3档X1.2控制多段调速指令为110主钩X4档X1.3控制多段调速指令为001主钩电机故障SQ11X1.4报警停机复位，KM15通电主钩超载SQ12X1.5报警停机复位，KM15通电主钩变频器故障K1X1.6报警停机复位，KM15通电主钩上升限位SQ13、SQ013X1.7达到限位后主钩停机复位主钩下降限位SQ14、SQ014X2.0达到限位后主钩停机复位图 1 4 行车副钩控制系统结构图工作点名称控制过程启动按钮SB1X0.0总继电器KM通电停止按钮SB2X0.1总继电器KM断电复位按钮SB3X0.2系统复位到初始状态副钩上升SB21X2.1KM03得电控制上升，KM002通电松开抱闸副钩下降SB22X2.2KM04得电控制下降，KM002通电松开抱闸副钩关闭SB23X2.3控制副钩运行的继电器断电复位副钩X0档X2.4控制多段调速指令为000副钩X1档X2.5控制多段调速指令为100副钩X2档X2.6控制多段调速指令为010副钩X3档X2.7控制多段调速指令为110副钩X4档X3.0控制多段调速指令为001副钩电机故障SQ21X3.1报警停机复位，KM25通电副钩超载SQ22X3.2报警停机复位，KM25通电主钩变频器故障K2X3.3报警停机复位，KM25通电副钩上升限位SQ23、SQ023X3.4达到限位后副钩停机复位副钩下降限位SQ24、SQ024X3.5达到限位后副钩停机复位1.2.2 CIMR-G7系列变频器的防溜钩对策：（1）重物从停止到运行(升降)的控制过程当变频器接收到运行指令后，变频器首先在零速状态下开始“预励磁”，使电动机产生转矩。经时间t1后，制动电磁铁开始通电，又经t2，确认制动电磁铁已经松开后，发出转速上升指令，工作频率上升到所需频率。 （2）重物从运行(升降)到停住的控制过程 首先使转速指令处于“OFF”状态，工作频率下降到0Hz时。一方面，变频器进入“零伺服”状态，使电动机继续保持足够的转矩；另一方面，制动电磁铁断电，开始抱紧。延时t3，确保电磁制动器已经抱紧后，撤消运行指令。1.2.3 运行机构大车运行机构两台电机用一个变频器，考虑到运行机构的工作频率较少， 为节省成本，在调速中运行机构共用一台变频器。小车运行机构电机用一个变频器控制。行车运行控制电路图如下：图 1 5 小车控制系统结构图工作点名称控制过程小车前进SB31X3.6通电，KM05得电控制前行，KM003通电松开抱闸小车后退SB32X3.7KM06得电控制后退，KM003通电松开抱闸小车关闭SB33X4.0控制小车运行的继电器断电复位小车X0档X4.1控制多段调速指令为000小车X1档X4.2控制多段调速指令为100小车X2档X4.3控制多段调速指令为010小车X3档X4.4控制多段调速指令为110小车X4档X4.5控制多段调速指令为001小车电机故障SQ31X4.6报警停机复位，KM35通电小车变频器故障K3X4.7报警停机复位，KM35通电小车前进限位SQ32、SQ032X5.0报警停机复位，KM35通电小车后退限位SQ33、SQ033X5.1达到限位后副钩停机复位图 1 6 大车控制系统结构图工作点名称控制过程大车左行SB41X5.2KM07得电控制前行，KM004通电松开抱闸大车右行SB42X5.3KM08得电控制后退，KM004通电松开抱闸大车左行/右行关闭SB43X5.4控制大车运行的继电器断电复位大车X0档X5.5控制多段调速指令为000大车X1档X5.6控制多段调速指令为100大车X2档X5.7控制多段调速指令为010大车X3档X6.0控制多段调速指令为110大车X4档X6.1控制多段调速指令为001大车1电机故障SQ41X6.2报警停机复位，KM45通电大车2电机故障SQ42X6.3报警停机复位，KM45通电大车变频器故障K4X6.4报警停机复位，KM45通电大车左行限位SQ43、SQ043X6.5达到限位后大车停机复位大车右行限位SQ44、SQ044X6.6达到限位后大车停机复位1.2.4 档位控制机构档位控制就是桥式起重机司机室内联动控制台的档位变化，通过PLC内的程序运行，控制变频器的多段速指令变化，而使变频器输出频率随档位变化而按预设好的频率发生变化。速度档设为5个档位，即：0档、1档、2档、3档、4档。速度X0档速度X1档速度X2档速度X3档速度X4档多段调速指令1（端子S5）01010多段调速指令2（端子S6）00110多段调速指令3（端子S9）000011.2.5 电机冷却机构电机控制就是通过PLC内的程序运行，与电机进行联动动作。当电机启动时，冷却风扇就要马上启动。当主钩电机启动时，KM5常开触点闭合。当副钩电机启动时，KM6常开触点闭合。当小车电机启动时，KM7常开触点闭合。当大车电机启动时，KM8和KM9常开触点闭合。当风扇由于故障停止转动时，热继电器热元件发热膨胀，使热继电器发生相应的动作，它的常开触点将会闭合。工作点名称控制过程主钩冷却风扇故障KH5X6.7继电器KM5复位副钩冷却风扇故障KH6X7.0继电器KM6复位大车1冷却风扇故障KH8X7.2继电器KM8复位大车2冷却风扇故障KH9X7.3继电器KM9复位小车冷却风扇故障KH7X7.1继电器KM7复位冷却控制电路如下所示：图 1 7 冷却控制系统结构图机构名称风机输出功率电机机座号额定电流主钩电机风扇370W2800.74A副钩电机风扇370W2800.74A小车电机风扇40W1600.08A大车电机1风扇40W1600.08A大车电机2风扇40W1600.08A风扇电路的主电路最大的额定电流为0.74*2+0.08*3=1.72A。一般工厂里面，如果控制电机，一般选电机额定电流的1.2-1.4倍。1.72*1.4=2.408A。此冷却风扇的电路中选择的空气开关型号为NF32，额定电流3A。根据电工经验算法，接触器的触点电流应该选择2倍的额定电流。接触器的选型如下：机构名称接触器型号额定功率/电流KM5、KM6LC1-D0601M5C2.2KW/6AKM7、KM8、KM9LC1-D0601M5C2.2KW/6A此设计中热继电器起到保护风扇电机的作用，当风扇发生故障，不转动的时候，热继电器的常开触点KH5KH9相应闭合。热继电器的选择电流等于电机的额定电流，选型如下：机构名称热继电器器型号电流整定范围FR5、FR6LRD05KN0.63A1AFR7、FR8、FR9LRD01KN0.1A0.16A1.3 系统部件设计1.3.1电机的选用各执行机构电机参数如下：主钩和副钩起升机构电机的额定转速为1465r/min,额定转矩为477.4N.m，大车和小车运行机构的电机的额定转速为1465r/min，额定转矩为95.5N.m。机构名称电机型号电机功率备注主钩起升机构YTSZ280S1-475KW/136A变频电机带旋转编码器副钩起升机构YTSZ280S1-475KW/136A变频电机带旋转编码器大车运行机构YTSZ160L-42*15KW/29A普通电机小车运行机构YTSZ160L-415KW/29A普通电机1.3.2 变频器的选用为了确保电机转矩和降低变频器电流，根据安川变频器G7简介，按以下方法进行选型：75KW以下电机，选择峰值电流在125%以下的变频器容量，或者变频器容量比电机容量大一档。75KW以上电机或者电机电缆长度超过100米的场合，带PG矢量控制下，选择峰值电流在125%以下的变频器容量，或者变频器容量比电机容量大两档。各执行机构变频器参数如下：机构名称变频器型号额定功率/电流备注主钩起升机构CIMR-G7B4110110KW/180A附有PG-B2速度控制卡副钩起升机构CIMR-G7B4110110KW/180A附有PG-B2速度控制卡大车运行机构CIMR-G7B403737KW/61A小车运行机构CIMR-G7B401818.5KW/32A1.3.3 变频器的主要参数设定起升机构变频器主要参数设定表参数号设定值参数说明A1-023带PG的矢量控制b1-011频率由外部端子控制b1-021控制回路端子开关量b1-031自由滑行停止b1-050按照频率指令运行d1-0110HZ频率指令1d1-0220HZ频率指令2d1-0330HZ频率指令3d1-0440HZ频率指令4d1-0550HZ频率指令5d5-032选择速度极限d5-04100速度极限值F1-01600设定使用的PG脉冲数H1-033多段速指令1H1-044多段速指令2H1-055多段速指令3H1-0714故障复位L3-043减速中防止失速有效运行机构变频器主要参数设定表参数号设定值参数说明A1-020无PG的V/f控制b1-011频率由外部端子控制b1-021控制回路端子开关量b1-050按照频率指令运行d1-0110HZ频率指令1d1-0220HZ频率指令2d1-0330HZ频率指令3d1-0440HZ频率指令4d1-0550HZ频率指令5F1-032过速时紧急停止H1-033多段速指令1H1-044多段速指令2H1-055多段速指令3H1-0714故障复位L3-043减速中防止失速有效1.3.4 常用辅件的选择变频器系统器件由空气开关、接触器、制动电阻及制动单元组成 。控制系统主电路图如下图 1 8所示图 1 8 变频控制系统主电路图（1）空气开关选择空气开关的目的是保护变频器的接线，保护电路，选择空气开关的额定电流稍大于两倍的负载额定电流。根据变频器的使用手册和电机的容量，选择空气开关的型号如下机构名称电机容量空气开关型号额定电流主钩起升机构75KWNF250225A副钩起升机构75KWNF250225A大车运行机构30KWNF125100A小车运行机构15KWNF6350A主电路195KWNF630500A（2） 接触器根据电工经验算法，接触器的触点电流应该选择稍小于2倍的额定电流。机构名称接触器型号额定功率/电流KMLC1-D30004M5C160KW/300A（3）电磁制动单元通过变频调速系统对重物下降时电机制动再生的电能，采取由变频器直流回路内接入制动电阻消耗掉的方式，把运动中的大、小车和吊钩迅速而准确地将转速降为0。对于吊钩，常常需要重物在半空中停留一段时间(如重物在空中平移时)，而变频调速系统虽然能使重物停住，但因容易受到外界因素的干扰(如平移时常出现断电)，可靠性差。因此，还必须同时采取电磁制动器进行机械制动。（电磁制动器选用三菱型号为：ZKB-0.06AN。）（4）限位开关行程开关保护：各机构均设有行程限位保护。行程开关选择施耐德公司的金属型限位开关，型号为：XCKM2023LC。安装位置为：左右限位的位置各安装一个，前后限位的位置各安装一个，主钩和副钩升降的上下限位各安装一个。考虑到机构的安全运行，左右方向需要设置左左限位和右右限位开关各一个，前后方向设置前前限位和后后限位开关各一个，升降的上下限位也设置上上限位和下下限位各一个。故总共需要安装限位开关16个。2 PLC的应用设计2.1 PLC系统的选型关于PLC的选型，首先明确以下几个内容（1）规划系统需要的数字输入点数为62以及数字输出点数为34。PLC行车控制系统I/O分配（输入点62）启动按钮SB1X0.0副钩变频器故障K2X3.3停止按钮SB2X0.1副钩上升限位SQ23X3.4复位按钮SB3X0.2副钩下降限位SQ24X3.5小车前进SB31X3.6主钩上升SB11X0.4小车后退SB32X3.7主钩下降SB12X0.5小车关闭SB33X4.0主钩关闭SB13X0.6小车X0档X4.1主钩X0档X0.7小车X1档X4.2主钩X1档X1.0小车X2档X4.3主钩X2档X1.1小车X3档X4.4主钩X3档X1.2小车X4档X4.5主钩X4档X1.3小车电机故障SQ31X4.6主钩电机故障SQ11X1.4小车变频器故障K3X4.7主钩超载SQ12X1.5小车前进限位SQ32、SQ032X5.0主钩变频器故障K1X1.6小车后退限位SQ33、SQ033X5.1主钩上升限位SQ13、SQ013X1.7大车左行SB41X5.2主钩下降限位SQ14、SQ014X2.0大车右行SB42X5.3副钩上升SB21X2.1大车左行/右行关闭SB43X5.4副钩下降SB22X2.2大车X0档X5.5副钩关闭SB23X2.3大车X1档X5.6副钩X0档X2.4大车X2档X5.7副钩X1档X2.5大车X3档X6.0副钩X2档X2.6大车X4档X6.1副钩X3档X2.7大车1电机故障SQ41X6.2副钩X4档X3.0大车2电机故障SQ42X6.3副钩电机故障SQ21X3.1大车变频器故障K4X6.4副钩超载SQ22X3.2大车左行限位SQ43、SQ043X6.5大车右行限位SQ44、SQ044X6.6小车冷却风扇故障SQ7X7.1主钩冷却风扇故障SQ5X6.7大车1冷却风扇故障SQ8X7.2副钩冷却风扇故障SQ6X7.0大车2冷却风扇故障SQ9X7.3PLC行车控制系统I/O分配（输出点34）总继电器KMY0.0小车前进KM05Y2.4主钩上升KM01Y0.2小车后退KM06Y2.5主钩下降KM02Y0.3小车多段调速指令1Y2.6主钩多段调速指令1Y0.4小车多段调速指令2Y2.7主钩多段调速指令2Y0.5小车多段调速指令3Y3.0主钩多段调速指令3Y0.6小车复位KM35Y3.3主钩复位KM15Y1.1大车左行KM07Y3.5副钩上升KM03Y1.3大车右行KM08Y3.6副钩下降KM04Y1.4大车多段调速指令1Y3.7副钩多段调速指令1Y1.5大车多段调速指令2Y4.0副钩多段调速指令2Y1.6大车多段调速指令3Y4.1副钩多段调速指令3Y1.7大车复位KM45Y4.4副钩复位KM25Y2.2主钩冷却风扇继电器KM5Y4.5副钩冷却风扇继电器KM6Y4.6小车冷却风扇继电器KM7Y4.7大车1冷却风扇继电器KM8Y5.0大车2冷却风扇继电器KM9Y5.1（2）规划出系统需要的通讯口数量（至少需要两个通信端口，至少内置一组RS-232与RS-485）。安川的变频器通信只能用RTU模式。接线PLC的通信口RS485的两条线接到安川频变器的（R+和S+短接）和（R-和S-短接）上。（3）规划出系统的详细控制要求：主、副机构升降速度调节；运行机构运行速度调节；保护功能：主副机构上升限位、下降限位、大车限位、小车限位、主副机构及大小车电机的保护等。台达DVP-ES2序列PLC最大I/O点数为272点，内置一组RS-232与两组RS-485通讯端口，兼容Modbus ASCLL/RTU通讯协议，内置高速计数器。可以满足本次设计的要求，根据本次设计中PLC的选型明确的内容，选用台达DVP60ES200R的型号PLC。该主机输入点数为36点，输出24点，为了满足设计要求，需要增加扩展模块。ES2数字扩展模块，选择型号为DVP32XP11R，该模块输入点数为16，输出点数为16。根据点数的冗余至少10%，选择3块这一型号的扩展模块。主机和扩展模块，总共达到数字输入点数为84点，输出点数为72点。根据现场调试的需要，可以酌情增加扩展模块。名称型号规格PLCDVP60ES200R36点输入/24点输出电源模块DVPPS01输出电流1AI/O扩展模块*3DVP24XP11R16点输入/8点输出2.2系统软件设计本系统中上位机选用台达型号为DOP-B07S200的触摸屏，为7寸宽屏幕，串行通讯接口，com1：RS-232接口，com2：RS-232/ RS-422/ RS-485。设计上位机的几个界面如下：图 2 - 1主界面示意图图 2 - 2频率设置界面图 2 3报警设置界面2.3 系统备用应急系统的设计变频器设有两套控制方式，一套采用通讯总线通信；一套采用开关量端子控制。采用触摸屏设置参数进行通信控制和开关量端子控制的切换。通过PLC切换两套参数，两套参数在手柄档位的速度给定上完全一致，因此从使用角度感觉不出两套参数的切换。将多功能端子S10定义为控制方式切换端子，用按钮SB10控制，SB10为ON方式时，KM00为ON，控制方式为数字量端子控制。SB10为OFF方式时，KM00为OFF，控制方式为通讯控制。变频器通讯的相关参数设定如下：变频器通讯主要参数设定表参数号设定值参数说明H1-081端子S10的功能选择本地/远程控制H5-012设定变频器的从站地址H5-029600通信速度的选择H5-032通信校验的选择H5-043检出通信错误时继续运行3 系统的安装调试行车控制系统变频调速控制柜在柜内安装时，变频器上下离柜体或其它元件的距离应在120mm以上，左右离柜体或其它元件的距离应在30mm以上，而且变频器和PLC最好不要在同一个柜内，避免相互间的影响。变频器和PLC的控制回路接线应采用屏蔽电缆，尽可能与动力线分离走线。变频器及PLC的接地与电焊机、动力设备等接地分离，其接线应尽可能短。4 系统设计的材料清单名称型号数量PLC模块DVP60ES200R1I/O扩展模块DVP24XP11R3电源模块DVPPS011台达触摸屏BOP-BO7S2001通信电缆BOP-CA232DP1电机YTSZ280S1-42电机YTSZ160L-43变频器CIMR-G7B41102变频器CIMR-G7B40371变频器CIMR-G7B40181速度反馈控制卡73600-A013X2旋转编码器30-42061A-15002限位开关XCKM2023LC16接触器LC1-D24500M5C4热继电器LRD21KN2热继电器LRD08KN3电磁制动器ZKB-0.06AN5凸轮开关K1K-015NLH4启动按钮XB2BA31C1停止按钮XB2BA42C1复位按钮XB2BA51C1指示灯XB2BVB4C8中间继电器RXM4AB1BD34