DCS800在直流岸桥改造中的运用.doc

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1、 直流驱动器在岸桥改造中的运用摘要： 通过设备改造实例介绍了直流岸桥改造中直流驱动装置的使用。关键词： 可编程控制器，直流驱动器， Abstract： The application of converter in the Quay container crane Keywords: PLC, Converter，引言： 自动化及电力电子技术发展日新月异，老的控制及驱动系统已经不能满足港口作业的需要，因此港二公司在07年对一台电控系统老化的集装箱岸边桥式起重机进行了整机电控系统改造。该改造是在保留原有的电机等外围电气设备的基础上对驱动与控制部分进行的改造，改造的目的是用最小的投入来改善整机的控

2、制可靠度与精确性以提高工作效率。正文：一， 电源部分整机采用10KV高压上电以减小工作时的压降。通过机上的变压器分别提供480V与380V两个电压等级的工作电源。主电源的单线图如下图：二，控制系统部分这次改造采用西门子S7-300系列可编程序控制器(PLC)。西门子S7-300 系列的PLC拥有可靠的稳定性，高速的运算能力，足够的存储空间，文档的网络，能够满足我们这个系统的控制要求。因此我们选用该系列PLC。该岸桥以前的控制系统存在两个缺陷：1. 未设置分站，所有输入点均需进入电气房主站，导致司机室的众多信号均需经过托令电缆，容易造成干扰，且不利于维修。2. PLC未与模拟控制系统建立通讯，速

3、度给定直接由手柄上的电压模拟量信号给入，手柄模拟量电压的零点漂移得不到控制，导致速度的给定不准确。为解决以上两个问题，现在司机室设置分布式IO，司机室的众多信号均直接接入从站输入模块，再经过DP通讯线传入主站。PLC与驱动器建立通讯，驱动器的速度给定由PLC经过处理后直接利用通讯给入。考虑到通讯的需求，CPU选择自带DP接口的CPU315-2DP。电气房为带CPU的主站，利用CPU上的DP接口与分布式I/O及直流驱动器进行通讯。系统配置图如下：整机控制流程如下图:在我们的控制系统中，PLC的CPU为整机控制核心绝大部分信号都要通过它进行处理。当PLC通过输入模块接收到主令的指令后，经过CPU的

4、输入映像区，再经过用户程序执行，输出到输出映像区，然后通过总线和输出模块对驱动器进行控制。驱动器同时会反馈当前必要的一些状态给PLC参与控制。驱动器在接收到运行命令后在自身无故障的状态下将会驱动电机运行，（起升、俯仰电机运行时将通过PG反馈速度信号给驱动器，参与闭环控制。）三，驱动部分本机起升、小车、俯仰机构和大车运行机构的驱动方式采用全数字直流驱动调速系统。大车行走机构与起升机构共用一套直流驱动器，俯仰与小车运行机构共用一套直流驱动器。驱动装置与PLC装置之间建立PROFIBUS-DP通讯。驱动装置的选用，在起重机上显得尤为重要。可靠的控制特性，方便的维护以及良好的经济价值都是必须要考虑的因

5、素。在此次改造中最终选择了ABB-DCS800系列的直流驱动器。他的许多特点使得其能很好的满足我们的要求：1，功率范围大， 20 A20,00 0A 2，供电电压范围大 2301,200VAC，(输出电压 01,500VDC)3，简单的编程和调试4，硬件和软件都具有模块化扩展性，特别是硬件，方便更换维修，能有效的降低故障处理时间。5，与ABB交流传动采用相同的可选件，更加方便与其他设备的同一备件与管理。6，结构紧凑 - 同等功率等级中具有最高的功率/体积比。这样能减少控制柜所占用的空间。驱动器配置与选型也有许多需要注意的地方1， 驱动器的容量必须大于负载所需求的输出，即:式中:k过载系数1.3

6、3;PM负载要求的电动机轴输出功率，kW;电动机效率;cos电动机的功率因数。起升机构要求的起动转矩为1.3-1.6倍的额定转矩，考虑到需有125%的超载要求，其最大转矩需有1.6-2倍的额定转矩，以确保其安全使用。对于拖动等额功率电动机的变频器来说，可提供长达60s、150%额定转矩的过载能力，因此过载系数k=2/1.5=1.33。平移机构可适当降低此系数。2， 主回路的配置也需注意，首先当晶闸管变流器运行时，晶闸管换流期间，进线电压会产生瞬时短路。这种现象会造成主电路的电压缺口。对于连接到主电网上的变流器，应该配置进线电抗器。当功率变流器工作时，需要最小为1% 的线路阻抗以确保吸收回路正常

7、性能，而使用进线电抗器就可以满足最小阻抗的要求。因此该阻值不能低于 1% uk ( 相对阻抗电压)。考虑会发生大的电压降，因此它也不能超过 10% uk。其次，电枢及磁场进线前端均需要依次配置容量大小合适，具有过流保护跳闸的开关，容量合适的接触器。具有一定过压保护能力的压敏电阻等。该岸桥主要电机分布为：机 构电机数额定电压额定功率额定电流励磁方式起 升 2 220V DC 200KW680 A他励 小 车 1 500V DC 75KW 121 A 他励 俯 仰 1 500V DC 60KW 97 A 他励 大 车 8 240V DC 20KW 69 A 他励DCS800驱动器具有切换用户宏及切

8、换电机参数的功能，能够实现单台驱动器通过切换的方式控制多个机构。因为考虑到最高的性价比，我们在选用系统配置时只配置了两台直流驱动器。 其中：2台起升电机电枢串联，由一台DCS800-S02-1200直流驱动器驱动。励磁也串联，并由DCS800的内置磁场单元驱动。8台大车电机电枢采用两台串联为一组然后四组并联在一起的接线方式，与起升机构共用一台驱动器。磁场采用整流桥供电，接线方式与电枢相同。1台小车电机，电枢由DCS800-S02-0350-05直流驱动器驱动。励磁由该驱动器内置励磁单元驱动。俯仰机构一台电机与小车机构公用一台驱动器。这种配置方式是在考虑到了实际工作需要后进行的优化配置：起升机构

9、与行走机构都同为工作机构，在工况上会有比较频繁的切换。而直流驱动器所驱动的直流电机并不能像交流电机那样快速的进行切换。特别是磁场，在停止供电后的一段时间内仍然会有残留磁场电流，这将会对切换造成很大的影响，所以起升机构与行走机构共用驱动器的电枢驱动回路，但磁场回路分开供电。起升电机使用DCS800-S02-1200直流驱动器内置磁场，我们选用的磁场为半可控磁场，磁场大小可控，但不可改变磁场方向，能够满足起升机构的恒功率要求。而大车行走机构无恒功率弱磁的要求，从经济实用的角度出发，选用常规的整流桥进行供电。俯仰机构不是工作机构，故俯仰机构与小车机构共用驱动器时，不需要刻意去考虑切换时间问题，可以延

10、长切换时间来消除切换的危险，故电枢回路与磁场回路都共用同一台直流驱动器。在岸桥的四个主机构中，俯仰与起升属于位能性负载机构，而小车及大车属于平移机构。这两种机构继有相同之处，又有不同之处。先就相同之处简单的介绍一下驱动器参数方面的设置：1.驱动器与PLC建立通讯，四个机构均是采用通讯控制。通讯控制时PLC送给驱动器两个字：控制字、速度字。控制字主要是实现合闸分闸、紧停、复位及电机旋转方向选择、运行停止的功能，而速度的给定由速度字给入为了实现无极调速，主令选用格雷码的编码器手柄，输出范围为0-255，经过PLC换算、限制后通过通讯给入驱动器。控制字及速度字均是参数中的默认设置，不需要修改，只需要

11、将控制方式设置为通讯控制（参数10.01）2.制动器的控制。四个机构制动器的控制方式均采用以下逻辑：机构零位条件满足的情况下，给入驱动器电机旋转方向给定、运行指令、速度给定，驱动器反馈运行信号，制动器开闸，在手柄回零位后由运行信号控制制动器的关闭(中间还有一些保护环节，这里不多做介绍)。相应的参数设置如下：42.01设置为on，在数字量输出参数组中设置相应的输出点（参数14组中）3.驱动器的内部限幅值。为了让驱动器更好的提供保护功能，电机的速度、正反向桥电流、转矩限幅值均需做相应的修改。(参数组20)对于位能性负载机构启动及停止时转矩的控制、机构的相应时间是非常需要注意的，而对于平移机构而言，

12、机构启动停止时的平稳是非常重要的，下面就两类机构的不同之处简单的介绍下驱动器的参数设置。1. 对于这两种机构，励磁电流自整定、电枢电流自整定(电流环)都是必要的。而对于平移机构，驱动器只需要建立电流环，不需建立速度环(速度调节器自整定)，故也不需要相应的外部反馈装置(比如编码器)，采用内部电压计算反馈(EMF反馈)。控制方式上平移机构采用开环控制，位能性负载机构采用闭环控制(参数50.03).2. 位能性负载机构要求加减速的时间短，而平移机构要求启动，停止平稳。故在加减速时间的设置上(参数22.01、22.02)两机构有明显区别，且为了达到平移机构启停平稳的要求，平移机构还需要使用S曲线发生器

13、(参数22.05)。3. 位能性负载机构对启动及停止时转矩的要求高。在DCS800中，启动时的转矩是可以设置的(参数42.07、42.08)，而在减速停车时适当的提高抱闸转速可以保证抱闸时的转矩(参数20.03)。而对于平移机构而言，为了启停的平稳，这些参数均不需刻意修改。4. 对于起升机构而言，为了充分的使用电机，在轻载的时候需要进行弱磁提速，这时就需要磁场的大小是可控的(参数44.01)。且驱动器的励磁欠流保护值也需适当的改小(参数30.12)。在驱动器实际的应用过程中有两个地方是需要特别注意的1. 驱动器控制机构的切换：因为进行切换时，驱动器中需要对控制字中的一个位地址进行上升沿触发。故

14、有可能存在如下情况：切换指令给进的时候驱动器不允许切换参数，当允许的时候就没有上升沿给入，相当于参数并没有切换，但外部电机已经切换。对于常用的起升机构与行走机构切换是非常危险的！而驱动器又没有可否切换参数的标志位，故需要读出一些有两个不同宏之间区别开来的标志来做保护。2. 驱动器与我们其他设备使用的变频器器不同，相对与变频器在电机处于发电状态时使用制动单元及制动电阻发电而言，驱动器是通过反馈电网来释放电能，所以在驱动器没有完全停止工作的情况下断开其与主回路与电网的连接是非常危险的。结束语：改设备通过这次改造，使得设备故障率大大降低，并提高了可维护性。通过PLC远程IO的使用，降低了信号线干扰的几率，通过PLC与直流驱动器之间PROFIBUS总线的使用，提高了控制的精度与可靠性。通过全数字直流驱动器的使用，降低了能耗，并改善了设备的操控性和安全性。