基于ABB PLC的桥式抓斗卸船机实训平台设计.pdf

自动化 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 4 ． 0 9 ． 0 3 2 基于A B B P L C的桥式抓斗卸船机实训平台设计 郑 渊 青岛港湾职业技术学院 电气工程系， 山东青岛 2 6 6 4 0 4 摘要 桥式抓斗卸船机是一种典型的煤炭、矿石装卸机械，对卸船工作效率起着至关重要的作用。卸船机的操作和维修是港 机 、港 电等专业学生必须掌握 的实践技 能，但是 由于体 积巨大 、价格昂贵等原因 ，在校内很难建立有效的实训室 。本设计在保 持基本结构不变的基础上将实际的桥式抓斗卸船机按比例缩小模型化，手柄 、按钮等操作装置与实际桥式抓斗卸船机基本一 致 ，电气控制系统采用 A B B 的A C 5 0 0 P M 5 8 2 P L C 、A C S 3 5 5 变频器、C P 4 3 0 触摸屏以及M O D B U S 现场总线。通过该实训平台， 学生能够更加有效的掌握操作维修桥式抓斗卸船机的实践技能。 关键词桥式抓斗卸船机；实训平台；A B B P L C 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 99 4 9 2f 2 0 1 41 0 9一O I 1 80 3 De s i g n o f Br i d g e Gr a b S h i p Un l o a d e r Tr a i n i n g P l a t f o r m Ba s e d o n ABB PLC ZHENG Yu a n Q i n g d a o H a r b o u r V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e ，Q i n g d a o 2 6 6 4 0 4 ，C h i n a Ab s t r a c t B r i dg e g r a b s h i p u n l o a d e r i s a k i n d o f t y p i c a l c o a l ， o r e l o a d i n g a n d u n l o a d i n g ma c h i n e r y ． I t p l a y s a v i t a l r o l e i n t h e d i s c h a r g i n g e ffic i e n c y ． T h e o p e r a t i o n a n d m a i n t e n a n c e o f s h i p u n l o a d e r i s t h e p r a c t i c a l s k i l l s t h a t s t u d e n t s ma j o r i n p o r t m a c h i n e r y ， p o r t e l e c t r i c i t y s h o u l d ma s t e r ．Ho we v e r ，d u e t o r e a s o n s s u c h a s h u g e v o l ume ，e x p e n s i v e e t c ，i t i s d i ffic u l t t o e s t a b l i s h e f f e c t i v e t r a i n i n g r o o ms i n t h e c a mp u s ．T hi s d e s i g n s c a l i n g t h e a c t u a l b r i d g e g r a b s h i p u n l o a d e r o n t h e b a s i s o f d o e s n o t c h a n g e t h e o v e r all s t r u c t u r e a n d t h e wo r k i n g c o n d i t i o n．Th e h a nd l e s ，b u t t o n s a n d o t he r d e v i c e s a r e t h e s a me a s t h e a c t u a l b r i d g e t y p e g r a b s h i p un l o a d e r ， e l e c t ric c o n t r o l s y s t e m a d o p t s ABB AC5 0 0 P1 C，ACS 3 5 5 P M5 8 2 i n v e r t e r ，CP 43 0 t o u c h s c r e e n a n d MODBUS ．By u s i n g t h e t r a i n i n g p l a t f o r m，s t u d e n t s c a n ma s t e r t h e o pe r a t i o n a n d ma i n t e n a n c e o f b r i d g e t y p e g r ab s h i p u n l o a d e r mo r e e f f e c t i v e l y ． Ke y wo r b r i d g e g r a b s h i p u n l o a d e r ；t r a i n i n g p l a t f o r m；AB B PL C 桥式抓斗卸船机是一种典 型的煤炭 、矿石岸 边卸船机械 ，对煤炭 、矿石船舶 的卸船效率起着 至关重要的作用⋯ ，港 口需要大量能够操作和维修 卸船 机的人员 。由于桥式抓 斗卸船机体积 巨大 、 价格 昂贵等原因 ，在校 内很难有效进行操作和维 修方面 的实训教学 。市场上的模拟驾驶器功能单 一 且价格昂贵，校内原有的实训设备只有电气控 制系统而没有实 际的卸船机被控对象 ，同样无法 达到很好的实训效果。 本卸船机实训装置以实际 的桥式抓斗卸船机 为蓝本 ，在保持基本结构不变 的基础上按 比例缩 小模型化，手柄 、按钮、限位等操作和保护装置 与实际桥式抓斗卸船机基本一致 ，电气控制 系统 采用 A B B的 A C 5 0 0 P M5 8 2 P L C、A C S 3 5 5 变频器 、 C P 4 3 0 触摸屏 以及 MO D B U S 现场总线 。当实训装 置处 于演示模式 时 ，能够通过联动台控制卸船机 模型的起升 、小车 、俯仰 、抓斗等机构实现各种 基本 动作 ，实物模型 的高度为 2 米 ，学生可 以很 好 的练习操作 ；当实训装置处于调试模式 时 ，学 生可以通过电气控制柜上的实验插孔连接电气控 制线路 ，还可以 自己设计程序并加以调试 。 1 实物模型设计 考虑到设计制造的难度 ，该实训平台实物模 型各机构的驱动装置在实际桥式抓斗卸船机 的基 收稿 13 期 2 0 1 40 40 3 L _ _ _ ． }_ _ ⋯ _一 - _ __j 郑 渊基于A B B P L C 的 桥式 抓斗卸船机实训平台 设计 业皇 础上进行了一定 的简化和调整。 1 ． 1 起升、开闭斗和小车机构 四台A C S 3 5 5 变频器分别驱动 2 台起升 电机和 2台开闭电机 ，通过减速器和 4 个钢丝绳卷筒可以 实现抓斗的升降、开闭和小车的前进后退，工况 如下 1 工况 1 起升、开闭卷筒同步向右旋转 时，抓斗上升 ； 2 工况2 起升、开闭卷筒同步向左旋转 时 ，抓斗下降 ； 3 工况 3 起升 、开 闭卷筒 分别 向内相对 旋转时 ，抓斗小车向右移动 ； 4 工况4 起升 、开闭卷筒分别向外相对 旋转时 ，抓斗小车向左移动 ； 5 工况 5 当起升卷筒刹住不动 ，开闭卷 筒向左旋转时，抓斗打开； 6 工况 6 当起 升卷筒刹住不动 ，开闭卷 筒向右旋转时 ，抓斗闭合 。 钢丝绳卷筒轴端装有速度编码器用 于检测 电 机转速 ，起升 、开闭斗和小 车机构设有减速 、终 点和极限行程保护[1l 。 1 ． 2 俯仰机构 俯 仰机构 由一个交流电机驱动 ，与开闭 1 电 机共 用一 个变频 器 ，通过俯 仰／ 开 闭切换 开关切 换 ，钢丝绳卷筒带速度编码器 ，具有上减速 、上 终点、下减速、下终点4 i- 限位开关。 1 ． 3 大车行走机构 行走 机构通过一 台变频器 驱动两侧 电机在轨 道上运行实现 ，具有 防风锚定装置及左右行走限 位保护 ，装有行走声光报警装置[z l 。 1 ． 4皮带输送机和司机室 通过一 台2 4 V直流 电 机驱动输送带 ，皮带输送 机设 有拉绳开关 、防跑偏 和 防撕 裂保 护 开关 I 。 司 机室通 过一 台2 4 V直流电 机驱动 ，可 以沿大梁工 字 钢左右移动。 2电气柜及联动台设计 2 ． 1 电气控制系统 电 气 控 制 系 统 采 用 A B B 的 A C 5 0 0 P M5 8 2 P L C 、A C S 3 5 5变频器 、C P 4 3 O触摸 屏 以及 MO D ． B U S现场总线 ，系统结构如 图 1 所示 。卸船机模 型和电气柜的P L C 、变频器等电气设备的接线也 引到 电气柜 的实验插孔上 ，学生可以接线和编程 调试。 2 ． 2 联动台操作装置 右联动 台设有起 升手柄 、抓斗开闭手柄 、控 制合按钮 、控制断按钮、俯仰／ 抓斗开闭选择开 关 、舵机控制按钮 、试灯按钮 、极限旁路按钮 等。左联动台设有大车 、小车行走手柄 、急停按 钮 、故障复位按钮 、电机手动调整按钮 、超重报 警指示灯等。 3 主要程序设计 3 ． 1 速度控制程序设计 各机构运行必须满足主控条件 ，当变频器无 故障、急停按钮未拍下 、极限限位未动作及 P L C 电源和通讯 正 常等条件 都满 足 时 ，按下 联动 台 “ 控制合”按钮 ，然后通过手柄就可 以操纵各机构 动作 。停 止操作 时 ，将 手柄 回零并 按下 “ 控制 断”按钮将控制电断开。 大车机构手柄采用正反各 四挡位主令控制 器，当操作大车手柄时，由低到高的4 种转速通 过M O D B U S 通讯总线传至A C S 3 5 5 。当大车减速限 位动作时，将一个约为额定转速 1 0 ％的低速值传 给变频器。当大车终点限位动作时，将数据0 传 给变频器。 其他机构手柄采用绝对值编码器连至P L C 输 入 模块 ，在程 序 中首先进 行格 雷码二进 制码 转 换 ，然后 对速 度指令 进行 线性 变换 ，最后通 过 COM MOD MA S T报文处理模 块将速度值 赋给变 P M5 8 2 l D 1 5 2 4 ． 1 f D 1 5 2 4 ． 2 f A I 5 6 1 f D X 5 6 1 ． 1 l D X 5 6 1 ． 2 I D X 5 6 1 ． 3 l D X 5 6 1 4 H M I CP 4 3 0 变频 器1 l I变频器2 I I变频器3 l l 变 频器4 l I变 频器 A CS 3 5 5 I I A CS 3 5 5 l I A CS 3 5 5 I I AC S3 5 5 I I A CS 3 5 5 图 1 桥式抓斗卸船机实训平台电控系统 亘 l 自动化 频器 ，同时 ，变频器也会将 电机实际速度值通过 MO D B U S 通讯总线反馈给 P M5 8 2 。当该机 构减 速 限位动作时，将一个约为额定转速 1 0 ％的低速值 传给变频器。当该机构终点限位动作时，将数据 0 传给变频器。若极限限位动作 ，则该机构立即 抱闸制动，必须在排除故障后通过极限旁路按钮 退 出。 3 ． 2 起升制动器控制程序优化 为了防止带重载时 “ 溜钩” ，在设计制动器松 闸控制程序时采用 了转矩验证的方法 。在制动器 松 闸前先通过检测起升电机 电流来 间接判断起升 钢丝绳上向上的转矩是否达到额定转矩的5 0 ％。 如果达到则制动器松闸 ，否则制动器仍然抱闸。 起升手柄回零时，起升机构是采取变频器电 气 制动和机械抱 闸制动相结合 的方式来 制动的 。 为了减少制动部件的磨损 ，变频器通过装在电机 轴上 的速度编码器检测电机实际转速 ，当电机转 速接近 0时才抱 闸制动 ，而 且在 O Hz 时起升机构 也可以输出额定转矩 。 3 ． 3皮带输送机控制程序设计 在皮带机沿线每隔一定距离安装一个拉线急 停开关 ，并用钢丝绳拉线将这几个拉线开关的摆 杆依次相连，在皮带任一位置拉动拉线都会使其 中一个拉线开关动作。将这三个拉线开关的常闭 点串联控制一个中间继电器的线圈，然后用这个 中继 的常开点连至 P L C的输入点 ，只要有一个拉 线 开关动作 ，P L C程序 中的这个 信号就会 断开 ， 使皮带机停机。 - - - - ． -4- - ． 一 一- 上 接 第 6 6页 范GB 5 0 0 5 2 2 0 0 9中第 3 ． 0 ．9条备用 电源严禁 接 入应急供电系统p 。 5结语 随着生产 、生活水平 的提高 ，社会对电源稳 定性要求越来越高 ，同时考虑到地域性差异 、经 济性 的平衡 ，柴油发 电机组作为应急电源 、备用 电源 的用途也越来越广泛 ，也十分具有优势 ，特 别在建筑工程中用得越来越普遍，重要性 日益受 到重视。本文以建筑电气中柴油发电机组设计中 几个比较重要的问题做了论述，由于建筑个体情 况不同，柴油发电机的设置要切合具体的建筑。 工程设计 中，设计者应充分利用建筑布局和空 间，开拓思路，要与土建专业进行充分的沟通与 比选，从最基本的布置中找出最佳解决方案。 在皮带机上安装轻度跑偏和重度跑偏两个跑 偏开关 ，当轻度跑偏开关动作时 ，跑偏报警灯点 亮，但是皮带机仍然可以运行；当重度跑偏开关 动作时，跑偏报警灯点亮的同时皮带机停止运行。 在皮带机支架上垂直于皮带机中心轴线的方 向安装横向钢丝绳，当撕裂的皮带撞击到钢丝绳 上 时 ，使钢丝绳所带动的限位开关动作用 以检测 皮带是否撕裂 ，一旦皮带撕裂则皮带机立 即停止 。 4 使 用效 果 该卸船 机实训平 台成本较低 ，每套不到 2 5 万 元 ，但是通过使用 ，效果非常突出。由于有 比较 大 的实 物模型 ，可 以通 过联 动 台操 作各 机构 动 作 ，能够很好的起到司机岗前培训的作用。同 时 ．实训平 台还可以让学员 自己动手接线实现桥 式抓斗卸船机 的局部或整体控制 ，能够很好的提 高学员 电气安装接线 、P L C编程 、变频器参数调 试和触摸屏监控画面设计等实践能力 ，得到了校 内学生和企业青岛港等企业技术人员的一致好评 。 参考文献 [ 1 ]葛建民． 港 口电气控制 [ M]． 南京南京大学 出版 社 ． 2 0 0 9 ． [ 2 ]陈淑珍． 港口装卸机械 电气控制技术 [ M]． 北京人 民 交 通 出版 社 ，2 0 1 0 ． [ 3 ]孙洪昌． 港口机械电气控制技术 [ M]． 北京 中国电 力 出版社 ．2 0 1 1 ． 作者简介郑渊，男，1 9 7 8 年生，山东惠民人，大学本 科 ，讲师。研究领域 港口电气技术。已发表论文 1 1 篇。 编辑 向 飞 参 考文献 [ 1 ]中国航空工业规划设计研究院 组编． 工业与民用配电 设计手册 第三版 [ M]． 北京 中国电力出版社 ， 20 05． [ 2 ]J G J 1 6 2 0 0 8 ． 民用建筑电气设计规范 [ s ]． [ 3 ]G B 5 0 0 5 2 2 0 0 9 ． 供配电系统设计规范 [ S ]． [ 4 ]格赛斯康明斯发电机组应用手册 [ z ]． 福州格赛斯机 电有限公 司，2 0 1 0 ． [ 5 ]贾京花． 民用建筑 中备用柴油发电机机房设置的一些 问题 [ J ]． 智能建筑电气技术，2 0 1 2 1 3 8 4 0 ． 第一作者简介张红霞，女，1 9 8 2 年生，湖北孝感人 ，硕 士。讲师。研究领域 自动化技术 、高等教育。已发表论 文 1 4 篇。 编辑 向飞