卸船機(jī)PLC控制系統(tǒng)的升級(jí)改造及應(yīng)用

林健偉

(廣東省粵電集團(tuán)有限公司珠海發(fā)電廠，廣東 珠海 519050)

1 概述

某電廠卸船機(jī)原有控制系統(tǒng)由一套西門子公司生產(chǎn)的大型可編程邏輯控制器(PLC)S5-155U構(gòu)成。CPU采用CPU948，主機(jī)架包括2個(gè)IM308C Profibus主站的通訊卡，分別連接3個(gè)直流驅(qū)動(dòng)器、4個(gè)變頻器，以及11個(gè)遠(yuǎn)程IO站ET200U。該系統(tǒng)共有900路數(shù)字量輸入、450路數(shù)字量輸出、4路模擬量輸入。經(jīng)過十多年的運(yùn)行，該系統(tǒng)發(fā)生故障的頻率增大，并且由于西門子公司已推出了新一代控制系統(tǒng)，S5系統(tǒng)的備件價(jià)格逐漸升高，供貨周期延長(zhǎng)，部分模塊現(xiàn)已停產(chǎn)不再供貨，無法滿足電廠PLC控制系統(tǒng)維護(hù)的要求。為節(jié)省長(zhǎng)期投資，電廠對(duì)卸船機(jī)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造。

2 PLC控制系統(tǒng)升級(jí)改造方案

卸船機(jī)PLC控制系統(tǒng)升級(jí)改造的方案為：用西門子S7-400系統(tǒng)代替原S5-155U系統(tǒng)；用ET200M代替原ET200U；人機(jī)操作采用西門子最新一代的監(jiān)控系統(tǒng)WinCC，其基于Windows XP操作系統(tǒng)，可顯示圖形和中文，通過動(dòng)畫顯示工藝流程、儲(chǔ)存和打印工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)配方管理等多種功能；CPU采用CPU414-2DP，該CPU運(yùn)算速度可達(dá)到0.1 ms/1000條指令，內(nèi)存為1.4 M，集中控制最大可接16 K數(shù)字通道或8 K模擬通道，從程序容量和速度上都大于原有的CPU948，完全可以達(dá)到原有系統(tǒng)的功能指標(biāo)；輸入輸出模塊全部采用光電隔離類型的模板，以保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行；上位機(jī)和S7-400系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)模塊進(jìn)行通訊，最高速率可達(dá)100 Mb/s，能夠滿足系統(tǒng)運(yùn)行的需求，上位機(jī)可以通過以太網(wǎng)交換機(jī)與電廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。

由于大部分的S5系統(tǒng)可通過西門子公司提供的SIMATIC S5系統(tǒng)到S7系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換，降低了系統(tǒng)升級(jí)改造的風(fēng)險(xiǎn)，保證了控制工藝的穩(wěn)定，減少了停機(jī)調(diào)試的時(shí)間。

3 改造后PLC控制系統(tǒng)的設(shè)置

卸船機(jī)PLC控制系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)和控制2個(gè)部分。驅(qū)動(dòng)部分包括直流調(diào)速及交流變頻器；控制部分包括主控制器CPU414-2DP、以太網(wǎng)通訊模塊CP443-1等，改造后控制系統(tǒng)采用基于Profibus-DP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)上共掛了24個(gè)ET200M從站，共包含984/316個(gè)DI/DO，24個(gè)PIW輸入模擬量。

卸船機(jī)PLC控制系統(tǒng)的核心是驅(qū)動(dòng)部分，驅(qū)動(dòng)部分主要依據(jù)各機(jī)構(gòu)帶動(dòng)負(fù)載在額定抓料能力(包括各機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)筒的折算速度，物料的額定抓取重量)運(yùn)行時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩及電流的大小來進(jìn)行選型。為了滿足系統(tǒng)的節(jié)能要求，改造后系統(tǒng)采用2臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)能量回饋的整流回饋單元RRU(射頻拉遠(yuǎn)單元)，配置成12脈動(dòng)主從方式給交流母排提供能量。RRU回路通過由電動(dòng)機(jī)彈簧儲(chǔ)能的負(fù)荷開關(guān)連接到400 V低壓配電回路上；起升、開閉、小車、懸臂等機(jī)構(gòu)由西門子6se80系列逆變器采用無級(jí)變頻調(diào)速，所有逆變器均由公共直流母排供電。

為了滿足客戶線路維護(hù)方便、通訊速度高及可靠性高的要求，改造后系統(tǒng)采用了基于Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的PLC分布式控制方式，采用了西門子S7-400系列PLC CPU414-2DP，通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)與分布式站點(diǎn)ET200M實(shí)現(xiàn)通訊，DP網(wǎng)絡(luò)總線的波特率設(shè)置為1.5 Mb/s。電氣房的所有ET200M站通過Profibus連接到CPU,駕駛室的ET200M站通過光電模塊(olm)以及光纜連接到電氣房olm，然后再連接到CPU。直流交流驅(qū)動(dòng)器通過Profibus通訊板，再由Profibus通訊電纜連接到PLC。PLC除了通過數(shù)據(jù)總線向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳輸計(jì)算好的速度給定值、控制字外，還要接收各機(jī)構(gòu)的狀態(tài)字。

4 改造后PLC控制系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)

卸船機(jī)有起升、開閉、小車、懸臂、大車、駕駛室及給料機(jī)等主要機(jī)構(gòu)。由于此次主要對(duì)PLC控制系統(tǒng)及直流系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造，下面重點(diǎn)介紹起升、開閉機(jī)構(gòu)的駁接功能實(shí)現(xiàn)情況。

抓斗起升和開閉機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)一樣，各由1個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，直流電機(jī)由數(shù)字式整流器6RA80驅(qū)動(dòng)。起升、開閉機(jī)構(gòu)的速度檢測(cè)及位置丈量可通過安裝在電機(jī)非輸出軸的脈沖編碼器來實(shí)現(xiàn)。脈沖編碼器將測(cè)得的速度值連接到驅(qū)動(dòng)器作為速度閉環(huán)控制的速度反饋，并實(shí)時(shí)監(jiān)控起升、開閉機(jī)構(gòu)的位置及高度位置。實(shí)現(xiàn)主要的運(yùn)行指標(biāo)為：加速時(shí)間0～100 %為2.5 s，減速時(shí)間100 %～0為2.5 s，減速區(qū)及點(diǎn)動(dòng)區(qū)速度都為最大速度的10 %，上升最大速度為2.4 m/s，下降最大速度為2.5 m/s。

4.1 抓斗循環(huán)動(dòng)作狀態(tài)

當(dāng)抓斗沒有張開或閉合動(dòng)作時(shí)，抓斗上升或下降的過程中，起升和開閉機(jī)構(gòu)以同樣的速度上升或下降。當(dāng)抓斗在上升過程中張開時(shí)，起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行在100 %的弱磁速度而開閉機(jī)構(gòu)運(yùn)行在額定速度；當(dāng)抓斗在下降過程中張開時(shí)，開閉機(jī)構(gòu)運(yùn)行在100 %的弱磁速度而起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行在額定速度。當(dāng)抓斗在閉合過程中，將起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行在不同于開閉機(jī)構(gòu)的速度，即可實(shí)現(xiàn)起升鋼絲繩的松繩功能。

4.2 停車

卸船機(jī)停車流故障分為以下4種：

(1) 一級(jí)故障：電動(dòng)機(jī)切斷，使能也切斷，沒有延時(shí)；

(2) 二級(jí)故障：快停止，不用復(fù)位，速度在最短時(shí)間內(nèi)降到0；

(3) 三級(jí)故障：減速停止，如電機(jī)過熱；

(4) 四級(jí)故障：報(bào)警，這種情況不停止。

在正常停車過程中，電機(jī)首先是電氣減速，當(dāng)其速度約降到最大速度的3 %時(shí)，PLC斷開剎車的接觸器進(jìn)行剎車；剎車之后，變頻器經(jīng)過2.5 s的延時(shí)后停止工作。在起升、開閉機(jī)構(gòu)電機(jī)的后輸出端各裝有1個(gè)離心式超速開關(guān)，用于起升、開閉機(jī)構(gòu)的超速保護(hù)，當(dāng)檢測(cè)到起升或開閉機(jī)構(gòu)超速時(shí)急停，PLC將封閉剎車硬件回路自鎖，負(fù)荷自動(dòng)開關(guān)跳閘，必須復(fù)位后方能恢復(fù)正常操作。

4.3 操縱模式選擇

操縱模式分為手動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、自動(dòng)。手動(dòng)、自動(dòng)模式可以從駕駛室右操縱臺(tái)的操縱手柄進(jìn)行操縱，可以前后左右推動(dòng)操縱手柄來生成起升或開閉機(jī)構(gòu)的速度限制值和速度方向，并通過ET200M傳輸至PLC。在抓斗運(yùn)行過程中，起升、開閉機(jī)構(gòu)的速度由PLC內(nèi)部的PID位置控制器根據(jù)初始位置和目的位置來計(jì)算，其值在經(jīng)操縱手柄產(chǎn)生的速度限制后送進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置。點(diǎn)動(dòng)模式從機(jī)房就地操縱面板操縱，就地操縱時(shí)首先從就地操縱站啟動(dòng)卸船機(jī)，將選擇開關(guān)打至本地，就能操縱起升或開閉機(jī)構(gòu)；在同一模式下運(yùn)行速度為最大速度的10 %，由PLC將速度值送往驅(qū)動(dòng)裝置。當(dāng)抓斗調(diào)整鋼絲繩或更換鋼絲繩時(shí)，可以使用就地操縱；當(dāng)選擇點(diǎn)動(dòng)操縱時(shí)，所有的手動(dòng)和自動(dòng)操縱被封閉。

5 改造后PLC控制系統(tǒng)的監(jiān)控

為了實(shí)時(shí)直觀地了解PLC控制系統(tǒng)的狀態(tài)，卸船機(jī)配置了上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，電氣室及駕駛室均配有監(jiān)控設(shè)備，PLC通過CP443-1以太網(wǎng)模塊與它們通訊。卸船機(jī)及駕駛室監(jiān)控系統(tǒng)采用先進(jìn)的WinCC及WinCC flexible組態(tài)軟件，除了可以方便地組態(tài)變量與PLC通訊來監(jiān)控卸船機(jī)狀態(tài)、反映具體的故障信息外,還可以將重要的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔，作為以后系統(tǒng)優(yōu)化的依據(jù)。

操作員站作為監(jiān)視、控制、維護(hù)和事故處理的HMI(人機(jī)界面)。在駕駛室的HMI操作面板上，可調(diào)出系統(tǒng)中任意一個(gè)信息畫面進(jìn)行集中監(jiān)視和控制。操作人員、維護(hù)人員和系統(tǒng)工程師在相應(yīng)的操作站上根據(jù)口令等級(jí)進(jìn)行常規(guī)控制、復(fù)雜控制、系統(tǒng)維護(hù)、控制環(huán)節(jié)的建立和擴(kuò)充。

該監(jiān)控系統(tǒng)總貌畫面可提供PLC控制系統(tǒng)總貌的平面布置圖，反映系統(tǒng)總體的工藝流程和平面布置，同時(shí)還提供畫面進(jìn)入功能，允許用戶通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)流程進(jìn)入相應(yīng)的工段流程畫面。

(1) 操作菜單畫面：系統(tǒng)主要的操作畫面除了可以通過按鈕和切換鍵來切換外，還提供主要畫面的菜單切換功能，用戶可以通過鍵盤的菜單選擇來進(jìn)行畫面切換。

(2) 用戶流程圖畫面：提供主要工段的生產(chǎn)流程畫面，在該畫面中顯示主要的工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)等，并可進(jìn)行關(guān)鍵位置的集中操作。通過該畫面，可以進(jìn)入各工段單點(diǎn)設(shè)備的運(yùn)行顯示畫面，進(jìn)行局部位置的監(jiān)視和操作。

(3) 趨勢(shì)顯示畫面：提供主要監(jiān)控參數(shù)的趨勢(shì)顯示，包括實(shí)時(shí)趨勢(shì)顯示和歷史趨勢(shì)顯示。趨勢(shì)顯示內(nèi)容可以動(dòng)態(tài)調(diào)整，包括顯示上下限、顏色、時(shí)間段等，并可以查詢?nèi)我鈺r(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

(4) 測(cè)點(diǎn)一覽畫面：以表格的形式顯示系統(tǒng)所有輸入、輸出點(diǎn)的當(dāng)前信息，包括模擬量輸入、輸出和開關(guān)量輸入、輸出。

(5) 參數(shù)成組顯示畫面：將相關(guān)參數(shù)組態(tài)成一幅畫面，進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)的動(dòng)態(tài)顯示，便于對(duì)設(shè)備的集中監(jiān)控和對(duì)比。

(6) 報(bào)警查詢畫面：提供對(duì)報(bào)警信息的查詢，查詢內(nèi)容包括報(bào)警發(fā)生時(shí)間、發(fā)生時(shí)的狀態(tài)等。

(7) 單點(diǎn)信息顯示畫面：將關(guān)鍵點(diǎn)的趨勢(shì)、狀態(tài)、當(dāng)前信息等集中在一幅畫面中顯示。

(8) 分組控制操作畫面：操作員通過將系統(tǒng)劃分為若干個(gè)控制組進(jìn)行控制，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的操作?？商峁┙o操作員對(duì)某臺(tái)設(shè)備或某組設(shè)備的集中控制畫面，便于他們對(duì)系統(tǒng)各部分的操作。

(9) 操作員功能維護(hù)畫面：主要是操作權(quán)限管理畫面，不同的操作員有不同的操作權(quán)限，只有具有相應(yīng)的權(quán)限才能進(jìn)行相關(guān)操作。

(10) 打印功能：提供了定時(shí)打印、事故打印和隨機(jī)打印等方式，操作員可以根據(jù)系統(tǒng)管理的需要方便地使用。

6 改造后PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

(1) 西門子公司至少能提供S7控制系統(tǒng)20年的產(chǎn)品供應(yīng)期，可滿足系統(tǒng)維護(hù)的長(zhǎng)期需求；且備件價(jià)格不足S5系統(tǒng)的50 %，降低了維護(hù)成本。

(2) 替換下來的S5系統(tǒng)模塊可以作為其他卸船機(jī)的備件，降低了整體的備件費(fèi)用。

(3) 卸船機(jī)控制程序更加優(yōu)化、運(yùn)行更加安全穩(wěn)定，提高了檢修人員用程序查找故障的效率。

(4) 采用WinCC圖形監(jiān)控系統(tǒng)便于對(duì)設(shè)備的操作和運(yùn)行狀態(tài)的記錄和管理，且監(jiān)控界面布局合理、直觀、明了，方便了運(yùn)行人員的操作及監(jiān)視，為電廠建設(shè)高效的現(xiàn)代化港口奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。