6ES7334-0KE00-0AB0详细说明
1 引言
抓斗桥式起重机是货运港口、码头、发电厂、工矿企业生产过程中不可缺少的工程机械，常用来装、卸煤、灰、矸石等散料类货物。桥式起重机的抓斗升降、开闭、大车、小车运行的原传动控制均为继电器、接触器控制，抓斗操作方式为双手柄联动台操作。为了保证机械运行的平稳，系统采用转子串电阻起动方式，由于绕线式电动机是通过接触器来切换电动机转子上串接的电阻，切换十分频繁。其故障率居高不下。由于抓料全过由全部由人工操作，用于抓斗提升和开闭钢丝绳的受力很难达到均衡控制，易出现钢丝绳断裂、电机受损等现象。上述问题既增加了维修量也给生产带来了一定程度的损失。
2传统控制方式存在的问题
2.1 问题提出
抓斗通过钢丝绳与电机联接，主吊与开闭电机之间没有固定的联系，没有合适的检测开关，在抓斗抓取物料的全过程中的每个阶段，要求两个电机的出力状况都是不同的，需要不断地改变电机的控制方式和出力情况，但传统的串电阻控制方式无法满足这种力矩控制的要求，抓斗主吊与开闭两电动机的协调完全依靠司机的熟练程度以及操作水平。司机的劳动强度大，注意力需高度集中，容易疲劳，特别是夜间作业，更是如此。
随着计算机控制技术、交流调速技术和电力电子技术的发展，在保证设备安全使用、可靠运行的前提下，实际生产中用户普遍要求提高桥式起重吊车的作业效率、自动化程度、节能效果和减少维修量。在变频技术蓬勃发展的，变频传动取代了以往的串电阻、自激调速等传动方式，实现了平稳运行和软启动、低故障高效率驱动。
可编程控制器也被广泛地使用到抓斗吊车的控制系统之中，无论是采用传统的串电阻传动方式还是采用变频器传动方式，都需要仔细研究抓斗闭合的每个过程对电机出力的要求。目前国内部分抓斗起重机采用了plc和变频器，但没有解决以上所述的核心问题，仍然无法解决原系统存在的问题，因为制动器控制不合理，造成变频器频繁烧毁等问题。
2.2 问题分析
（1）抓斗传动系统由闭合机构、提升机构两部分组成，两套系统的提升能力分别按照抓斗起重量的60%设计，在匀速提升过程中，各承担50%的功率，工作过程中，如果抓斗闭合不严即进入提升阶段会造成物料遗漏，如果提升过晚又会造成闭合系统独立承担大于50%的提升量的功率，久而久之，会造成闭合机构的电机、钢丝绳等的寿命减短，同样的：在调整两电机的过程中，如果提升电机提前动作，又会造成提升电机的驱动系统的过载。
（2）抓斗抓取物料时，斗体置于物料表面，如果提升电机钢丝绳保持过度松弛状态，会造成钢丝绳脱离槽位、缠绕，如果提升电机钢丝绳保持拉紧不动状态，抓斗闭合时，抓取的物料又太少，此时需司机在抓取过程中使用点动方式不断调整抓斗位置才能保证满斗抓料，此过程要求司机具有较高的操作经验，劳动强度大，很难保证每次都能达到要求。
（3）当使用变频控制电机时，简单地按照手柄指令延时控制制动器打开和关闭时间，不仅程序烦琐，非常不合理，容易造成溜钩和高力矩时抱死，造成电机、变频器过载，抓取过程也难以顺利进行。在制动器合理的情况下，上述第二项的矛盾仍难以解决。
（4）当变频器设置为v/f控制时，难以满足低速时的良好转矩，当变频器设置为失量控制模式时，电机的机械特性很硬，此时，难以保证两台变频器控制下的电机将达到力矩平衡。
（5） 在抓斗控制过程中，要求变频器在每个阶段需要不同的出力，单独依赖变频器无法满足抓斗的工作需要。
传统的控制方式不单是传动部分存在缺陷，控制系统也存在控制逻辑不合理的因素。
3 改造目标和方法
抓斗控制系统改造就是要解决以上所述的弊端，用变频器解决传动系统的要求，用可编程序控制器（plc）和旋转编码器配合达到逻辑控制的要求。用软件来模仿有经验的操作人员的操作方法，与变频器配合完成抓取的全过程。
3.1 方案设计
采用欧姆龙公司的cj1m系列plc作为控制核心，用e6c2型旋转编码器检测两个电机的旋转角度，安装在两个电机轴上或卷筒轴上，选用两台3g3rv-zv1系列变频器驱动电机。
3g3rv-zv1型变频器具有开环矢量控制功能，开环矢量控制方式下，调速范围可达：1∶100，速度控制精度达到0.2%，具有低速高转矩和力矩限制功能，完全满足抓斗吊对电机出力的要求。
两台变频器均以开环失量模式工作，频率指令来自于plc的开关量输出的多段速指令，附图所示出抓斗控制方案。
附图 抓斗控制方案示意图
3.2 主控系统
cj1m-cpu22型plc的cpu内置10点输入，6点输出。其中输入包含4个中断输入或2个高速计数器输入（单相输入：100khz或相位差输入：50khz），输出包含2个脉冲输出100khz控制输出，内置位控功能。cj1m具有的功能块功能，在程序编制过程中，可以减少相同功能程序的重复劳动。
在本方案中，两个旋转编码器接入到cpu的两个高速计数器输入口，由plc硬件对两个旋转编码器的脉冲信号进行记数，并计算两轴的差值，以此判断抓斗的闭合状态。
从小车到控制柜导线距离较远，e6c2型编码器必须采用线性驱动输出型，以保证长距离无损失地传送脉冲信号。
主令控制器采用单手柄十字形手柄，根据行业内的操作习惯，确定手柄的操作位置分别代表：两电机同步上升、两电机同步下降、提升时开斗、提升时闭斗、下降时开斗、下降时闭斗，静止开斗、静止闭斗，程序亦据此编制，plc根据手柄的指令分配两台变频器驱动电机按预定的出力情况配合工作。
3.3 技术关键
（1）在抓取物料的情况下，斗体接近物料时手柄打向闭斗时下降，此时，plc控制闭斗电机正常闭合，升降电机以小力矩拉紧钢丝绳，保证不会出现丝绳脱出滑轮和卷筒槽位，造成卷绕，又能保证抓取时，斗体能随其自重沉入物料中，达到满斗取料的目的，这就是通常所说的沉抓功能。
（2）当斗体逐渐接近闭合时，升降电机的力矩开始增大，在完全闭合后，升降电机以全力矩运行，与闭合电机同步运行，此时程序不理会手柄的抓取物料位置，自动转入同步上升状态。降低了对司机的操作水平的要求。
（3）由于沉抓功能的采用，也带来了新的问题，那就是当斗体接近地面时，斗体会抓刮地面，尤其是有些地面铺设了水泥或耐火砖，如果抓坏地面，不仅在物料中混入了不必要杂物，也会造成场地损坏，此时就需采取下限位的功能，当plc检测到斗体达到下限位时，不再使用沉抓功能，而是模仿有经验的司机的人工操作方法，自动分段完成抓取过程，既保证抓净物料，又保证不抓坏地面。
（4）以上工作过程中，plc根据旋转编码器检测的信号，自动分配变频器的工作频率和出力状态以及制动器的工作，使两电机快速地协调工作，全过程各阶段间平滑过度，不会出现人工操作时明显的停顿和反复现象，两电机、两副钢丝绳出力均匀平衡。
（5）充分利用变频器对电机的及自身完善的保护功能，如过热、过载、过流、过压、缺相、接地等，从而避免设备在不正常状态下长时间运行，保护设备不被损坏。故障信息可以准确地指示故障点，极大地方便了维护人员排除故障。
（6）程序编制中可利用功能块编写各阶段操作的功能块程序，在主程序中，根据手柄和检测到的状态信号调用不同的功能块程序，使程序变得简单易读，大大地提高了编程效率，也方便了现场的调试。程序中需考虑更换钢丝绳时，按传统控制方式工作的功能
原系统情况
系统原有的PLC1为全线主控PLC，负责协调整个生产线（含锌浆站）的运作，PLC2、3通过Genius网络与PLC1通信，向其传送生产线各部分的工作状态，并接收PLC1的控制指令。PLC1通过接收安装在锌浆站上的E-Cam脉冲，计算锌浆站上每个Station的工作状态，结合PLC3上传的Present信息以及各种故障报警，控制锌浆站旋转体上的Emerson伺服系统驱动48台电机（24个Station）进行Lift、Pump、和Refill的动作，由于已经有了超过十年的服役时间，系统稳定性出现了一些问题。（右图为原系统）
改造系统方案
新线改造后，原锌浆站上的全部机械和电气部分将被拆除，原有位置将安装新的机械装置和电控部分。新的电控部分包括：
1.两台PAC 3i PLC （安装运动控制模块***324i）通过放大器分别控制12个Station的伺服系统，每个Station包含有一台Lift和一台Pump，24轴，两套总共48轴。
2.1套ET200S用于控制伺服系统的电源以及伺服放大器Enable信号；
3.一台以太网交换机用于在PLC5、6、7及QuickPanel之间建立数据通道，传递各种报警和配方信息；
4.PLC5、6、7之间通过Profibus总线传输实时控制信息。
在锌浆站外部将安装一台新的PAC 3iPLC（PLC7）用于调度锌浆站内各个Station的动作并控制ET200对伺服放大器的上电动作，采集PLC5、6的故障信息传递给PLC1并接收PLC1传来的相关指令（如E-Stop）。
系统架构
控制要求-按工艺分为不同模块
模块1：锌浆站灌浆操作控制（PLC 7）
PLC7作为锌浆站的主控PLC包含有以下几个动能模块：
1. 电池空位信号检测：电池体进入锌浆旋转体前，需要提前检测流水线上是否存在空位。如果检测到空位，则对应的灌浆站（Station）不进行灌浆动作。
2. 灌浆时序控制：PLC7接受E-Cam的7组脉冲输出信号，根据生产工艺流程运算出时序控制信号，并以Profibus通讯方式将控制信号发给PLC5、6以完成具体的灌浆操作。
3. 锌浆站初始化控制：用于上电时初始化锌浆站，包括分步上电、配方管理（一个配方，可更改）、通信配置等。
4. 系统报警及错误处理：PLC7将采集从站（PLC5、6、ET200S）的报警，作出逻辑判断并将报警通过以太网发送给PLC1。由PLC5、6检测到的单个Station故障只影响该Station的动作，锌浆站其他Station将继续工作。由于故障导致停线时，已经触发的动作将继续执行完成。
5. E-Stop处理：PLC1可向PLC7发送E-Stop信号，PLC7在接收到该信号后将切断锌浆站的电源。伺服放大器上的E-Stop信号将连至外部的急停控制器上，用于急停联动。急停恢复时PLC5、6、7均须做一次初始化操作，以保证安全。
模块2：锌浆站灌浆工艺过程控制（PLC 5、6）
PLC5、6作为锌浆站的运动控制PLC，配置有***324运动控制模块，其功能包括：
1. Station运动控制：通过运动子程序调用控制伺服放大器和伺服电机完成灌浆动作。从站以ProfiBus通讯方式接受来自主站PLC7的灌浆控制信号, 分别对站1-12和站13-24进行灌浆工艺过程控制。
2. 系统报警及错误处理：用于捕获系统运行时产生的设备报警，并根据报警进行错误处理，如产生系统报警标志位。伺服部分的报警尽量详细，并能显示在Panel上。
3. 配方管理：PLC5、6将保存后一次正常的配方，在每次上电时自动调用该配方。QuickPanel对配方的修改将保存在PLC5、6中。
模块3：操作面板现场操作
新安装的QuickPanel将通过以太网与PLC5、6、7通信，可完成以下功能：
1. 设备的控制和监视：用户可以通过现场触摸屏监视系统设备的状态点和控制设备的动作；
2. 配方参数设置：用户可以通过现场触摸屏设置相关的配方参数；
3. 报警信息采集及系统报警复位：现场触摸屏可以显示当前产生的报警描述信息，报警信息为用户提供故障解决的参考。用户解决设备故障之后，可通过触摸屏复位掉之前产生的报警并让系统重新正常运行。
4. 故障信息统计功能：可分类统计每个Station的错误。
5. 报警可考虑形象直观的提醒图标。
原有控制系统功能改造（PLC1、PCM、PLC3）
1. 移除原先PLC 1中Emerson 运动控制系统的控制程序，并将原先PLC 1中锌浆站时序控制程序移植到PLC7中；
2. PLC1需通过以太网发送Set、Reset信号给PLC7，用于清除所有的错误。
3. PLC1和PLC7之间需作通信检测。
4. 在原先PLC 1中PCM模块上修改相关报警信息；
5. 原有空位检测信号由PLC3移至PLC7后，需对PLC3程序进行部分修改。原有的锌浆站出错检测信号将继续保留。
6. PLC1上原有的锌浆低液位报警信号继续保留。
I/O信号硬件接口
1. E-CAM脉冲输出信号：此次锌浆站该改造使用成熟的E-CAM脉冲信号触发的方式来控制灌浆站的工艺流程，E-CAM脉冲输出通道改成PNP输出类型。该部分时序控制使用以前控制方式,可直接使用现有的配置参数来配置E-CAM。E-CAM信号一共使用了8个输出通道，信号直接接到PAC3i主站（PLC 7）输入模块。
2. Lift及Pump到位检测信号：该信号已连接到现有的PLC3中，用于检测各个Station的Lift及Pump动作是否到位，如未到位将通过PLC1触发系统停线。
3. 检修门锁闭信号（Output）：该信号由PLC7产生，当生产线运行时，将检修门锁闭；
4. 检修门关闭到位信号（bbbbb）：该信号接入PLC7并通信给PLC1，当锌浆站检修门未关到位时将触发系统停线。
5. Power On/Off 信号：该信号已接入PLC1Block6，用于软起/停锌浆站。该信号在改造时将接至PLC7，PLC7控制接触器切断锌浆站电源。该开关考虑放置在不易接触到的地方。
6. 电池体空位检测信号：在锌浆站前安装空位接近开关，信号直接接到PLC 7输入模块，用于PLC7判断是否存在空位。
7. E-Stop：该信号以硬线方式接入伺服放大器和PLC1。
8. PLC1上原有的锌浆低液位报警信号继续保留。
9. 现有Panel上的各种开关、按钮、控制面板需作调整，安装新的Quick Panel后需考虑Panel24VDC的供电。原有接入PLC1 Block 7控制锌浆站的按钮将取消。其他控制按钮，含后来新增的按钮将保留。
PLC间信息交互通讯接口
1. Profibus通讯：系统主站PLC7和从站PLC5、6以及ET200S之间使用Profibus通讯交互报警数据和控制信号。
2. 以太网通讯：PLC 7需要通过以太网发送报警给PLC 1，PLC 7也要接受来至PLC1的停线或急停信号。现场触摸屏通过以太网和PLC 7进行通讯，采集监视设备状态，采集报警信息以及发送Reset信号。
项目实施效果
项目竣工以来，GEPLC和Fanuc伺服系统凭借其稳定和控制保证了设备24小时/天无间断定工作，保证工厂日均产量，客户对实施效果深表满意，后续其他改造项目正在洽谈中。