一種基于PLC控制的橋式起重機系統(tǒng)的設計*

白宏偉，張 敏，張永停

(1.河南機電高等?？茖W校，河南 新鄉(xiāng) 453002;2.河南起重機器有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453002)

起重機的電氣控制系統(tǒng)由兩臺PLC組成的PLC網絡作為整個系統(tǒng)的控制核心(一臺PLC作為主站，一臺PLC作為從站);系統(tǒng)采用變頻器驅動大車、小車、主鉤、副鉤電動機，并配置相應的制動單元，實現(xiàn)制動能耗消耗，保護電氣元件;為了達到較高的定位精度，在各機構的電機軸上同軸聯(lián)接安裝有一個增量型光電編碼器作為閉環(huán)反饋，將信號反饋給變頻器，由變頻器進行速度和力矩的控制;在兩臺起重機的大車電機變頻調速系統(tǒng)之間、小車電機變頻調速系統(tǒng)之間、起升電機變頻調速系統(tǒng)之間，都各設有一個同步控制電路和一個并車控制電路，可以在任意一臺起重機的司機室進行操作，另一臺起重機將高精度地與主控起重機保持速度和位置同步，實現(xiàn)多吊點安全可靠起吊。

系統(tǒng)采用PLC通信作為各部件聯(lián)系的中樞神經，起重機駕駛室操作工通過主令控制，向PLC發(fā)出起動、停止、上升、下降、快慢、并車等指令，對應的PLC調用預先寫好的程序指令，控制變頻器完成正反轉和各種速度切換等［1］。

在駕駛室安裝觸摸屏，PLC將起重機的各種信號采集后，對各種信號進行程序處理，并通過數(shù)據(jù)線傳到觸摸屏，確保操作工動態(tài)掌握整機狀態(tài)和故障狀態(tài)等綜合狀態(tài)信息，從而對整機的狀態(tài)和故障進行實時監(jiān)控。由于PLC和觸摸屏簡單易用的編程環(huán)境，可以根據(jù)系統(tǒng)控制的要求，在最短的時間內滿足其要求，使系統(tǒng)的“柔性”大大提高。

作為主、從站的兩臺PLC控制的電氣系統(tǒng)完全相同，單臺車的系統(tǒng)結構如圖1所示:

圖1 單臺起重機電氣控制系統(tǒng)結構圖

1 系統(tǒng)特點

1.1 PLC 控制系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的接觸器線路相比較，采用PLC控制，可以使線路簡化，減少故障點，采用PLC網絡的通信技術，可以實現(xiàn)多臺起重機的集中控制、同步工作，也可以實現(xiàn)單臺起重機獨立工作。需要并車時，主站PLC向從站PLC發(fā)出命令，兩臺車并車同步工作［2］。如圖2所示。

圖2 PLC通信網絡示意圖

雖然PLC的可靠性非常高，能夠在惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定運行，但為了延長PLC的使用壽命和日常維護方便，我們將PLC和必要的外圍電路一起安裝在小型控制箱中并要求用戶經常進行日常的維護與保養(yǎng)，最大限度地延長設備的使用壽命。

1.2 PLC與變頻器配合

傳統(tǒng)的起重機調速方法較多，但都存在調速范圍小、速度穩(wěn)定性差、無法長時間低速下降載荷等缺點。本系統(tǒng)采用變頻器調速，變頻調速在節(jié)能、降低噪音、維護量小、自控性能好等方面的優(yōu)點非常突出。

1.2.1 PLC與變頻器配合實現(xiàn)多段速

橋式起重機拖動系統(tǒng)的控制動作包括:大車的左右行走及速度檔位、小車的前后行走及速度檔位、起重機升降及速度檔位等，所有這些，都必須通過PLC進行無觸點控制。本系統(tǒng)設計有4個檔位速度(實際可達8檔速度)。

1.2.2 PLC與變頻器配合實現(xiàn)防溜鉤控制

在電磁制動器抱住之前和松開之后的瞬間，發(fā)生重物由停止狀態(tài)下滑的現(xiàn)象，稱為溜鉤。從安全角度考慮，在起重機起動階段，電動機先不打開抱閘，而是利用ASC800變頻器N697提升宏軟件和預勵磁功能(直流制動勵磁功能)，給電動機加勵磁，利用力矩確認的方法測量電動機電流和力矩達到一定閥值時，抱閘打開，小于閥值時關閉抱閘，依靠變頻器優(yōu)越的力矩控制功能(零速全轉矩功能)，杜絕了主副鉤溜鉤的現(xiàn)象。

1)零速全轉矩功能。

變頻器可以在速度為零的狀態(tài)下，保持電動機有足夠大的轉矩。這一功能保證了起重機在升降狀態(tài)降為零時，電動機能夠使重物在空中停止，直到電磁制動器將軸抱住為止，從而防止了溜鉤。

2)起動前的直流強勵磁功能。

變頻器可以在起動之前自動進行直流強勵磁，使電動機有足夠大的轉矩(有速度傳感器的矢量控制:200%rpm;無速度傳感器的矢量控制:150%/0.5Hz)，維持重物在空中的停住狀態(tài)，以保證電磁制動器在釋放過程中不會溜鉤。

3)防止溜鉤的控制需要注意的關鍵問題。

①電磁制動器在通電到斷電(或從斷電到通電)之間是需要時間的，大約0.6秒(視型號和大小而定)。因此，變頻器如過早地停止輸出，將容易出現(xiàn)溜鉤。

②變頻器必須避免在電磁制動器抱閘的情況下輸出較高頻率，以免發(fā)生“過流”而跳閘的誤動作。

1.3 PLC與觸摸屏的配合

在本系統(tǒng)中，PLC在整個閉環(huán)控制系統(tǒng)中是作為控制器來使用的;系統(tǒng)運行時，主令控制器、觸摸屏發(fā)出的控制信號和反饋信號作為PLC的輸入信號;本系統(tǒng)觸摸屏軟件共有六個顯示界面:開機界面、主界面、主起升界面、副起升界面、大車界面、小車界面，各個界面之間利用界面互換按鈕進行連接，以利于操作人員方便地控制起重機系統(tǒng)，實現(xiàn)各個界面之間進行自由的切換。主界面為主要操作界面，共有四個界面切換按鈕，分別是主起升界面、副起升界面、大車界面、小車界面。這四個界面通過每個界面上的“返回”按鈕返回到主界面。利用主界面及下屬的四個界面，操作人員可以方便地控制起重機系統(tǒng)。同時，PLC將起重機的各種信號采集后，對各種信號進行程序處理，并通過數(shù)據(jù)線傳到觸摸屏，確保操作工動態(tài)掌握整機狀態(tài)和故障狀態(tài)等綜合狀態(tài)信息，從而對整機的狀態(tài)和故障進行實時監(jiān)控［3］。

2 應用

我們用以上控制系統(tǒng)設計了80/20型橋式起重機，選用兩臺三菱F2N－128MR組成的PLC網絡作為CPU，采用PLC的通信技術實現(xiàn)主站對從站的控制。

該PLC為直流24V輸入、繼電器輸出，可以有效地進行輸出信號的隔離。系統(tǒng)采用PLC邏輯控制后，既能實現(xiàn)對開關量的邏輯控制，還有強大的計算功能，并能實現(xiàn)與工業(yè)計算機之間通信;變頻器采用ABB－800系列。ABB－800系列變頻器具有大起動轉矩、過載能力強、多段速功能端子輸入及抱閘控制和報警控制輸出、內置制動單元、外接制動電阻的功能，采用先進的矢量控制模式。這樣起重機的整體性能會有很大提高，速度可在0－100HZ整個調速范圍內連續(xù)可調，速度比在1:100以上，調速精度為±1%，調速穩(wěn)定，負載突然變化時有極高的動態(tài)響應，可以長時間低速運行，使其具有較高的定位精度，可達毫米級［4］。

以主起升機構系統(tǒng)為例，系統(tǒng)如圖3所示:變頻器的各端子說明如下:

圖3 主起升機構系統(tǒng)圖

DI1S:正轉 DI2S:反轉 DI3S、DI4S、DI5S:速度組合 DI6S:故障復位

RO22S、RO23S、RO31S、RO33S:繼電器輸出

PLC端子及控制關系說明:上述系統(tǒng)中PLC為控制中心，它的輸入信號來自主令控制器(如圖4所示，用以控制主鉤電動機的正反轉和多段速及零位保護)和變頻器(故障輸出、制動器控制信號)以及超載、限位等檢測信號。它的輸出信號控制變頻器和主電路(制動器、風機、變頻器電源電路)的通斷。

圖4 主令控制器

本系統(tǒng)PLC程序為一般的順序控制程序，其中的關鍵是要理清系統(tǒng)工作過程中實際需要的控制關系，以及把主令控制器的運行及速度指令邏輯轉換為三位二進制輸出給變頻器多段速輸入端。多段建PLC程序如圖5所示。

圖5 多段速PLC程序

工作過程:系統(tǒng)上電后，在無故障反饋情況下，司機室駕駛員通過聯(lián)動臺的主令控制器發(fā)出操作指令信號給PLC，PLC根據(jù)內部程序的執(zhí)行結果輸出給變頻器正反轉和多段速輸人端，從而控制主鉤的升降運行和變速。該起重機采用三菱A970GOT觸摸屏，實現(xiàn)人機界面直接監(jiān)控，使用組態(tài)軟件進行畫面向導，方便地組態(tài)批量數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)過程診斷、快速定位和排除過程故障，最大限度地減少故障時間;顯示系統(tǒng)由觸摸屏在線顯示，相關的主要參數(shù)有各機構的運行狀態(tài)、各機構的故障狀態(tài)。

3 結束語

本文主要介紹了PLC+變頻器+觸摸屏+編碼器的橋式起重機智能控制方案，系統(tǒng)為一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)，定位精度較高，可以滿足其他起重機無法滿足的高吊裝要求;系統(tǒng)拓展性較強，可以與工業(yè)計算機之間進行通信，可以廣泛應用到電力、港口碼頭、鋼鐵、造船、礦山等行業(yè)，發(fā)展空間十分廣闊。

［1］王衛(wèi)兵.可編程序控制器原理及應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1997.

［2］常斗南.可編程序控制器［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.

［3］張運剛，宋小春.從入門到精通——觸摸屏技術與應用［M］.北京:人民郵電出版社，2007.

［4］李方圓.變頻器自動化工業(yè)實踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.