西門子G120在抓斗起重機(jī)控制中的應(yīng)用

摘要：本文結(jié)合紫金礦業(yè)集團(tuán)琿春多金屬有限公司的2臺(tái)抓斗起重機(jī)項(xiàng)目，介紹了西門子G120變頻調(diào)速系統(tǒng)在抓斗起重機(jī)中的控制方式、參數(shù)設(shè)置;并通過(guò)兩臺(tái)G120的主從控制模式，結(jié)合PLC的邏輯控制，實(shí)現(xiàn)了開閉和升降電機(jī)在滿抓過(guò)程中的力矩平衡。

關(guān)鍵詞：抓斗起重機(jī);變頻調(diào)速系統(tǒng);PLC控制;參數(shù)設(shè)置;主從控制模式;力矩平衡

前言

?? ?起重機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛應(yīng)用，用來(lái)實(shí)現(xiàn)物體在三維空間中的轉(zhuǎn)運(yùn)。其中水平面上兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)分別由大、小車完成，稱為行走系統(tǒng);而垂直方向的運(yùn)動(dòng)則由起升機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)。大多數(shù)的起重機(jī)通過(guò)吊鉤與被運(yùn)物體相連，而當(dāng)被運(yùn)物體為粉狀或小顆粒狀時(shí)，則需要通過(guò)抓料斗，這就是抓斗起重機(jī)。其中專門負(fù)責(zé)升、降運(yùn)動(dòng)的電機(jī)稱為升降電機(jī)，另一臺(tái)開閉電機(jī)除了負(fù)責(zé)抓斗的打開和閉合（放料和抓料）外，抓斗升降時(shí)，它還會(huì)同升降電機(jī)一起出力。

抓斗起重機(jī)的抓斗傳動(dòng)系統(tǒng)由開閉機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)兩部分組成，通過(guò)鋼絲繩與各自的滾筒聯(lián)接，兩者之間沒(méi)有任何電氣聯(lián)鎖，也無(wú)法加裝合適的檢測(cè)開關(guān)，在抓斗起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，滿抓啟升過(guò)程是技術(shù)關(guān)鍵，也是操作難點(diǎn)，在滿抓啟升過(guò)程中，抓斗升降、開閉電機(jī)容易出現(xiàn)受力不均勻的情況，需要起重機(jī)操作員靠經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)動(dòng)調(diào)整抓斗升降及抓斗開閉鋼絲繩的松緊度，并掌握抓斗提升電機(jī)投入運(yùn)行的時(shí)機(jī)，如果抓斗開閉電機(jī)的鋼絲繩太松，易造成抓斗料斗漏料;如果抓斗升降電機(jī)的鋼絲繩太松，則開閉電動(dòng)機(jī)單獨(dú)受力過(guò)載，容易引起電機(jī)損壞或鋼絲繩斷裂。此過(guò)程要求起重機(jī)操作員具有較強(qiáng)的操作經(jīng)驗(yàn)和較高的操作技巧，而且需要操作員精神集中，勞動(dòng)強(qiáng)度大。本文根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目介紹一種操作簡(jiǎn)單、安全可靠的控制方法來(lái)解決這一實(shí)際困難。

1.系統(tǒng)整體概述

抓斗橋式起重機(jī)主要由橋架、小車、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、司機(jī)室、抓斗及電控設(shè)備等部分組成。

本項(xiàng)目起重機(jī)的起重重量16噸，起升高度19.5米，跨度31.5米，起升開閉速度4-40米/分鐘，大車行走速度9.45-94.5米/分鐘。抓取的物料為精銅礦和石英砂，采用3.2立方米容量的抓斗。大車由2臺(tái)15kw的變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，小車由2臺(tái)4kw的變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，開閉和起升機(jī)構(gòu)各由一臺(tái)75Kw的變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng);開閉升降變變頻器配置分別由功率單元6SL3224-0BE38-

8UA0、控制單元6SL3246-0BA22-1BA0、控制面板6SL3255-0AA00-4CA1組成?？刂葡到y(tǒng)主要由PLC、變頻器、聯(lián)動(dòng)操作臺(tái)等組成。PLC采集手柄控制器信號(hào)，經(jīng)過(guò)程序進(jìn)行邏輯判斷，依據(jù)判斷結(jié)果調(diào)節(jié)變頻器的輸出，來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方向、轉(zhuǎn)速。在變頻器分配方面，大車小車的變頻器都采用一拖二的方式，即一臺(tái)變頻器同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī);開閉和起升各采用一臺(tái)變頻器進(jìn)行矢量主從控制。

2.系統(tǒng)控制原理

大車小車分別設(shè)有正反向和三檔速度可調(diào)，變頻器采用V/F控制方式，速度調(diào)節(jié)為固定速度調(diào)節(jié)，通過(guò)司機(jī)室左邊的操作手柄進(jìn)行操作。起升和開閉也分別設(shè)正反向和三檔速度可調(diào)，起升設(shè)有轉(zhuǎn)矩和速度切換控制，起升和開閉變頻器采用帶變頻器的矢量控制方式。

傳統(tǒng)的滿抓功能的實(shí)現(xiàn)，是開閉電機(jī)全速閉合，升降電機(jī)處于反接狀態(tài)，同時(shí)轉(zhuǎn)子又接入大電阻，由此產(chǎn)生的反向低力矩僅能拉緊支持繩。實(shí)際上電阻器的計(jì)算比較粗略及選型及制造上的誤差，力矩的給定值不能調(diào)整，因而造成現(xiàn)場(chǎng)滿抓功能的實(shí)現(xiàn)困難。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)滿抓功能，在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，我們采用了西門子G120變頻器系列的CU250S-2控制單元的主從控制功能結(jié)合PLC的邏輯控制功能。

我們把開閉電機(jī)作為主軸，起升電機(jī)作為從軸，為實(shí)現(xiàn)力矩平衡和滿抓功能，從軸的力矩給定值通過(guò)PLC控制繼電器在主軸的力矩實(shí)際值輸出和PLC的給定值之間切換。滿抓操作時(shí)，操作員把主軸變頻器打到三檔閉合狀態(tài)，抓斗快速閉合，此時(shí)PLC把從軸變頻器轉(zhuǎn)換到力矩工作模式，并把從軸的力矩值切換到由PLC的模擬量輸出口給定。PLC給定從軸一個(gè)向上的小力矩既能使升降鋼絲繩保持張緊狀態(tài)又能使鋼絲繩不脫槽。由于給定的力矩很小不足以維持不斷增加的物料和抓斗自身重量抓斗會(huì)下降，在抓斗閉合過(guò)程中斗不斷沉入料堆，使得抓取更多的物料，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)滿抓功能。

抓斗完全閉合上升時(shí)，當(dāng)PLC檢測(cè)到開閉變頻器AO1口輸出的力矩值大于力矩平衡設(shè)定值時(shí)輸出信號(hào)把升降變頻器的力矩給定值切換到由開閉電機(jī)變頻器AO0給定。即升降變頻器跟隨開閉變頻器的輸出力矩，達(dá)到力矩平衡，而不需要靠起重機(jī)操作員憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷抓斗升降電機(jī)投入運(yùn)行的時(shí)機(jī)，抓斗升降和開閉鋼絲繩受力平均，使抓斗勻速上升。而在滿抓過(guò)程中，滿抓啟升過(guò)程時(shí)間短、抓料量穩(wěn)定而且運(yùn)行平穩(wěn)沒(méi)有沖擊，既擺脫了對(duì)操作員經(jīng)驗(yàn)的依賴，又降低了操作員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作質(zhì)量。

開閉升降變頻器的參數(shù)設(shè)定如下表一、表二：

表一：開閉變頻器參數(shù)設(shè)定

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表二：升降變頻器參數(shù)設(shè)定

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件由西門子314CPU、西門子G120變頻器、操作手柄、繼電器等組成。

3.1變頻器控制

PLC的邏輯輸出通過(guò)繼電器隔離連接到變頻器的輸入點(diǎn)控制變頻器的啟停、調(diào)速、轉(zhuǎn)矩/速度切換。開閉變頻器的模擬量輸出AO0通道與升降變頻器模擬量輸入AI0通道實(shí)現(xiàn)主從連接;開閉變頻器的AO1通道信號(hào)輸入到PLC的模擬量模塊，通過(guò)PLC程序處理轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩限幅后由PLC的模擬量模塊通道輸出給定到升降變頻器的AI1通道。

圖一：升降變頻器控制原理圖

圖二：開閉變頻器控制原理圖

3.2 PLC硬件配置

?? PLC的數(shù)字量輸入點(diǎn)有操作手柄的信號(hào)，數(shù)字量輸出點(diǎn)有變頻器的方向和速度切換，模擬量輸入輸出點(diǎn)分別是主軸力矩實(shí)際值和從軸力矩給定值。PLC選用西門子的S7-314C PN/DP，并分別選了一個(gè)數(shù)字量輸入輸出模塊做系統(tǒng)的連鎖控制。PLC的硬件配置圖如下：

圖三：PLC硬件組態(tài)圖

4.結(jié)束語(yǔ)

2臺(tái)抓斗起重機(jī)在琿春多金屬有限公司的安裝調(diào)試運(yùn)行以來(lái)，設(shè)備一直穩(wěn)定可靠，與普通抓斗起重機(jī)相比具有對(duì)機(jī)械設(shè)備沖擊小，調(diào)速平穩(wěn)，大大降低操作員的勞動(dòng)強(qiáng)度和操作難度，減少了崗位對(duì)操作經(jīng)驗(yàn)的依賴，并具有維修維護(hù)簡(jiǎn)單，維修費(fèi)用低的特點(diǎn)。

作者簡(jiǎn)介：

歐陽(yáng)倫云（1974—），男，湖南省洞口縣人，湖南株洲天橋起重機(jī)股份有限公司，電氣工程師，學(xué)士，起重機(jī)械的電氣設(shè)計(jì)、研發(fā)、項(xiàng)目管理及參與等工作。