鑄造起重器的西門子電氣控制系統(tǒng)設計

李俊

（臨汾職業(yè)技術學院，山西 臨汾 041000）

鑄造起重機作為鋼廠冶煉車間的主要運輸設備，在冶煉的過程中能夠實現葉天金屬的轉運、澆注等作業(yè)，操作簡單方便，有助于提高鑄造車間的生產效率。而傳統(tǒng)的鑄造起重機采用的是直接啟動電動機的方案，調速的范圍小，無法高速運行，控制電路也十分的復雜，提高了系統(tǒng)的故障發(fā)生率。因此，起重工作中的合理化電氣控制系統(tǒng)能夠有效地降低起重過程中的位置偏差、能耗大等問題，實現車間的高效運作。本文以鑄造起重機的電氣控制系統(tǒng)作為研究的對象，使用西門子PLC控制系統(tǒng)針對傳統(tǒng)起重機中的缺陷提出有效的控制策略，進而保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

1 鑄造起重機控制系統(tǒng)總體設計

該煉鋼廠的鑄造起重機由傳動機構、電氣控制系統(tǒng)和金屬結構三部分組成，金屬結構主要包括主副梁、端梁以及司機室三部分組成，也是整個鑄造起重機的結構和框架，傳動部分主要包括大車小車的運行機構以及主起升機構。電氣控制系統(tǒng)包括供電系統(tǒng)、電器元件等。

1．1 鑄造起重機PLC設計方案

選用簡單的PLC系統(tǒng)實現各個模塊的功能。其功能如圖1所示。

圖1 鑄造起重機控制功能圖

該起重機CPU模塊選擇6ES315產品，輸出和輸入模塊共12個節(jié)點，PLC系統(tǒng)分為主站和從站，分別安裝在電氣橋箱內和駕駛室內。

該起重機采用定子調壓調速系統(tǒng)，采用交流變頻調速系統(tǒng)實現平移，其負載的260噸左右，兩臺電動機的惡性電流為1600A，變頻器的特性無法滿足力矩，因此，在起升機構上選用了調壓調速裝置，平移機構選用交流變頻調速。

1．2 控制設備的選型

1．2．1 PLC 選型

PLC程序的設計需要綜合考慮控制的對象，確定控制獨享完成的動作以及控制的順序。按照生產工藝的要求，確定I/O點數和類型，列出清單。按照內存的容量選擇適當的余量，對控制系統(tǒng)選擇使用程序所需要的內存容量。對于模擬量的輸入和輸出控制系統(tǒng)需要100個存儲器字。PLC硬件的選擇上要考慮其使用的性能，結合電氣控制系統(tǒng)的實現功能和系統(tǒng)的要求繪制出電氣控制線路圖，按照控制的要求和功能順序進行軟件控制的設計，并繪制出梯形圖。在程序設計時，預先設計好內部的繼電器、定時器等，表明用途和控制的順序。按照模擬調試的情況對PLC進行現場的連接，檢查各個系統(tǒng)的運行情況。

按照上述的要求，該鑄造起重機PLC選擇西門子S7-300中的314和315兩種型號。由于該鑄造起重機有三個運行機構，采用的輸入和輸出模塊不是很多，因此，采用314的CPU完全能夠滿足電控系統(tǒng)的需求。315的CPU具有較高的安全性能，對每個運行機構都能夠很好的控制。采用6ES716點輸入，采用6ES7 32216點輸出。

1．2．2 調壓調速裝置選型

電動機的調壓調速作為一種先進的調速方式，這種調速方式運行穩(wěn)定可靠，并且在國內外的一些鑄造行業(yè)中廣泛應用。圖2為調速調壓裝置的運行曲線。當給定速度n1和負載M1，調壓調速裝置運用調速曲線對電動機的輸出供電電壓進行調節(jié)，進而使得曲線內移，與真實的調速曲線相吻合，進而得到對應的工作點Q。

圖2 調速曲線

在鑄造起重機中，電動機轉子的工作狀態(tài)和發(fā)熱情況對其工作狀態(tài)和系統(tǒng)的性能具有很大的影響。為了保障在低壓的狀態(tài)下系統(tǒng)能夠進行正常的調速調壓，需要確定輸出力矩，保障晶閘管具有較大的輸出電流。因此，調壓調速系統(tǒng)SIEMENS公司的調速裝置，該裝置采用閉環(huán)控制的方式，工作特性和總體的性能良好。

2 傳動系統(tǒng)參數設計

2．1 調壓調速系統(tǒng)參數設計

260噸鑄造起重機主起升機結構的基本參數如表1所示。

表1 260噸鑄造起重機主起升機基本參數

傳動系統(tǒng)采用雙電機，整體減速，如果發(fā)生故障，另一臺仍舊能夠進行短時期的工作。

在起重機調壓調速系統(tǒng)中，電動機轉子電阻器起著十分關鍵性的作用，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電動機的工作狀態(tài)和發(fā)熱情況具有很大的影響。本文選取的調壓調速裝置主起升機電動機的轉子需要按照生產的工藝流程進行。主起升機主要的抵押電氣元件有換向接觸器、轉子接觸器以及主斷路器。換向接觸器滿足額定電流800A，閉合代開滿足調壓調速裝置的要求。轉子接觸器額電流500A，能夠實現調壓調速裝置線圈快速閉合和打開時間的要求。主斷路器額定電流1600A，具有電子脫扣裝置，保護設定的參數范圍，對脫扣裝置的性能及時的反饋，進而滿足對調壓調速裝置的全面保護。

2．2 變頻調速系統(tǒng)參數設計

變頻控制器可以分為v/f控制變頻器和轉差頻率控制變頻器等類型，260噸鑄造起重機在電動機和減速機不便，采用采用的是v/f控制變頻器。v/f控制變頻器初期采用采用的是v/f的控制方式，但是，定子在實際的運行中存在著阻礙，因此，當電動機低速轉動時，需要進行降壓控制，進而保障電動機能夠在低速區(qū)域運行時仍舊能夠獲得較大的輸出轉矩。大車機構變頻器選擇兩臺acs800-04-026的變頻器，這樣利用原有繞線式異步電動機短接轉子滑環(huán)后使用。主小車機構變頻器選型為兩臺電動機，電流為55A，電阻器專門配置配合生產。

3 PLC控制功能的設計和實現

3．1 PLC 程序的結構

鑄造起重機電氣控制系統(tǒng)的核心為PLC控制系統(tǒng)，能夠實現對整機電氣系統(tǒng)的自動化控制、運行監(jiān)控和故障報警等功能。由于鑄造起重機各個結構組成部分相互獨立，因此，采用模塊化的集成系統(tǒng)。在組織塊OBI中決定哪一個模塊具備什么樣的功能，并且完成各個模塊的自動化控制。執(zhí)行完后返回到OBI中，實現人機界面數據的交換。

3．2 主起升機構控制

起重機聯通后，PLC實現自檢功能，對各個硬件模塊以及DP網絡進行檢驗，發(fā)現故障所在。一切正常后才可以操作起重機。PLC故障檢測中還設定了定子調壓裝置的檢測、過熱保護以及過載保護等。主起升機構控制具體實現流程：主起升機首先需要選擇電機，選擇是雙電機操作還是單電機操作。選擇完成后啟動調壓調速裝置，選擇上升還是下降。如果選擇了上升操作，則進行上升運行；如果選擇了下降操作，則進行下降運行。之后診斷電機的故障，如果無故障存在，則繼續(xù)檢驗是否過載，之后歸零。

3．3 大車機構控制

大車機構的控制與主起升機控制系統(tǒng)具有相似的特點。具體控制流程為：啟動變頻調速裝置后，選擇左行還是右行，如果選擇了左行，則進行左行操作和運行，檢測電機的故障和變頻器的故障等情況之后手柄回歸零位。如果選擇右行，則需要進行右行操作，檢驗電機的故障和變頻器的故障，之后手柄歸零。大車機構設置了左右限位，當達到右極限時，右行操作斷掉，只能選擇左行。反之，則只能進行右行操作。

3．4 監(jiān)控系統(tǒng)功能實現

監(jiān)控系統(tǒng)能夠現場監(jiān)控鑄造起重機，大量采集運行的參數和信息數據，進而有效地判斷設備的故障和問題，進而為鑄造生產提供正確的參數。鑄造起重機現場網絡提供了起重機維護平臺和系統(tǒng)的監(jiān)控平臺，與電氣設備相配合，通過現場總線的控制實現對電氣設備和傳感通訊設備等的集中控制，進而監(jiān)控起重機鑄造過程中的運行狀態(tài)，其結構圖如圖3所示。

圖3 鑄造起重機監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

起重機維護平臺設置在電氣室內，通過維護人員進行系統(tǒng)的維護和定期的調試；起重機監(jiān)控系統(tǒng)能夠為起重機的故障診斷和維修運行提供正確的參數和運行書庫，給維修提供重要的參數依據，極大地保障了設備的安全運行。同時，兩個平臺在同一個地點，保障電源供應和系統(tǒng)環(huán)境更加的安全穩(wěn)定。

4 結語

鑄造起重機的電氣控制系統(tǒng)結構復雜，存在一定的控制暗度。本文針對傳統(tǒng)鑄造起重機電氣控制問題，發(fā)揮西門子PLC控制系統(tǒng)和調壓調速變頻器的重要作用和價值，取得了良好的控制效果，并且與鑄造生產中的自動化控制提供了可參考的依據。