基于PLC 控制的橋式起重機電氣設計分析

范章健

（廈門國際貨柜碼頭有限公司，福建廈門 361000）

0 引言

橋式起重機傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)接線復雜，運行中經(jīng)常出現(xiàn)故障，控制效果較弱，且維護維修困難[1]。本文以ABB-PLC 控制系統(tǒng)為例進行分析，該系統(tǒng)提供AC 800M 控制器硬件配置信息，將其應用到橋式起重機控制中，具有控制線路簡單、控制系統(tǒng)安全智能等特點，可以有效提高生產(chǎn)效率，促進相關產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

1 關于橋式起重機

橋式起重機由電動機驅(qū)動車沿軌道縱向前后運動，另一車及提升機構由電動機驅(qū)動，沿橋架軌道控制設備左右運動[2]。若升降重物，則由起重電機驅(qū)動垂直運動，實現(xiàn)重物多角度、多方面運動。而PLC 橋式起重機的電氣系統(tǒng)由配電保護板塊、主副起升機板塊、PLC 控制模塊等構成，各個模塊由PLC 控制器、變頻器、糾偏設置、安全保護構成。ABB 品牌的PLC 控制器由AC 800M 控制器、機柜、CB（Control Builder）編程工具、I/O 中心、CEX-bus 通信線、CPU、DIN 軌道等內(nèi)容構成。

2 PLC 橋式起重機電氣控制系統(tǒng)理論設計

PLC 為編程邏輯控制器，將可編程數(shù)字儲存設備、電子集成技術、邏輯控制技術結(jié)合起來，靈活控制設備運作。PLC 技術可以實現(xiàn)系統(tǒng)計數(shù)、定時、步進、數(shù)據(jù)處理、通信聯(lián)網(wǎng)等多功能操作。

2.1 變頻器設計

橋式起重機設計選擇AC 800M 控制器，而其變頻器優(yōu)勢突出：

（1）軟件性能好，控制程序?qū)ψ兞控撦d的速度、轉(zhuǎn)矩、電氣制動控制效果突出。

（2）安全性能突出，保護功能齊全，過流、過載、過壓都有報警和保護功能。

（3）具有限流功能，系統(tǒng)啟動對電網(wǎng)影響小，不會影響電網(wǎng)其他設備穩(wěn)定運行。

（4）具有零速轉(zhuǎn)矩功能，吊鉤從運行到降為零速，系統(tǒng)先產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)矩，指導電磁制動器抱住電動機軸，避免溜鉤[3]。

2.2 PLC 程序設計

按照輸入、輸出信號數(shù)量、參數(shù)及性能需求，PLC 選擇ABB系列，以塊式編輯，突出優(yōu)勢主要有兩個。

（1）該程序有6 個30 kHz 計數(shù)器，可以實現(xiàn)“高速轉(zhuǎn)換”，兩路獨立的20 kHz 高速脈沖輸出，支持二進制碼轉(zhuǎn)換為起升高度，也可以細微調(diào)整起升高度參數(shù)，確保起重機穩(wěn)定運行。

（2）程序含兩個RS-485 通信編程口，變頻器開關量控制功能突出，變頻器起停、速度等開關量可實現(xiàn)個性化控制。設計PLC 程序有PPI、MPI 通信協(xié)議橋式起重機小車及起升變頻器起停、速度給定的控制質(zhì)量較強。

2.3 備用應急系統(tǒng)

一般橋式起重機PLC 及變頻器控制都有備用系統(tǒng)，正常運行為總線通信模式，支持起重機正常運作。而另一套則為開關量控制方式，用于處理應急問題和突發(fā)問題。若遇到總線緊急情況，PLC 及時切換應計系統(tǒng)，以開關量控制系統(tǒng)，并將緊急情況反饋給操作熱源，顯示故障信號[4]。此外，兩種操作系統(tǒng)其操作速度相同，在操作方面分析，兩系統(tǒng)切換無異樣操作，仍可保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

2.4 自動糾偏及電氣同步設計

以雙鉤式橋式起重機為例，設備啟動后，系統(tǒng)自動進行糾偏查驗，確保雙鉤作業(yè)位置保持同步。若偏斜量超出系統(tǒng)設置極限，糾偏系統(tǒng)進行自動糾偏處理。PLC 系統(tǒng)不是動態(tài)糾偏，其利用系統(tǒng)中的兩個閾值，一個可啟動雙鉤自動糾偏，一個可結(jié)束自動糾偏。電氣同步則是在交流傳動過程中，以具有均衡電機的電軸系統(tǒng)支持其同步。

2.5 系統(tǒng)安全設計

（1）超載保護：若重量達到可承受總重95%，則系統(tǒng)報警；重量超出總重105%，則系統(tǒng)輸出停止信號，控制起升機下降。

（2）限位保護：對主副起升限位，起升機構左右、上下限位，若達到限位值，則自動切斷該方向電源[5]。

（3）急停保護：設置有急停開關，緊急時期可按下，立刻切斷總電源。

（4）熱繼電器保護：通過電機的電流超出額定電流，會導致電機過熱，嚴重時會導致電機癱瘓。所以設置有熱繼電器保護，若電機溫度過高，則繼電器運行，斷開主回路，保護電機。

3 基于PLC 控制的橋式起重機電氣設計實踐

3.1 設計方案

完整的PLC 控制橋式起重機電氣系統(tǒng)有6 個模塊，分別由主升起機構、副升起機構、大小車運行模塊、PLC 控制機構構成。系統(tǒng)通過聯(lián)動臺控制器，輸出信號給繼電器、指示器、報警器、顯示屏（圖1）。

3.2 控制系統(tǒng)安全保護

控制系統(tǒng)的安全保護包含安全門開關、超載保護、斷相保護、限位保護、急停開關、零位保護等，上文已做詳細敘述，在此不作贅述。

3.3 輸入輸出信號合計

按照橋式起重機使用安全及控制檔位要求，需以下信號：主副鉤起升、下降、2、3、4 擋，小車大車前后左右4 個方向變換及2、3、4 擋；而對應的起升限位、大小車等，也是需要輸入輸出的重要信號之一。經(jīng)確定后，發(fā)現(xiàn)共有48 個反饋信號，且和之前對應的為31 個信號，較為重要的信號為照明、急停、復位等。

3.4 PLC 內(nèi)部邏輯運算及梯形圖繪制

3.4.1 PLC 掃描執(zhí)行原理

在采用PLC 進行掃描執(zhí)行的過程中，PLC 先對系統(tǒng)的輸出量進行采集，之后按照規(guī)定的程序進行執(zhí)行，執(zhí)行之后對輸出量進行控制，最終控制程序按照要求內(nèi)定運行。如圖2 所示，掃描從第一指令開始，無間斷地按照程序運行，之后再從頭掃描。

圖1 系統(tǒng)示意

圖2 PLC 掃描原理

3.4.2 梯形圖繪制分析

梯形圖主要由安全保護、功能選擇、控制設備、故障輸出4個關鍵部分構成，在具體設計中，需確保設備可安全運行，以此實現(xiàn)各個位置的邏輯互鎖，保障設備運行安全且穩(wěn)定。在確保安全且準確基礎上，讓梯形圖更加簡單，便于完善。

3.5 硬件選型及設計

3.5.1 PLC 選型

選型上選擇I/O 信號，控制好輸入輸出的各個信號，控制好信號的性質(zhì)、參數(shù)等內(nèi)容，保證輸出的信號是想要的信號。PLC還通過SIMENS S7200CN 支持，其核心的CPU 可輸出24 或16的數(shù)字量，對其擴展之后可以達到248 路字量，整體性能突出。采取此字節(jié)執(zhí)行系統(tǒng)操作，對應數(shù)據(jù)儲存空間，含6 個獨立運行的30 kHz 計數(shù)器，兩個獨立20 kHz 脈沖輸出。PLC 還有兩個RS-485 通信編程口，具有多種協(xié)議功能，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送、比較、四則運算。系統(tǒng)中CMP（Chip Multi Processors，單芯片多處理器）指令可對數(shù)據(jù)比對分析，MOV 指令對數(shù)據(jù)傳輸，SEGL 指令檢查指令是否有故障參數(shù)，若有則顯示給數(shù)碼管。SRMR 指令可產(chǎn)生閃爍控制信號，以此輸出聲光報警信號。系統(tǒng)的CPU、擴展模塊其高深度各不相同，而不同的模塊則采取扁平通信線方式連接。將各個模塊以上述方式拼接在一起，形成統(tǒng)一長方體，可很好地應用到機電一體化系統(tǒng)。

3.5.2 故障顯示的選型設計

配置大型的橋式起重機，需要設置好設備監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)隨時監(jiān)控起重機運作狀態(tài)，在操作人員操作起重機時，可確保人員了解橋式起重機自身狀態(tài)，檢查各個機構的限位情況，分析主要部分的工作狀態(tài)等。若橋式起重機出現(xiàn)系統(tǒng)安全隱患，則可以通過這個監(jiān)控系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)隱患，并作出正確處理。本文設計的橋式起重機PLC 系統(tǒng)選擇TP170A 作為文本顯示器，直接顯示系統(tǒng)狀態(tài)。

TP170A 顯示器的人機交互界面為先進的觸摸式交互界面，工作人員通過手指觸屏即可實現(xiàn)不同功能操作。TP170A 顯示器可以和PLC 或一些帶通信口的控制器相互配合，通過文本、圖形的方式，直觀反映出系統(tǒng)狀態(tài)，監(jiān)控烯烴運行。同時，TP170A可以對PLC 內(nèi)部的寄存器、繼電器數(shù)值等進行修改，便于操作人員靈活控制起重機，實現(xiàn)很好的控制效果。具體的應用中，應采取WinCCflexible 軟件，實現(xiàn)系統(tǒng)操作，通過計算機支持，可提高系統(tǒng)控制能力。在WinCC flexible 軟件支持下，可以在計算機上自由操作畫面，對有需求的畫面，可在計算機上下載下來。此外，應用此系統(tǒng)，若運行出現(xiàn)各種故障信息，則可以將故障信息展示在計算機上。計算機顯示器顯示的內(nèi)容，可以是圖形、位圖、圖表、背景圖畫等，不同的內(nèi)容可滿足用戶各方面的使用需求，用戶權限也大大增加。接口上分為RS-232、RS-422、RS-485 三個，用戶可根據(jù)自身需要靈活選擇端口。

4 控制效果分析

應用PLC 系統(tǒng)對橋式起重機控制，發(fā)現(xiàn)其控制效果突出。采用PLC 系統(tǒng)，其可實現(xiàn)橋式起重機平滑調(diào)速且效率較高，與原串阻調(diào)試方式相比，采用PLC 系統(tǒng)控制橋式起重機運作，起重機起動較為平穩(wěn)，且可以準確定位。系統(tǒng)通過控制頁面、手柄等相互協(xié)調(diào)，控制信號輸出，可調(diào)整電機的實際轉(zhuǎn)速，整體操作較為方便，共有4 擋位可調(diào)整，調(diào)速的范圍較寬，且可針對工程生產(chǎn)要求選擇合適的運行速度，控制大小車啟動、制動、加速、減速等操作。除此之外，采用PLC 系統(tǒng)控制橋式起重機，其節(jié)能效果突出，節(jié)能率比傳統(tǒng)電阻調(diào)速控制高節(jié)省35%電力且控制回路較為簡單，通過PLC 可實現(xiàn)系統(tǒng)軟啟、軟停，系統(tǒng)對橋式起重機齒輪、電機等都無沖擊，不易發(fā)生故障。后期對PLC 系統(tǒng)維護，維護工作較為簡單，僅需專業(yè)人員對PLC 系統(tǒng)分析測試即可，維護費用大大降低，電機啟動及停止的沖擊電流問題也得到有效解決，加之PLC系統(tǒng)可對電機落實保護功能，使得橋式起重機的行車安全性、效率大大提高，進而提高橋式起重機使用壽命。

5 結(jié)束語

綜上所述，針對橋式起重機的作業(yè)需求及相關機構參數(shù)，提出以PLC 技術對其控制系統(tǒng)設計，并對其硬件系統(tǒng)等進行設計分析。由PLC 系統(tǒng)技術支持的橋式起重機，其系統(tǒng)安全性突出，且操作簡便，可大大提高橋式起重機的控制性能，提高起重機工作效率。本文在現(xiàn)有技術基礎上，提出以PLC 控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器、電阻調(diào)速等，對電氣控制系統(tǒng)及電路保護進行安全設計，將橋式起重機的控制效率簡化分析。采用PLC 技術，還可以及時檢測出系統(tǒng)存在的不良現(xiàn)象，提前發(fā)現(xiàn)安全隱患并報警，有利于及時排除故障，降低故障后果，提高起重機的實際工作效率，所以PLC 技術在當前及未來的市場中應用前景廣闊。