PLC與變頻器在橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用

楊 旭

（唐鋼中厚板材有限公司，河北 唐山 063000）

1 系統(tǒng)控制要求及設(shè)計(jì)

1.1 橋式起重機(jī)介紹及系統(tǒng)控制要求

橋式起重機(jī)的主要用途是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)施工的需要將被運(yùn)輸?shù)奈矬w在空間內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)或運(yùn)輸，其是由主起升系統(tǒng)、副起升系統(tǒng)以及運(yùn)行系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成。橋式起重機(jī)的工作結(jié)構(gòu)分為大型車的工作結(jié)構(gòu)和小型車的工作結(jié)構(gòu)兩部分，大型車的工作結(jié)構(gòu)掌控向前和向后，小型車的工作結(jié)構(gòu)掌控向左和向右。同時(shí)，根據(jù)工作的速度分為4個(gè)擋位，操作時(shí)的加速時(shí)長(zhǎng)或減速時(shí)長(zhǎng)保持在3秒到6秒之間。 一般來說，小型車的工作結(jié)構(gòu)需要1個(gè)引擎執(zhí)行操作任務(wù)，而大型車工作結(jié)構(gòu)需要2至4個(gè)引擎執(zhí)行操作任務(wù)。由于大型車和小型車均在運(yùn)行中產(chǎn)生強(qiáng)烈的慣性作用，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中會(huì)在發(fā)電過程產(chǎn)生諧波電壓的情況，因此，設(shè)備在工作期間需要通過制動(dòng)阻力調(diào)整制動(dòng)控制單元，以此實(shí)現(xiàn)控制能量。

1.2 設(shè)計(jì)要求

本文將起重機(jī)調(diào)控結(jié)構(gòu)與PLC技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，進(jìn)而起重機(jī)在運(yùn)行過程中通過運(yùn)用變頻器完成在調(diào)速過程對(duì)PLC系統(tǒng)的控制信號(hào)的接收工作[1]。但是設(shè)備在實(shí)際的運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)諧波污染的情況，因此，本文將電抗器安裝于每一個(gè)工作中的變頻器中，不僅解決諧波污染問題，同時(shí)，更好的把控電流峰值，整流二極管得到更好的保護(hù)，延長(zhǎng)使用壽命。同時(shí)，將電源輸入口增添斷路器裝置，避免變頻器產(chǎn)生短路的狀況。

1.3 改造后控制系統(tǒng)基本情況

通過對(duì)起重器的運(yùn)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新和完善之后，以PLC控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)稱為下機(jī)位機(jī)構(gòu)，以工業(yè)觸摸屏系統(tǒng)為基礎(chǔ)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)又稱為上機(jī)位機(jī)構(gòu)或變頻器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。本文將在如下部分對(duì)這些運(yùn)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.3.1 起升機(jī)構(gòu)

起升機(jī)構(gòu)即為負(fù)載機(jī)構(gòu)。在實(shí)際生產(chǎn)中，其內(nèi)部的主機(jī)構(gòu)與副機(jī)構(gòu)通過搭配兩臺(tái)變頻器完成各自電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。變頻器的選擇是以額定電流為參考依據(jù)，一般情況下，其選擇更多參考電動(dòng)機(jī)的額定電流值、電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率以及變頻器的使用速度等因素[2]。除此之外，起升機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)需要借助PG的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)，PLC技術(shù)直接接收電動(dòng)機(jī)的傳輸信號(hào)，通過傳輸信號(hào)控制起升機(jī)構(gòu)，進(jìn)而避免吊鉤下滑的現(xiàn)象。

1.3.2 運(yùn)行機(jī)構(gòu)

在具體的運(yùn)行過程中，用到起重機(jī)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)較少。因此，在對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，通過一臺(tái)變頻器進(jìn)行控制，控制運(yùn)行成本。而此時(shí)變頻器的選擇更加重視對(duì)電動(dòng)機(jī)額定功率的考慮，一般狀況而言，選用較大額定功率的變頻器可以達(dá)到更好的變頻效果。

2 PLC與變頻器的通訊設(shè)計(jì)

起重機(jī)運(yùn)行過程中的調(diào)速是依靠變頻器完成，因此，在實(shí)際工作中是通過變頻器的運(yùn)行完成對(duì)起重機(jī)控制體系的調(diào)控[3]。PLC技術(shù)同時(shí)支持多個(gè)通信設(shè)備包括公司專用協(xié)議與通用協(xié)議等工作。在操作過程中，通過控制工業(yè)觸摸屏技術(shù)控制起重機(jī)的速度調(diào)節(jié)，將PLC控制系統(tǒng)與MPI接口處相連接產(chǎn)生體積較小的MPI網(wǎng)點(diǎn)，并且通過S7-200完成數(shù)據(jù)信息以188KB/S的速度轉(zhuǎn)移到人機(jī)界面的流程。

2.1 上位機(jī)與PLC之間的通信設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)的硬件裝置中，將PLC技術(shù)連接至上機(jī)位，并且對(duì)PLC技術(shù)實(shí)施集中管控。而對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的軟件裝置，需要將PLC技術(shù)與上機(jī)位進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以實(shí)現(xiàn)交換通信信息的目標(biāo)。

2.2 采用USS協(xié)議指令的編程順序

在控制機(jī)構(gòu)中，USS-INIT用于轉(zhuǎn)換或更改通信信息和USS數(shù)據(jù)的參數(shù)。USS-INIT協(xié)議一般用于用戶程序，其能夠自動(dòng)將隱藏的子程序編譯為程序，從而形成可以由后臺(tái)軟件的分區(qū)自動(dòng)控制的活動(dòng)變頻器，以此防止變頻器因?yàn)椴⒙?lián)引發(fā)故障。經(jīng)過上述的分析，轉(zhuǎn)換后的控制系統(tǒng)能夠監(jiān)控網(wǎng)帶的工作速度，并保證變頻器的工作狀態(tài)隨時(shí)可控。

3 PLC控制系統(tǒng)中各個(gè)模塊在改造中應(yīng)用

通過對(duì)橋式起重機(jī)控制機(jī)構(gòu)的改造與創(chuàng)新，PLC技術(shù)的首要工作是接收和輸入壓力開關(guān)發(fā)送的信號(hào)，分析當(dāng)下系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，接著輸出相關(guān)信息，最終對(duì)繼電器進(jìn)行控制，此過程是整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。下列方法用于軟件設(shè)計(jì)的PLC技術(shù)設(shè)計(jì)。

3.2 按鈕處理模塊的應(yīng)用

按鈕的處理是控制電動(dòng)機(jī)或者控制電磁閥操作過程的開啟和終止。對(duì)橋式起重機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新完善后，按鈕模塊主要用于整個(gè)電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)控制和電磁閥及其實(shí)際工作框架的工作模型系統(tǒng)的分析和控制。主要方式是通過啟動(dòng)和停止電磁閥，改善整個(gè)系統(tǒng)的控制功能，優(yōu)化工作效率和整體工作質(zhì)量。因此，只有有效地控制按鈕模塊，管理結(jié)構(gòu)和管理效果才能滿足實(shí)際的工作要求，并且保證更好的優(yōu)化整體運(yùn)營(yíng)結(jié)構(gòu)和管理參數(shù)。

3.2 通訊模塊的應(yīng)用

PLC控制機(jī)構(gòu)主要利用PLC技術(shù)控制變頻器的運(yùn)行，進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。因此，通信模塊的應(yīng)用是通過對(duì)控制器的指令信號(hào)或者按鈕模塊的指令信號(hào)進(jìn)行接收，完成后通過CPU處理器對(duì)信號(hào)或指令進(jìn)行計(jì)算和分析，最終將軟件計(jì)算結(jié)果發(fā)送至變頻器或其他工作設(shè)備，保證最終得以順利完成操作任務(wù)。在模擬和分析通信模塊的運(yùn)行過程中，相關(guān)技術(shù)人員需要對(duì)模塊的工作效率和工作有效性進(jìn)行分析和研究，以保證控制模型以及參數(shù)機(jī)構(gòu)符合實(shí)際要求。通過對(duì)PLC技術(shù)的分析與研究，我們可以得到PLC技術(shù)能夠在集中操控變頻器的同時(shí)，還可以控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，運(yùn)行模塊集中的價(jià)值是可以完成對(duì)有效命令的接收工作，并且將收集到的有效指令進(jìn)行統(tǒng)一處理調(diào)配。

另外，值得注意的是，在用PLC技術(shù)完全處理通信模塊的過程中，向按鈕發(fā)送的控制信號(hào)可以統(tǒng)一處理，以保證相關(guān)信號(hào)指令符合具體要求，通過計(jì)算和分析CPU處理器，從而改善控制效果，確?？刂颇Ｐ头瞎ぷ鞯木唧w要求。在系統(tǒng)整體運(yùn)行機(jī)構(gòu)的末端，為了確保系統(tǒng)工作過程的完整性，首先，將程序計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一集中整理，相關(guān)程序可以有效地計(jì)算系統(tǒng)的相應(yīng)運(yùn)行結(jié)果，并將結(jié)果輸送到變頻器以及其他工作儀器，從而保證相關(guān)工作的完成率得到大幅度提升。除此之外，因?yàn)槎鄶?shù)通信模塊在中央處理器處集中運(yùn)行，相關(guān)工作可以得以集中分析和解決，因此，其計(jì)算結(jié)構(gòu)能夠直接輸送到Profibus產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)的輸出模塊和結(jié)構(gòu)，使得執(zhí)行設(shè)備整體的工作效率和有效性得到大幅度提升。

3.3 PID控制模塊的應(yīng)用

控制起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的工作速度在實(shí)際運(yùn)行中有著十分重要的意義。系統(tǒng)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)的速度必須通過轉(zhuǎn)換式編碼設(shè)備的檢測(cè)，轉(zhuǎn)換卡將相關(guān)參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后發(fā)送到變頻器，將這時(shí)的工作速度與之前規(guī)定的運(yùn)行速度進(jìn)行比對(duì)，之后使用PID控制計(jì)算的方法執(zhí)行操作。因此，系統(tǒng)中起重機(jī)構(gòu)的調(diào)控是與PID控制模塊一起，連同PID控制算法共同實(shí)現(xiàn)的。為了使橋式起重機(jī)的工作機(jī)構(gòu)得到有效地創(chuàng)新，需要集中處理整個(gè)工作模式，同時(shí)，在管理和控制系統(tǒng)上，提高管理的水平。相關(guān)技術(shù)人員在運(yùn)行主要提升機(jī)和輔助提升機(jī)的過程中，需要將其運(yùn)行速度進(jìn)行整體的整合與分析處理，以保證技術(shù)性能滿足實(shí)際的要求，并且系統(tǒng)的編碼器可以集中處理電動(dòng)機(jī)工作速度等信息。

目前，大部分系統(tǒng)均使用旋轉(zhuǎn)編碼設(shè)備集中測(cè)量電動(dòng)機(jī)的工作速度，在完成測(cè)量后，數(shù)字信息與數(shù)字量通過數(shù)模轉(zhuǎn)換板進(jìn)行系統(tǒng)地傳輸。數(shù)小時(shí)后，為了保證執(zhí)行測(cè)量滿足實(shí)際的要求，需要將預(yù)設(shè)速度集中統(tǒng)一進(jìn)行比對(duì)。此外，技術(shù)人員在使用傳統(tǒng)的PID控制算法時(shí)，需要綜合分析和比較整體的工作速度。傳統(tǒng)的PID控制算法的優(yōu)點(diǎn)是可以在標(biāo)準(zhǔn)化的執(zhí)行層次結(jié)構(gòu)中有效地實(shí)現(xiàn)執(zhí)行的維度和效率。只有確認(rèn)其運(yùn)行效果符合實(shí)際的要求，才能提升工程的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)人員應(yīng)仔細(xì)審查相關(guān)組件的運(yùn)行效率和影響，以保證管理和控制模型符合項(xiàng)目的工作標(biāo)準(zhǔn)，并確保參數(shù)的穩(wěn)定性。

3.4 故障報(bào)警模塊的應(yīng)用

在具體的項(xiàng)目工作過程中，相關(guān)技術(shù)人員需要統(tǒng)一處理實(shí)際問題，保證管理和控制機(jī)構(gòu)符合實(shí)際的工作要求，并統(tǒng)一整合各種模塊的各種功能。尤其是設(shè)備故障問題，技術(shù)人員不僅需要提升關(guān)注度，及時(shí)運(yùn)用有效措施及時(shí)解決問題，還必須通過提出與此相關(guān)的問題給予更多的注意。為了更好地監(jiān)視和請(qǐng)求故障信號(hào)，配備早期故障警報(bào)模塊的技術(shù)人員對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析，方便后續(xù)工作根據(jù)故障的發(fā)生對(duì)原因進(jìn)行排序。只有系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性高，才能在一定程度上保證橋式起重機(jī)的效率。

在設(shè)計(jì)改造PLC系統(tǒng)的過程中，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)對(duì)傳感器的工作模型以及信息結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一的檢測(cè)，并對(duì)排查出的故障進(jìn)行系統(tǒng)、有效的維修。值得注意的是，此時(shí)可能會(huì)發(fā)生變頻器的缺陷和過載問題，因此，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況集中完善解決該問題和弊端，以確保整個(gè)系統(tǒng)工作流程滿足具體要求。如果將整個(gè)橋式起重機(jī)集中于企業(yè)內(nèi)部統(tǒng)一進(jìn)行管理，技術(shù)人員需要進(jìn)一步完善優(yōu)化特定工作流程，使工作規(guī)模能夠滿足實(shí)際工作的需要，并且關(guān)于預(yù)警時(shí)間做進(jìn)一步的優(yōu)化標(biāo)注，進(jìn)而完善信息收集機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)運(yùn)行流程。但是，如果警報(bào)系統(tǒng)持續(xù)保持警報(bào)狀態(tài)，必須需要相關(guān)技術(shù)人員解決問題，并且進(jìn)行故障修復(fù)工作，有效地消除相關(guān)系統(tǒng)的缺陷。尤其強(qiáng)調(diào)的是，系統(tǒng)的預(yù)警模塊主要使用動(dòng)態(tài)圖像元素是非常有參考價(jià)值的，如果由PLC技術(shù)連接報(bào)警模塊，需要分析系統(tǒng)模塊的最終運(yùn)行效果，不能盲目執(zhí)行編程操作。

4 效果分析

得益于便利的工作流程和應(yīng)用功能，通過改造創(chuàng)新之后的控制系統(tǒng)大幅度提高了工作性能。對(duì)于橋式起重機(jī)的使用效果，通過技術(shù)創(chuàng)新不僅可以更好地保障其工作的安全性和可靠性，改善工作品質(zhì)，還可以大幅度降低對(duì)能源的消耗利用，保證維修費(fèi)用的合理利用，節(jié)約成本的同時(shí)，減輕了工作人員的工作負(fù)擔(dān)，并且滿足了技術(shù)要求。首先，工業(yè)用觸摸屏系統(tǒng)可以展示整套機(jī)器和設(shè)備的操作步驟和運(yùn)行狀況，并及時(shí)反映故障，從而大幅度提升了項(xiàng)目員工的工作效率。其次，PLC控制機(jī)構(gòu)依靠PLC技術(shù)調(diào)控機(jī)電設(shè)備的開啟和關(guān)閉，該方法良好地實(shí)現(xiàn)設(shè)備工作速度的調(diào)整轉(zhuǎn)換與數(shù)字信號(hào)的傳輸。最后，變頻器用于調(diào)控具有多種速度控制功能的起重機(jī)的速度，并將其性能得到完美發(fā)揮。該系統(tǒng)配有主副升降機(jī)、大小型車運(yùn)行系統(tǒng)以及四個(gè)速度擋位，大幅度提升了工作人員的工作效率。

5 總結(jié)

在對(duì)橋式起重機(jī)的控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行改革創(chuàng)新后，通過對(duì)PLC技術(shù)和變頻器技術(shù)的使用，使其在實(shí)際操作中具有很大的優(yōu)勢(shì)。它不僅提高所有機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)率，并且在啟動(dòng)設(shè)備時(shí)，減少中電流負(fù)載的沖擊力，進(jìn)而使起重機(jī)在控制物體升降或移動(dòng)時(shí)具有更加穩(wěn)定的操作。在運(yùn)行過程中，該系統(tǒng)與PLC控制技術(shù)相結(jié)合的高科技變頻器調(diào)速機(jī)構(gòu)可以遠(yuǎn)程地、有效地控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和速度。相關(guān)技術(shù)工作者僅需調(diào)控室控制和調(diào)整電機(jī)的加速、減速、升降或移動(dòng)，該系統(tǒng)大幅度簡(jiǎn)化了操作過程，同時(shí)，達(dá)到快速監(jiān)測(cè)變頻器的缺陷并及時(shí)排除故障的效果，并且信號(hào)傳輸能在人機(jī)界面上清晰地顯示，提升了工作效率。