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胡艷麗 （1983-）
女，安徽碭山人，河南理工大學(xué)在讀研究生，從事信號檢測與智能控制方面的研究。

摘要：針對100/20t橋式起重機(jī)原控制系統(tǒng)在啟動和調(diào)速等方面存在的問題，本文采用PLC、變頻器及觸摸屏控制技術(shù)對其電氣控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件進(jìn)行總體優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)踐表明，改造后的系統(tǒng)有效克服了起重機(jī)存在的缺陷，運(yùn)行可靠，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：可編程控制器；變頻器；觸摸屏；橋式起重機(jī)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

Abstract: According to the problems in start and speed control with original control 
system of 100/20t bridge crane, this paper mainly introduces the optimization design 
of the main hardware structure and soft programming of the control system based on PLC,
 frequency converter and touch screen. This improved system overcomes the shortcomings 
of bridge crane effectively and also has reliable running, which has good prospects for
 industrial applications.

Key words: PLC; frequency converter; touch screen; bridge crane; optimization design

    隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，PLC控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)以其可靠性高、運(yùn)行平穩(wěn)、控制過程軟件化、功能強(qiáng)、靈活性大等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于電氣傳動領(lǐng)域。本研究以橋式起重機(jī)的變頻調(diào)速和以PLC為核心的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，說明PLC控制系統(tǒng)和變頻調(diào)速所具備的優(yōu)越性。

1 問題的提出

    河南某鋼廠一100/20t橋式起重機(jī)，主要用于吊鋼包、吊廢鋼、加料等。該起重機(jī)主要采用交流繞線轉(zhuǎn)子串電阻方法進(jìn)行啟動與調(diào)速，繼電接觸器控制。由于載荷利用率高，工況惡劣，而且重載下頻繁起動、制動、反轉(zhuǎn)、變速等操作，實(shí)際使用中存在如下問題：(1)調(diào)速方式只能進(jìn)行有級調(diào)速；(2)起動/制動沖擊電流大，對電動機(jī)的電刷、滑環(huán)及制動器有比較大的沖擊，維修率高；(3)串電阻長期發(fā)熱，電能浪費(fèi)大，效率低；(4)接觸器控制系統(tǒng)可靠性差，操作復(fù)雜，故障率高等，極大影響了該廠的效益。

    本文針對該系統(tǒng)的不足，將可編程序控制器、變頻器和觸摸屏控制技術(shù)應(yīng)用于橋式起重控制系統(tǒng)中，使得起重機(jī)的整體特性得到較大提高，投入運(yùn)行后效果良好，運(yùn)行穩(wěn)定。

2 起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的改造要求 

    橋式起重機(jī)有四個(gè)機(jī)構(gòu)，分別為：

    （1）主起升機(jī)構(gòu)：37kW（一臺電機(jī)）；

    （2）副起升機(jī)構(gòu)：30kW（一臺電機(jī)）；

    （3）大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)：2×7.5kW（兩臺電機(jī)）；

    （4）小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)：7.5kW（一臺電機(jī)）；

    改進(jìn)后，起重機(jī)控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)-觸摸屏控制系統(tǒng)、下位機(jī)-可編程控制器、變頻調(diào)速系統(tǒng)以及負(fù)荷重量測量儀等組成（控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示）。各機(jī)構(gòu)電動機(jī)都需獨(dú)立運(yùn)行，大車為兩臺電動機(jī)同時(shí)拖動，實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行。所以整個(gè)系統(tǒng)有五臺電動機(jī)，四臺變頻器。起重機(jī)必須實(shí)現(xiàn)的操作功能有：主起升機(jī)構(gòu)升降、副起升機(jī)構(gòu)升降、大車運(yùn)行、小車運(yùn)行；保護(hù)功能有：主副起升機(jī)構(gòu)上升限位、下降限位、大車限位、小車限位，超載保護(hù)等。

3 起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 

    本系統(tǒng)主要由PLC和變頻器來實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的運(yùn)行及保護(hù)等功能。 

                                      圖1   起重機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1 PLC控制系統(tǒng)

    PLC控制單元選用西門子S7-300系列，該系列可編程序控制器具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、模塊化、性價(jià)比高等特點(diǎn)。S7-300系列PLC可用梯形圖、語句表和功能塊圖進(jìn)行編程，指令豐富，功能強(qiáng)，操作方便。該橋式起重機(jī)各機(jī)構(gòu)采用四個(gè)檔位的控制器操作，加上各種保護(hù)，計(jì)算出輸入點(diǎn)數(shù)為28點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)為24點(diǎn)，圖2為其硬件接線圖。

    總體配置硬件如下：

    （1）中央處理模塊（CPU）：選用6ES7 315-2AG10-0AB0；

    （2）數(shù)字量輸入模塊（兩塊）：選用6ES7 321-7BH00-0AB0，16點(diǎn)；

    （3）數(shù)字量輸出模塊（兩塊）：選用6ES7 322-1HH01-0AA0，16點(diǎn)；

    （4）電源模塊：選用PS307一塊。 

                                     圖2   PLC硬件設(shè)計(jì)圖

3.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)

    三菱FR-A740系列變頻器，自身保護(hù)功能齊全，如過流，過載，過壓等都能及時(shí)報(bào)警及停止，減少了起重機(jī)故障，提高了安全性能。同時(shí)三菱變頻器具有限流作用，可以減少啟動時(shí)對電網(wǎng)沖擊，有利于車間內(nèi)其它設(shè)備正常運(yùn)行。其接線端子有RS485通訊接口，配備相應(yīng)的通訊模塊，通過PLC實(shí)現(xiàn)集中控制（設(shè)定變頻器控制命令、運(yùn)行頻率、相關(guān)功能碼參數(shù)的修改，變頻器工作狀態(tài)及故障信息的監(jiān)控等）。

    各機(jī)構(gòu)變頻器、制動單元、制動電阻配置如下：

    （1）主起升機(jī)構(gòu)：FR-A740-45K-CHT(配IPC-DR-3S制動單元1個(gè)，制動電阻10Ω/25kW一套)；

    （2）副起升機(jī)構(gòu)：FR-A740-37K-CHT(配IPC-DR-3S制動單元1個(gè)，制動電阻11Ω/20kW一套)；

    （3）大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)：FR-A740-18.5K-CHT(配IPC-DR-1L制動單元1個(gè)，制動電阻30Ω/6kW一套)；

    （4）小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)：FR-A740-11K-CHT(配IPC-DR-1L制動單元1個(gè)，制動電阻60Ω/3kW一套)。

3.3 觸摸屏系統(tǒng)

    工業(yè)觸摸屏選用西門子的5.7英寸TP170A彩色觸摸操作面板，與PLC控制系統(tǒng)連接，利用強(qiáng)大的工業(yè)觸摸屏組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)。它一方面采用直觀人機(jī)界面，能夠明確指示操作員機(jī)器設(shè)備目前的狀況，使操作簡單明了，減少失誤；另一方面人機(jī)界面具有故障顯示及控制變頻器全變頻調(diào)速等功能，通過上位機(jī)、下位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    軟件設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)定的功能，同時(shí)要求可靠性好，易于操作和維護(hù)。因此根據(jù)起重機(jī)工作要求，本系統(tǒng)將控制程序模塊化，主要包括主起升控制模塊，副起升控制模塊，大車運(yùn)行控制模塊，小車運(yùn)行控制模塊，保護(hù)功能模塊。這樣不僅減少了程序語句，縮短了程序處理時(shí)間，提高了控制系統(tǒng)的響應(yīng)能力，還利于實(shí)現(xiàn)起重機(jī)帶負(fù)載快速調(diào)試，便于調(diào)試人員迅速查找、優(yōu)化程序，PLC系統(tǒng)控制流程圖如圖3所示。

5 效果分析

    經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，改造后的系統(tǒng)性能得到了很大的改善。不僅可以明顯提高起重機(jī)的安全性、可靠性，而且可以提高工作效率，降低能源的消耗，降低維修費(fèi)用，減少勞動強(qiáng)度，滿足其工況和作業(yè)需要。主要表現(xiàn)在：

    （1）上位機(jī)選擇觸摸屏控制系統(tǒng)，提示整機(jī)工作狀況以及各種故障信息，極大方便了各類操作人員的使用和維修。

    （2）下位機(jī)采用PLC來實(shí)現(xiàn)各電機(jī)的啟、停，數(shù)值的轉(zhuǎn)換、速度的檢測。

    （3）采用變頻器實(shí)現(xiàn)起重機(jī)電機(jī)的調(diào)速運(yùn)行，調(diào)速范圍寬、性能好。系統(tǒng)設(shè)有主副起升、大、小車走行各四檔工作速度，操作者。

                                     圖3   PLC程序流程圖

    可根據(jù)負(fù)載的變化情況，隨時(shí)修改各檔速度值。

    （4）結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、易于維護(hù)。主副起升、大車、小車四套變頻調(diào)速控制系統(tǒng)采用獨(dú)立的控制柜，每個(gè)控制柜包括變頻器、可編程控制器以及低壓元件，外觀結(jié)構(gòu)十分簡單。系統(tǒng)還具有過流保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)等功能，確保了控制、保護(hù)動作的準(zhǔn)確性和可靠性。

    （5）節(jié)能效果顯著。繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子回路的外接電阻內(nèi)消耗大量的電能。采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，非但外接電阻內(nèi)消耗的大量電能可以完全節(jié)約，并且在起重機(jī)放下重物時(shí)，還可將重物釋放的位能反饋給電源。

6 結(jié)束語

    經(jīng)改造后的橋式起重機(jī)將可編程序控制器、變頻器和觸摸屏控制技術(shù)應(yīng)用于橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)中，使得起重機(jī)的整體特性得到較大提高，解決了傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)存在的問題。變頻調(diào)速技術(shù)改造起重機(jī)電力拖動控制系統(tǒng)，不但使控制性能得到極大的提高也降低了系統(tǒng)的能耗，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。因此，該控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。


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