白宏偉，張 敏，張永停

(1.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453002;2.河南起重機(jī)器有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453002)

起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)由兩臺PLC組成的PLC網(wǎng)絡(luò)作為整個系統(tǒng)的控制核心(一臺PLC作為主站，一臺PLC作為從站);系統(tǒng)采用變頻器驅(qū)動大車、小車、主鉤、副鉤電動機(jī)，并配置相應(yīng)的制動單元，實現(xiàn)制動能耗消耗，保護(hù)電氣元件;為了達(dá)到較高的定位精度，在各機(jī)構(gòu)的電機(jī)軸上同軸聯(lián)接安裝有一個增量型光電編碼器作為閉環(huán)反饋，將信號反饋給變頻器，由變頻器進(jìn)行速度和力矩的控制;在兩臺起重機(jī)的大車電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)之間、小車電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)之間、起升電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)之間，都各設(shè)有一個同步控制電路和一個并車控制電路，可以在任意一臺起重機(jī)的司機(jī)室進(jìn)行操作，另一臺起重機(jī)將高精度地與主控起重機(jī)保持速度和位置同步，實現(xiàn)多吊點安全可靠起吊。

系統(tǒng)采用PLC通信作為各部件聯(lián)系的中樞神經(jīng)，起重機(jī)駕駛室操作工通過主令控制，向PLC發(fā)出起動、停止、上升、下降、快慢、并車等指令，對應(yīng)的PLC調(diào)用預(yù)先寫好的程序指令，控制變頻器完成正反轉(zhuǎn)和各種速度切換等［1］。

在駕駛室安裝觸摸屏，PLC將起重機(jī)的各種信號采集后，對各種信號進(jìn)行程序處理，并通過數(shù)據(jù)線傳到觸摸屏，確保操作工動態(tài)掌握整機(jī)狀態(tài)和故障狀態(tài)等綜合狀態(tài)信息，從而對整機(jī)的狀態(tài)和故障進(jìn)行實時監(jiān)控。由于PLC和觸摸屏簡單易用的編程環(huán)境，可以根據(jù)系統(tǒng)控制的要求，在最短的時間內(nèi)滿足其要求，使系統(tǒng)的“柔性”大大提高。

作為主、從站的兩臺PLC控制的電氣系統(tǒng)完全相同，單臺車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示:

圖1 單臺起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 系統(tǒng)特點

1.1 PLC 控制系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的接觸器線路相比較，采用PLC控制，可以使線路簡化，減少故障點，采用PLC網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)，可以實現(xiàn)多臺起重機(jī)的集中控制、同步工作，也可以實現(xiàn)單臺起重機(jī)獨立工作。需要并車時，主站PLC向從站PLC發(fā)出命令，兩臺車并車同步工作［2］。如圖2所示。

圖2 PLC通信網(wǎng)絡(luò)示意圖

雖然PLC的可靠性非常高，能夠在惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定運行，但為了延長PLC的使用壽命和日常維護(hù)方便，我們將PLC和必要的外圍電路一起安裝在小型控制箱中并要求用戶經(jīng)常進(jìn)行日常的維護(hù)與保養(yǎng)，最大限度地延長設(shè)備的使用壽命。

1.2 PLC與變頻器配合

傳統(tǒng)的起重機(jī)調(diào)速方法較多，但都存在調(diào)速范圍小、速度穩(wěn)定性差、無法長時間低速下降載荷等缺點。本系統(tǒng)采用變頻器調(diào)速，變頻調(diào)速在節(jié)能、降低噪音、維護(hù)量小、自控性能好等方面的優(yōu)點非常突出。

1.2.1 PLC與變頻器配合實現(xiàn)多段速

橋式起重機(jī)拖動系統(tǒng)的控制動作包括:大車的左右行走及速度檔位、小車的前后行走及速度檔位、起重機(jī)升降及速度檔位等，所有這些，都必須通過PLC進(jìn)行無觸點控制。本系統(tǒng)設(shè)計有4個檔位速度(實際可達(dá)8檔速度)。

1.2.2 PLC與變頻器配合實現(xiàn)防溜鉤控制

在電磁制動器抱住之前和松開之后的瞬間，發(fā)生重物由停止?fàn)顟B(tài)下滑的現(xiàn)象，稱為溜鉤。從安全角度考慮，在起重機(jī)起動階段，電動機(jī)先不打開抱閘，而是利用ASC800變頻器N697提升宏軟件和預(yù)勵磁功能(直流制動勵磁功能)，給電動機(jī)加勵磁，利用力矩確認(rèn)的方法測量電動機(jī)電流和力矩達(dá)到一定閥值時，抱閘打開，小于閥值時關(guān)閉抱閘，依靠變頻器優(yōu)越的力矩控制功能(零速全轉(zhuǎn)矩功能)，杜絕了主副鉤溜鉤的現(xiàn)象。

1)零速全轉(zhuǎn)矩功能。

變頻器可以在速度為零的狀態(tài)下，保持電動機(jī)有足夠大的轉(zhuǎn)矩。這一功能保證了起重機(jī)在升降狀態(tài)降為零時，電動機(jī)能夠使重物在空中停止，直到電磁制動器將軸抱住為止，從而防止了溜鉤。

2)起動前的直流強(qiáng)勵磁功能。

變頻器可以在起動之前自動進(jìn)行直流強(qiáng)勵磁，使電動機(jī)有足夠大的轉(zhuǎn)矩(有速度傳感器的矢量控制:200%rpm;無速度傳感器的矢量控制:150%/0.5Hz)，維持重物在空中的停住狀態(tài)，以保證電磁制動器在釋放過程中不會溜鉤。

3)防止溜鉤的控制需要注意的關(guān)鍵問題。

①電磁制動器在通電到斷電(或從斷電到通電)之間是需要時間的，大約0.6秒(視型號和大小而定)。因此，變頻器如過早地停止輸出，將容易出現(xiàn)溜鉤。

②變頻器必須避免在電磁制動器抱閘的情況下輸出較高頻率，以免發(fā)生“過流”而跳閘的誤動作。

1.3 PLC與觸摸屏的配合

在本系統(tǒng)中，PLC在整個閉環(huán)控制系統(tǒng)中是作為控制器來使用的;系統(tǒng)運行時，主令控制器、觸摸屏發(fā)出的控制信號和反饋信號作為PLC的輸入信號;本系統(tǒng)觸摸屏軟件共有六個顯示界面:開機(jī)界面、主界面、主起升界面、副起升界面、大車界面、小車界面，各個界面之間利用界面互換按鈕進(jìn)行連接，以利于操作人員方便地控制起重機(jī)系統(tǒng)，實現(xiàn)各個界面之間進(jìn)行自由的切換。主界面為主要操作界面，共有四個界面切換按鈕，分別是主起升界面、副起升界面、大車界面、小車界面。這四個界面通過每個界面上的“返回”按鈕返回到主界面。利用主界面及下屬的四個界面，操作人員可以方便地控制起重機(jī)系統(tǒng)。同時，PLC將起重機(jī)的各種信號采集后，對各種信號進(jìn)行程序處理，并通過數(shù)據(jù)線傳到觸摸屏，確保操作工動態(tài)掌握整機(jī)狀態(tài)和故障狀態(tài)等綜合狀態(tài)信息，從而對整機(jī)的狀態(tài)和故障進(jìn)行實時監(jiān)控［3］。

2 應(yīng)用

我們用以上控制系統(tǒng)設(shè)計了80/20型橋式起重機(jī)，選用兩臺三菱F2N－128MR組成的PLC網(wǎng)絡(luò)作為CPU，采用PLC的通信技術(shù)實現(xiàn)主站對從站的控制。

該PLC為直流24V輸入、繼電器輸出，可以有效地進(jìn)行輸出信號的隔離。系統(tǒng)采用PLC邏輯控制后，既能實現(xiàn)對開關(guān)量的邏輯控制，還有強(qiáng)大的計算功能，并能實現(xiàn)與工業(yè)計算機(jī)之間通信;變頻器采用ABB－800系列。ABB－800系列變頻器具有大起動轉(zhuǎn)矩、過載能力強(qiáng)、多段速功能端子輸入及抱閘控制和報警控制輸出、內(nèi)置制動單元、外接制動電阻的功能，采用先進(jìn)的矢量控制模式。這樣起重機(jī)的整體性能會有很大提高，速度可在0－100HZ整個調(diào)速范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，速度比在1:100以上，調(diào)速精度為±1%，調(diào)速穩(wěn)定，負(fù)載突然變化時有極高的動態(tài)響應(yīng)，可以長時間低速運行，使其具有較高的定位精度，可達(dá)毫米級［4］。

以主起升機(jī)構(gòu)系統(tǒng)為例，系統(tǒng)如圖3所示:變頻器的各端子說明如下:

圖3 主起升機(jī)構(gòu)系統(tǒng)圖

DI1S:正轉(zhuǎn) DI2S:反轉(zhuǎn) DI3S、DI4S、DI5S:速度組合 DI6S:故障復(fù)位

RO22S、RO23S、RO31S、RO33S:繼電器輸出

PLC端子及控制關(guān)系說明:上述系統(tǒng)中PLC為控制中心，它的輸入信號來自主令控制器(如圖4所示，用以控制主鉤電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)和多段速及零位保護(hù))和變頻器(故障輸出、制動器控制信號)以及超載、限位等檢測信號。它的輸出信號控制變頻器和主電路(制動器、風(fēng)機(jī)、變頻器電源電路)的通斷。

圖4 主令控制器

本系統(tǒng)PLC程序為一般的順序控制程序，其中的關(guān)鍵是要理清系統(tǒng)工作過程中實際需要的控制關(guān)系，以及把主令控制器的運行及速度指令邏輯轉(zhuǎn)換為三位二進(jìn)制輸出給變頻器多段速輸入端。多段建PLC程序如圖5所示。

圖5 多段速PLC程序

工作過程:系統(tǒng)上電后，在無故障反饋情況下，司機(jī)室駕駛員通過聯(lián)動臺的主令控制器發(fā)出操作指令信號給PLC，PLC根據(jù)內(nèi)部程序的執(zhí)行結(jié)果輸出給變頻器正反轉(zhuǎn)和多段速輸人端，從而控制主鉤的升降運行和變速。該起重機(jī)采用三菱A970GOT觸摸屏，實現(xiàn)人機(jī)界面直接監(jiān)控，使用組態(tài)軟件進(jìn)行畫面向?qū)В奖愕亟M態(tài)批量數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)過程診斷、快速定位和排除過程故障，最大限度地減少故障時間;顯示系統(tǒng)由觸摸屏在線顯示，相關(guān)的主要參數(shù)有各機(jī)構(gòu)的運行狀態(tài)、各機(jī)構(gòu)的故障狀態(tài)。

3 結(jié)束語

本文主要介紹了PLC+變頻器+觸摸屏+編碼器的橋式起重機(jī)智能控制方案，系統(tǒng)為一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)，定位精度較高，可以滿足其他起重機(jī)無法滿足的高吊裝要求;系統(tǒng)拓展性較強(qiáng)，可以與工業(yè)計算機(jī)之間進(jìn)行通信，可以廣泛應(yīng)用到電力、港口碼頭、鋼鐵、造船、礦山等行業(yè)，發(fā)展空間十分廣闊。

［1］王衛(wèi)兵.可編程序控制器原理及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［2］常斗南.可編程序控制器［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［3］張運剛，宋小春.從入門到精通——觸摸屏技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2007.

［4］李方圓.變頻器自動化工業(yè)實踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.