【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。實踐表明，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

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機(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，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)計為例，說明PLC控制系統(tǒng)和變頻調(diào)速所具備的優(yōu)越性。

一、問題的提出

100/20t橋式起重機(jī)，主要用于吊軋機(jī)支撐輥、吊廢鋼等。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，實際使用中存在如下問題：（一）調(diào)速方式只能進(jìn)行有級調(diào)速；（二）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；（三）串電阻長期發(fā)熱，電能浪費大，效率低；（四）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。

二、 起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的改造要求

橋式起重機(jī)有四個機(jī)構(gòu)，分別為：

（一）主起升機(jī)構(gòu)：37kW（一臺電機(jī)）；（二）副起升機(jī)構(gòu)：80kW（一臺電機(jī)）；（三）大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)：2×16kW（兩臺電機(jī)）；（四）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。各機(jī)構(gòu)電動機(jī)都需獨立運(yùn)行，大車為兩臺電動機(jī)同時拖動，實現(xiàn)同步運(yùn)行。所以整個系統(tǒng)有五臺電動機(jī)，四臺變頻器。起重機(jī)必須實現(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。

三、起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

（一）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、性價比高等特點。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)采用四個檔位的控制器操作，加上各種保護(hù)，計算出輸入點數(shù)為28點，輸出點數(shù)為24點。

總體配置硬件如下：

三菱FR-A740系列變頻器，自身保護(hù)功能齊全，如過流，過載，過壓等都能及時報警及停止，減少了起重機(jī)故障，提高了安全性能。同時三菱變頻器具有限流作用，可以減少啟動時對電網(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，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，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，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，制動電阻60Ω/3kW一套）。

（二） 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，實現(xiàn)實時監(jiān)控。

四、起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計要求實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)定的功能，同時要求可靠性好，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，縮短了程序處理時間，提高了控制系統(tǒng)的響應(yīng)能力，還利于實現(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。

五、效果分析

經(jīng)過實際應(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：

（一）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。（二）下位機(jī)采用PLC來實現(xiàn)各電機(jī)的啟、停，數(shù)值的轉(zhuǎn)換、速度的檢測。（三）采用變頻器實現(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。

六、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)的推廣價值。

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