一种基于PLC控制的桥式起重机系统的设计*

2010-06-13白宏伟张永停

河南工学院学报 2010年3期

白宏伟，张敏，张永停

(1.河南机电高等专科学校，河南新乡 453002;2.河南起重机器有限公司，河南新乡 453002)

起重机的电气控制系统由两台PLC组成的PLC网络作为整个系统的控制核心(一台PLC作为主站，一台PLC作为从站);系统采用变频器驱动大车、小车、主钩、副钩电动机，并配置相应的制动单元，实现制动能耗消耗，保护电气元件;为了达到较高的定位精度，在各机构的电机轴上同轴联接安装有一个增量型光电编码器作为闭环反馈，将信号反馈给变频器，由变频器进行速度和力矩的控制;在两台起重机的大车电机变频调速系统之间、小车电机变频调速系统之间、起升电机变频调速系统之间，都各设有一个同步控制电路和一个并车控制电路，可以在任意一台起重机的司机室进行操作，另一台起重机将高精度地与主控起重机保持速度和位置同步，实现多吊点安全可靠起吊。

系统采用PLC通信作为各部件联系的中枢神经，起重机驾驶室操作工通过主令控制，向PLC发出起动、停止、上升、下降、快慢、并车等指令，对应的PLC调用预先写好的程序指令，控制变频器完成正反转和各种速度切换等［1］。

在驾驶室安装触摸屏，PLC将起重机的各种信号采集后，对各种信号进行程序处理，并通过数据线传到触摸屏，确保操作工动态掌握整机状态和故障状态等综合状态信息，从而对整机的状态和故障进行实时监控。由于PLC和触摸屏简单易用的编程环境，可以根据系统控制的要求，在最短的时间内满足其要求，使系统的“柔性”大大提高。

作为主、从站的两台PLC控制的电气系统完全相同，单台车的系统结构如图1所示:

图1 单台起重机电气控制系统结构图

1 系统特点

1.1 PLC 控制系统

与传统的接触器线路相比较，采用PLC控制，可以使线路简化，减少故障点，采用PLC网络的通信技术，可以实现多台起重机的集中控制、同步工作，也可以实现单台起重机独立工作。需要并车时，主站PLC向从站PLC发出命令，两台车并车同步工作［2］。如图2所示。

图2 PLC通信网络示意图

虽然PLC的可靠性非常高，能够在恶劣的环境下稳定运行，但为了延长PLC的使用寿命和日常维护方便，我们将PLC和必要的外围电路一起安装在小型控制箱中并要求用户经常进行日常的维护与保养，最大限度地延长设备的使用寿命。

1.2 PLC与变频器配合

传统的起重机调速方法较多，但都存在调速范围小、速度稳定性差、无法长时间低速下降载荷等缺点。本系统采用变频器调速，变频调速在节能、降低噪音、维护量小、自控性能好等方面的优点非常突出。

1.2.1 PLC与变频器配合实现多段速

桥式起重机拖动系统的控制动作包括:大车的左右行走及速度档位、小车的前后行走及速度档位、起重机升降及速度档位等，所有这些，都必须通过PLC进行无触点控制。本系统设计有4个档位速度(实际可达8档速度)。

1.2.2 PLC与变频器配合实现防溜钩控制

在电磁制动器抱住之前和松开之后的瞬间，发生重物由停止状态下滑的现象，称为溜钩。从安全角度考虑，在起重机起动阶段，电动机先不打开抱闸，而是利用ASC800变频器N697提升宏软件和预励磁功能(直流制动励磁功能)，给电动机加励磁，利用力矩确认的方法测量电动机电流和力矩达到一定阀值时，抱闸打开，小于阀值时关闭抱闸，依靠变频器优越的力矩控制功能(零速全转矩功能)，杜绝了主副钩溜钩的现象。

1)零速全转矩功能。

变频器可以在速度为零的状态下，保持电动机有足够大的转矩。这一功能保证了起重机在升降状态降为零时，电动机能够使重物在空中停止，直到电磁制动器将轴抱住为止，从而防止了溜钩。

2)起动前的直流强励磁功能。

变频器可以在起动之前自动进行直流强励磁，使电动机有足够大的转矩(有速度传感器的矢量控制:200%rpm;无速度传感器的矢量控制:150%/0.5Hz)，维持重物在空中的停住状态，以保证电磁制动器在释放过程中不会溜钩。

3)防止溜钩的控制需要注意的关键问题。

①电磁制动器在通电到断电(或从断电到通电)之间是需要时间的，大约0.6秒(视型号和大小而定)。因此，变频器如过早地停止输出，将容易出现溜钩。

②变频器必须避免在电磁制动器抱闸的情况下输出较高频率，以免发生“过流”而跳闸的误动作。

1.3 PLC与触摸屏的配合

在本系统中，PLC在整个闭环控制系统中是作为控制器来使用的;系统运行时，主令控制器、触摸屏发出的控制信号和反馈信号作为PLC的输入信号;本系统触摸屏软件共有六个显示界面:开机界面、主界面、主起升界面、副起升界面、大车界面、小车界面，各个界面之间利用界面互换按钮进行连接，以利于操作人员方便地控制起重机系统，实现各个界面之间进行自由的切换。主界面为主要操作界面，共有四个界面切换按钮，分别是主起升界面、副起升界面、大车界面、小车界面。这四个界面通过每个界面上的“返回”按钮返回到主界面。利用主界面及下属的四个界面，操作人员可以方便地控制起重机系统。同时，PLC将起重机的各种信号采集后，对各种信号进行程序处理，并通过数据线传到触摸屏，确保操作工动态掌握整机状态和故障状态等综合状态信息，从而对整机的状态和故障进行实时监控［3］。

2 应用

我们用以上控制系统设计了80/20型桥式起重机，选用两台三菱F2N－128MR组成的PLC网络作为CPU，采用PLC的通信技术实现主站对从站的控制。

该PLC为直流24V输入、继电器输出，可以有效地进行输出信号的隔离。系统采用PLC逻辑控制后，既能实现对开关量的逻辑控制，还有强大的计算功能，并能实现与工业计算机之间通信;变频器采用ABB－800系列。ABB－800系列变频器具有大起动转矩、过载能力强、多段速功能端子输入及抱闸控制和报警控制输出、内置制动单元、外接制动电阻的功能，采用先进的矢量控制模式。这样起重机的整体性能会有很大提高，速度可在0－100HZ整个调速范围内连续可调，速度比在1:100以上，调速精度为±1%，调速稳定，负载突然变化时有极高的动态响应，可以长时间低速运行，使其具有较高的定位精度，可达毫米级［4］。

以主起升机构系统为例，系统如图3所示:变频器的各端子说明如下:

图3 主起升机构系统图

DI1S:正转 DI2S:反转 DI3S、DI4S、DI5S:速度组合 DI6S:故障复位

RO22S、RO23S、RO31S、RO33S:继电器输出

PLC端子及控制关系说明:上述系统中PLC为控制中心，它的输入信号来自主令控制器(如图4所示，用以控制主钩电动机的正反转和多段速及零位保护)和变频器(故障输出、制动器控制信号)以及超载、限位等检测信号。它的输出信号控制变频器和主电路(制动器、风机、变频器电源电路)的通断。

图4 主令控制器

本系统PLC程序为一般的顺序控制程序，其中的关键是要理清系统工作过程中实际需要的控制关系，以及把主令控制器的运行及速度指令逻辑转换为三位二进制输出给变频器多段速输入端。多段建PLC程序如图5所示。

图5 多段速PLC程序

工作过程:系统上电后，在无故障反馈情况下，司机室驾驶员通过联动台的主令控制器发出操作指令信号给PLC，PLC根据内部程序的执行结果输出给变频器正反转和多段速输人端，从而控制主钩的升降运行和变速。该起重机采用三菱A970GOT触摸屏，实现人机界面直接监控，使用组态软件进行画面向导，方便地组态批量数据处理，实现过程诊断、快速定位和排除过程故障，最大限度地减少故障时间;显示系统由触摸屏在线显示，相关的主要参数有各机构的运行状态、各机构的故障状态。