王光梅

摘要：橋式起重機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和設(shè)備檢修中，所以起重機(jī)運(yùn)行正常與否將影響生產(chǎn)的順利進(jìn)行和設(shè)備人身的安全。文章主要闡述了變頻器驅(qū)動(dòng)技術(shù)及PLC控制系統(tǒng)在橋式起重機(jī)上的應(yīng)用，淺析了橋式起重機(jī)的一種全新控制模式。

關(guān)鍵詞：橋式起重機(jī)；電工新技術(shù)；變頻器；Profibus-DP總線；PLC（可編程控制器） 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH215 文章編號(hào)：1009-2374（2015）18-0048-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.025

1 現(xiàn)有起重機(jī)的現(xiàn)狀

橋式起重機(jī)應(yīng)用廣泛，在工業(yè)生產(chǎn)和設(shè)備檢修中起到重要作用，所以起重機(jī)運(yùn)行正常與否將影響生產(chǎn)的順利進(jìn)行和設(shè)備人身的安全。傳統(tǒng)的橋式起重機(jī)是采用繞線式交流異步電機(jī)拖動(dòng)，利用轉(zhuǎn)子串電阻的方式進(jìn)行調(diào)速，采用凸輪控制器-繼電器-接觸器進(jìn)行系統(tǒng)控制，這種控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）繼電接觸器控制系統(tǒng)在頻繁工作時(shí)故障率高，特別是在環(huán)境條件較差的情況下，設(shè)備維護(hù)成本較高；（2）轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速屬于能耗性調(diào)速，大量的轉(zhuǎn)差功率消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，浪費(fèi)能源，與現(xiàn)行環(huán)保節(jié)能要求相悖；（3）機(jī)械特性軟，調(diào)速范圍小，調(diào)速平滑性差，起制動(dòng)不平穩(wěn)，對(duì)機(jī)械沖擊較大，影響設(shè)備壽命，系統(tǒng)保護(hù)功能不夠完善，容易導(dǎo)致故障擴(kuò)大。

針對(duì)這種情況，必須改進(jìn)調(diào)速方式和控制設(shè)備，完善各項(xiàng)保護(hù)功能，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性，才能確保核心設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，PLC（可編程控制器）及變頻調(diào)速技術(shù)普遍應(yīng)用于電力拖動(dòng)領(lǐng)域，在起制動(dòng)頻繁的橋式起重機(jī)上可以充分發(fā)揮高效節(jié)能、故障率低、可靠性高的特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

變頻器調(diào)速橋式起重機(jī)電氣控制部分由核心部件變頻器、PLC及相關(guān)控制元件和保護(hù)元件組成。在本系統(tǒng)中，變頻器采用了Siemens公司的6SE70系列通用矢量變頻器，該系列變頻器集成度高、通用性強(qiáng)，具有矢量控制、恒磁通控制及恒功率通風(fēng)機(jī)控制等多種控制模式，在有編碼器等反饋器件的閉環(huán)控制模式下，可以在0.2～400Hz之間實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，特別是采用矢量控制模式后，變頻器控制性能及精度得到完美發(fā)揮，完全可以和直流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)媲美。系統(tǒng)控制PLC采用了Siemens公司的S7-300CPU，處理器為CPU315-2DP，它具有強(qiáng)大的處理能力，并集成了2個(gè)Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線接口裝置，可通過(guò)總線接口直接連接外部設(shè)備。操作臺(tái)發(fā)出的控制指令，由司機(jī)室的ET200遠(yuǎn)程機(jī)架通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)送入CPU，其他相關(guān)聯(lián)鎖信號(hào)和保護(hù)信號(hào)則直接送到PLC主機(jī)架，PLC采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)與變頻器通訊，將控制信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)送給變頻器，變頻器的工作狀態(tài)也通過(guò)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇LC，形成一個(gè)控制上的閉環(huán)系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)控制精度，在起升機(jī)構(gòu)中使用了速度編碼器構(gòu)成速度閉環(huán)控制，PLC在檢測(cè)各種聯(lián)鎖信號(hào)及變頻器工作狀態(tài)后，向變頻器發(fā)送相應(yīng)控制指令，因此系統(tǒng)的保護(hù)功能及相關(guān)安全聯(lián)鎖在相同硬件條件下，比繼電系統(tǒng)更加完善。

3 變頻器參數(shù)設(shè)置及調(diào)試

在變頻器調(diào)試過(guò)程中，利用Siemens驅(qū)動(dòng)設(shè)備配套編程工具DriveMonitor進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，可以在Windows操作界面下對(duì)變頻器的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行直觀快捷的設(shè)置。

3.1 恢復(fù)工廠設(shè)置值

恢復(fù)工廠設(shè)置值的方法此處不再詳述。

3.2 快速參數(shù)設(shè)置

在恢復(fù)變頻器參數(shù)到出廠設(shè)置值后，即可利用快速參數(shù)化進(jìn)行變頻器控制參數(shù)的快速設(shè)置。在DriveMonitor中選擇相應(yīng)參數(shù)菜單，所有相關(guān)參數(shù)全部顯示在主窗口中。

在選擇快速參數(shù)設(shè)置方式后，如果用DriveMonitor進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，則所有參數(shù)顯示在相應(yīng)窗口中，直接進(jìn)行設(shè)置即可；如果無(wú)相應(yīng)軟件而直接利用變頻器簡(jiǎn)易操作面板進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，則相關(guān)參數(shù)會(huì)隨著參數(shù)下移自動(dòng)顯示出來(lái)，根據(jù)需要正確設(shè)置對(duì)應(yīng)參數(shù)后，設(shè)置P370=1完成參數(shù)設(shè)置，變頻器進(jìn)行其他相關(guān)參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算。

3.3 特殊參數(shù)調(diào)整

對(duì)于控制系統(tǒng)中使用到的一些特殊控制要求，還需對(duì)個(gè)別參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。例如在本系統(tǒng)中使用到的機(jī)械制動(dòng)功能就需要激活制動(dòng)功能控制塊和設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，其中開(kāi)閘力矩和抱閘速度必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況進(jìn)行合理設(shè)置，以確保機(jī)械制動(dòng)器動(dòng)作時(shí)序正確可靠。并將開(kāi)閘指令通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)返回到PLC中對(duì)制動(dòng)接觸器進(jìn)行控制。抱閘控制輸出信號(hào)為B275，相應(yīng)信號(hào)必須通過(guò)在通訊返回參數(shù)中設(shè)置后才能返回到PLC對(duì)機(jī)械抱閘進(jìn)行

控制。

4 控制軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Siemens配套編程工具STEP7完成硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、PLC程序編制、調(diào)試和文檔處理。

4.1 網(wǎng)絡(luò)硬件組態(tài)

由于整個(gè)系統(tǒng)采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)通訊，在STEP7中必須進(jìn)行相應(yīng)硬件組態(tài)。在系統(tǒng)中，首先要對(duì)每個(gè)PLC本身進(jìn)行硬件組態(tài)，如S7-300的機(jī)架、CPU模塊、電源模塊、輸入輸出模塊及ET200遠(yuǎn)程站等，同時(shí)還要對(duì)各機(jī)構(gòu)變頻器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行組態(tài)。

4.2 PLC控制程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制程序由組織塊（OB）、功能（FC）、功能塊（FB塊）及相應(yīng)背景數(shù)據(jù)塊（DB）組成。在本控制系統(tǒng)程序編制過(guò)程中，利用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，由于各個(gè)機(jī)構(gòu)的控制接口及功能十分相似，只是具體參數(shù)不同，因此將高級(jí)語(yǔ)言中的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法應(yīng)用到了本控制系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了代碼重用，簡(jiǎn)化了控制程序的設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)。

PLC與變頻器之間的通訊通過(guò)直接調(diào)用系統(tǒng)功能塊SFC14和SFC15實(shí)現(xiàn)，只需簡(jiǎn)單設(shè)置系統(tǒng)功能塊的參數(shù)即可完成，使系統(tǒng)通訊程序簡(jiǎn)單可靠。各種操作聯(lián)鎖信號(hào)通過(guò)PLC在綜合信號(hào)屏上進(jìn)行顯示，對(duì)操作維護(hù)人員具有很強(qiáng)的操作指導(dǎo)作用。

5 性能特點(diǎn)

采用先進(jìn)的現(xiàn)代交流變頻調(diào)速和可編程控制技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)的橋式起重機(jī)的拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，使橋式起重機(jī)能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作，提高運(yùn)行效率，改善超負(fù)荷作業(yè)，消除啟制動(dòng)沖擊，降低電氣故障，降低電能消耗，提高功率因數(shù)。同時(shí)該系統(tǒng)還具有過(guò)電流、過(guò)電壓、欠電壓、接地和輸入缺相以及變頻器超溫、超載、超速、制動(dòng)單元過(guò)熱、電動(dòng)機(jī)過(guò)熱等保護(hù)。

新系統(tǒng)具有如下顯著特點(diǎn)：（1）PLC的應(yīng)用可以有效解決電氣系統(tǒng)聯(lián)鎖和接線復(fù)雜的問(wèn)題，由于采用網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式，極大簡(jiǎn)化了控制回路，減少了施工難度；（2）啟動(dòng)和停車時(shí)降低了機(jī)械傳動(dòng)沖擊，可明顯改善鋼結(jié)構(gòu)的承載性能，延長(zhǎng)了起重機(jī)的使用壽命；（3）制動(dòng)器通過(guò)變頻器根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，只有當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到設(shè)定值時(shí)才打開(kāi)制動(dòng)器，即實(shí)現(xiàn)有力矩開(kāi)閘，在起升機(jī)構(gòu)中不會(huì)出現(xiàn)重物下滑，確保系統(tǒng)安全可靠，而關(guān)閉制動(dòng)器是通過(guò)變頻器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低到設(shè)定值后發(fā)出關(guān)閉制動(dòng)器指令，即實(shí)現(xiàn)低速抱閘，減少對(duì)機(jī)械的沖擊；（4）有超載限制器，過(guò)電流過(guò)轉(zhuǎn)矩等各種完善的保護(hù)功能，可以最大限度地避免重大設(shè)備事故發(fā)生；（5）系統(tǒng)所用變頻器，能較大提高系統(tǒng)的功率因數(shù)和整機(jī)工作效率，節(jié)能效果顯著，平均節(jié)電率可達(dá)20%以上；通過(guò)PLC將所有信號(hào)綜合檢查比較，并在綜合信號(hào)顯示屏上顯示，方便技術(shù)人員和操作人員的維護(hù)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，并縮短維修時(shí)間，提高了設(shè)備的可開(kāi)動(dòng)率；PLC可以通過(guò)自身通訊接口或擴(kuò)展通訊模塊與上級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，方便實(shí)現(xiàn)集中網(wǎng)絡(luò)控制和監(jiān)控。

6 變頻器-PLC控制系統(tǒng)的要求及探討

第一，變頻器-PLC控制系統(tǒng)要求環(huán)境溫度控制在0℃～40℃；相對(duì)濕度5%～95%；環(huán)境溫度不能保證時(shí)，電氣室需安裝空調(diào)。

第二，對(duì)金屬粉塵要求較高，所以電氣室密封要好，平時(shí)維護(hù)保養(yǎng)過(guò)程中要注意除塵。

第三，電網(wǎng)電壓波動(dòng)要求控制在±10%以內(nèi)，確保變頻器可靠工作。

第四，由于采用通訊方式進(jìn)行系統(tǒng)控制，當(dāng)通訊部分出現(xiàn)故障時(shí)，可能造成系統(tǒng)失控現(xiàn)象，所以最好通過(guò)硬接線加入變頻器緊急停車信號(hào)，以確保在出現(xiàn)故障的情況下發(fā)出停車指令。

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（責(zé)任編輯：秦遜玉）