1PLC 控制变频器技术在桥式起重机改造中的应用1 绪论桥式起重机在各行业有着广泛的应用，其作用主要是用来实现物体的升降和转运，其能否正常工作，直接影响到企业生产效率的提高。桥式起重机基本结构，主要由起重小车、桥架金属结构、桥架运行机构以及电气控制设备 4 个部分组成。机构主要有主起升机构、副起升机构、小车运行机构、大车运行机构。1.1 倡源煤矿基本简介山西介休倡源煤炭有限责任公司是山西凯嘉能源集团有限责任公司属下企业，公司前身为介休市连福镇镇办煤矿，2005 年 8 月，由山西义棠煤业有限公司整体并购，2006 年 4 月，省煤整办批准山西介休倡源煤炭有限责任公司整合金山坡煤矿和西兴煤矿, 2007 年12 月, 山西义棠煤业有限公司、山西中通投资有限公司、介休义民投资有限公司三方签署合作协议，共同投资建设山西介休倡源煤炭有限责任公司，公司井田面积 4.62km2，可采煤层 6 层，可采储量32702kt，设计能力为 120 万吨/年。1.2 存在的问题随着现代控制技术的发展，变频调速技术以其优越的起制动控制特性，在各种行业得到了广泛应用。在起重机控制系统中，起升机构采用变频器驱动，可使用鼠笼式异步电动机取代以往使用的绕2线式异步电动机。同时，变频器驱动控制的电机，起动冲击电流小，转速变化平稳，起升、行走定位准确，能够有效地提高生产效率。倡源公司机修队 100/20t 桥式起重机，主要用于吊钢包、吊废钢、加料等。该起重机主要采用交流绕线转子串电阻方法进行启动与调速，继电接触器控制。由于载荷利用率高，工况恶劣，而且重载下频繁起动、制动、反转、变速等操作，实际使用中存在如下问题：(1)调速方式只能进行有级调速；(2)起动/制动冲击电流大，对电动机的电刷、滑环及制动器有比较大的冲击，维修率高；(3)串电阻长期发热，电能浪费大，效率低；(4)接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高等，极大影响了该厂的效益。本文针对该系统的不足，将可编程序控制器、变频器和触摸屏控制技术应用于桥式起重控制系统中，使得起重机的整体特性得到较大提高，投入运行后效果良好，运行稳定。2 起重机的工作原理桥式起重机是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重机，又称天车。桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围，就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。起升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组。电动机通过减速器，带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物。小车架是支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架，通常为焊接结构。3起重机运行机构的驱动方式可分为两大类：一类为集中驱动，即用一台电动机带动长传动轴驱动两边的主动车轮；另一类为分别驱动、即两边的主动车轮各用一台电动机驱动。中、小型桥式起重机较多采用制动器、减速器和电动机组合成一体的“三合一”驱动方式，大起重量的普通桥式起重机为便于安装和调整，驱动装置常采用万向联轴器。起重机运行机构一般只用四个主动和从动车轮，如果起重量很大，常用增加车轮的办法来降低轮压。当车轮超过四个时，必须采用铰接均衡车架装置，使起重机的载荷均匀地分布在各车轮上。桥架的金属结构由主梁和端梁组成，分为单主梁桥架和双梁桥架两类。单主梁桥架由单根主梁和位于跨度两边的端梁组成，双梁桥架由两根主梁和端梁组成。主梁与端梁刚性连接，端梁两端装有车轮，用以支承桥架在高架上运行。主梁上焊有轨道，供起重小车运行。桥式起重机是使用最广泛、拥有量最大的一种轨道运行式起重机，其额定起重量从几吨到几百吨。最基本的形式是通用吊钩桥式起重机，其他形式的桥式起重机基本上都是在通用吊钩桥式的基础上派生发展出来的。 3 起重机电气控制系统硬件设计桥式起重机有四个机构，分别为：（1）主起升机构：37kW（一台电机）；（2）副起升机构：30kW（一台电机）；4（3）大车运行机构：27.5kW（两台电机）；（4）小车运行机构：7.5kW（一台电机）；改进后，起重机控制系统主要由上位机-触摸屏控制系统、下位机-可编程控制器、变频调速系统以及负荷重量测量仪等组成（控制系统结构框图如图 1 所示）。各机构电动机都需独立运行，大车为两台电动机同时拖动，实现同步运行。所以整个系统有五台电动机，四台变频器。起重机必须实现的操作功能有：主起升机构升降、副起升机构升降、大车运行、小车运行；保护功能有：主副起升机构上升限位、下降限位、大车限位、小车限位，超载保护等。 本系统主要由 PLC 和变频器来实现起重机的运行及保护等功能。3.1 系统控制要求及设计桥式起重机运行机构，分为主起升设备、副起升设备、大车、小车运行机构 4 个部分。起重机大车运动方向有前后、小车运动方向有左右要求，根据运动速度要求又分为 14 挡，加减速时间为36S；通常小车行走机构采用 1 台电动机，而大车行走机构需采用24 台电动机，大、小车本身的惯性也较大，为防止电动机被倒拖动处于发电状态时产生过电压，因此大、小车控制部分均配备制动控制单元及制动电阻来释放能量。在设计中，电气控制系统引人PLC 控制技术，四大运行机构调速均采用变频调速，变频器通过开关量端子接受 PLC 控制信号。为了减少对电网的谐波污染，每个变5频器均加有输入电抗器，不仅可以减少高次谐波分量，同时也有效地抑制了输入电流峰值，有利于提高整流二极管使用寿命。电源输入端使用断路器，作为变频器的短路保护。改造后的桥式起重机变频调速系统，主要由上位机(工业触摸屏系统)、下位机(PLC 控制系统)、变频调速控制系统组成。桥式起重机变频调速系统结构图如图 1 所示。下面分别对各主要机构调速控制进行说明。3.1.1 起升机构6起升机构属位能负载机构。主、副起升机构的电动机各使用 1个变频器。变频器的选择，以变频器的额定电流为基准，一般以电动机的额定电流、负载率、变频器运行的效率为依据。起升机构的控制方式选用带 PG 的矢量控制方式。PLC 接受电动机的旋转编码器经数模转换卡送达的反馈信号，避免吊钩的下滑。3.1.2 运行机构运行机构中 2 台电动机使用 2 个变频器。变频器的选择，一般以电动机的额定功率作为选择的依据。通常选额定功率大一级的变频器。运行机构的控制方式选用无 PG 矢量的变频控制方式。 3.2 各模块的功能在改进后的桥式起重要控制系统中，PLC 控制系统的主要任务，是接受外部开关信号(如按钮、主令开关、继电器等)的输入，判断当前的系统状态以及输出信号控制接触器、继电器等器件，以完成相应的控制任务。除此之外，PLC 控制系统还要接受上位机的控制命令，以自动进行采样。PLC 的软件设计部分，采用模块化的方法，程序共有 4 个模块，即按钮处理模块、通信模块、PID 控制模块、故障报警模块。(1)按钮处理模块。主要处理电动机和电力液压制动器的启停控制。7(2)通讯模块。由于系统主要由 PLC 控制变频器完成对电机的控制，因此，通讯模块主要是接收主令控制器、按钮开关等发出的控制指令，集中在 CPU 中进行运算，并将程序运算结果通过输出模块和 Profibus 现场总线传送给变频器等执行设备，从而驱动电动机完成生产任务。(3)PID 控制模块。桥式起重机主副起升机构速度的控制，是一很重要的技术指标，本系统通过使用旋转编码器测得电动机速度，由数模转换卡转换成数字量传递给变频器，与预先设定速度进行比较，采用常规的 PID 控制算法，在效果上就能够达到较为理想的结果。因此，本系统起升机构控制方案，为常规的数字 PID 算法并结合 PLC 中的 PID 控制模块来完成。(4)故障报警模块。为了能够实时显示故障信息，以便尽快地排除故障，确保整个系统正常运行，控制系统应具有良好的故障报警功能。所以在 PLC 程序设计中，始终对相应的传感器输入信号进行扫描，一旦有诸如变频器故障、超重等故障现象出现，可以立即切断该设备，并启动蜂鸣器进行报警。4 PLC 控制系统4.1、PLC 的基本概念可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可8编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称 PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称 PLC,plc 自 1966年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大。 4.2、PLC 的基本结构PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为： a、电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此 PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将 PLC 直接连接到交流电网上去 b. 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算9数运算的结果送入 I/O 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将 I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高 PLC 的可靠性，近年来对大型 PLC 还采用双CPU 构成冗余系统，或采用三 CPU 的表决式系统。这样，即使某个CPU 出现故障，整个系统仍能正常运行。 c、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 d、输入输出接口电路 1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是 PLC 与现场控制的接口界面的输入通道。 2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用 PLC 通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 e、功能模块 如计数、定位等功能模块 f、通信模块 如以太网、RS485、Profibus-DP 通讯模块等 4.3、PLC 内部运作方式10虽然 PLC 所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但 PLC 内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大大减少控制器所需之硬件空间。实际上 PLC 执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入 CPU 中并最后执行控制运作。在整个的扫描过程包括三大步骤，“输入状态检查”、“程式执行”、“输出状态更新”说明如下： 步骤一“输入状态检查”：PLC 首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器状态（1 或 0 代表开或关），并将其状态写入内存中对应之位置 Xn。步骤二“程式执行”：将阶梯图程式逐行取入CPU 中运算，若程式执行中需要输入接点状态，CPU 直接自内存中查询取出。输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端 Yn。步骤三“输出状态更新”：将步骤二中之输出状态更新至 PLC 输出部接点，并且重回步骤一。 此三步骤称为 PLC 之扫描周期，而完成所需的时间称为 PLC 之反应时间，PLC 输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新