PLC在桥式起重机控制系统中的应用

该系统通过主令控制器给定plc的速度信号来对整个系统进行调速，桥式起重机大车、小车、主钩、副钩电动机都需独立运行，大车为两台电动机同时拖动，所以整个系统有5台电动机，4台变频器，并由1台plc分别加以控制。

1  引言

桥式起重机作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位。经过几十年的发展，我国桥式起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺，设备使用维修、管理方面，不断积累经验，不断改造，推动了桥式起重机的技术进步。但在实际使用中，结构开裂仍时有发生。究其原因是频繁的超负荷作业及过大的机械振动冲击所引起的机械疲劳。因此，除了机械上改进设计外，改善交流电气传动，减少起制动冲击，也是一个很重要的方面。由于传统桥式起重机的电控系统采用转子回路串接电阻进行有级调速，致使机械冲击频繁，振动剧烈，因此，电气控制上采用平滑的无级调速是解决问题的有效手段。

2  桥式起重机的工艺要求

2.1 桥式起重机的主要技术参数

(1) 起重机：15/3t

(2) 工作速度：

起升速度：8～20m/min；

小车速度：30～50m/min；

大车速度：80～120m/min。

2.2 提升机构与移动机构对电气控制的要求

为了提高起重机的生产率和生产安全，对起重机提升机构电力拖动自动控制提出如下要求：

(1) 具有合适的升降速度，空钩能快速升降，轻载提升速度应大于额定负载的提升速度。

(2) 具有一定的调速范围，普通起重机调速范围为3:1，对要求较高的起重机，调速范围可达(5～10):1。

(3)适当的低速区，提升重物开始或下降重物到预定位置附近，都需要低速。为此，在30%额定速度内应分成几档，以便灵活操作。高速向低速过渡应逐级减速，保持稳定运行。

(4) 提升的第一档为预备档，用以消除传动间隙，将钢丝张紧，避免过大的机械冲击。但预备级的起动转矩不能大，一般限制在额定转矩的一半以下。

(5) 负载放下时，依据负载大小，拖动电动机可以是电机状态、倒拉反接制动状态与再生发电制动状态。

(6) 为了安全，有机械抱闸的机械制动，以减轻机械抱闸的负担。不允许只有电气制动而无机械制动，不然发生电源事故停电时，在无制动力矩作用下，重物将自由下落，造成设备或人身事故。

大车运行机构与小车运行机构对电力拖动自动控制的要求比较简单，只要有一定的调速范围，分几档进行控制即可。为实现准确停车，应采取制动停车。

2.3 起重机数字化控制系统的简述

该系统通过主令控制器给定plc的速度信号来对整个系统进行调速，桥式起重机大车、小车、主钩、副钩电动机都需独立运行，大车为两台电动机同时拖动，所以整个系统有5台电动机，4台变频器，并由1台plc分别加以控制。

可编程序控制器：完成系统逻辑控制部分控制电动机的正、反转调速等控制信号进入plc，plc经处理后，向变频器发出起停、调速等信号，使电动机工作，是系统的核心。

变频器：为电动机提供可变频率的电源，实现电动机的调速。

制动电阻：起重机放下重物时，由于重力加速度的原因电动机将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到变频器直流电路中，使直流电压不断上升，甚至达到危险的地步。因此，必须将再生到直流电路里的能量消耗掉，使直流电压保持在允许范围内。制动电阻就是用来消耗这部分能量的。

3  系统设备的选用

3.1 电机的选择

起重机提升和运行机构的调速比一般不大于1:20，且为断续工作制，通常接电持续在60%以上，负载多为大惯量系统。严格意义上的变频电机，转动惯量较小，响应速度较快，可工作在比额定转速高出很多的工况条件下，这些特性均非起重机的特定要求。普通电机与变频电机在不连续工作状态下特性基本一致；在连续工作时考虑到冷却效果限制了普通电机转矩应用值，普通电机仅在连续工作时的变频驱动特性比变频电机稍差。

普通变频器在调度比为1:20的范围内确保起重机上普通电机有150％的过载力矩值。此外起重机电机多用于大惯量短时工作制，通常不工作时间大于或略小于工作时间。电机在起动过程中可承受2.5倍额定电流值，因此高频引起的1.1倍电流值可不予考虑。但若电机要求在整个工作周期内在大于1:4的速比下持续运行则必须采用风冷式电机。

作为提升机构的电机选用适合频繁起动、转动惯量小、起动转矩大的变频用电机。目前，国外以四极电机作变频电机首选极数。电机功率为：

式中p——功率，kw；

w——额定起重量(最小幅度时)＋吊钓重量＋钢丝绳重量，n；

v——提开速度，m/s；

η——机械效率。

用变频器驱动异步电动机时，由于变频器的换向冲击电压及开关元件瞬间的开闭而产生冲击电压(浪涌电压)引起电机绝缘恶化，对电压型pwm变频器应尽量缩短变频器与电机间接线距离或者考虑加入阻尼回路(滤波器)。

电动机功率的选择，必须根据生产的需求来决定。一般来说，起重机用电动机比一般工业生产机械所用的电动机的功率大10%左右。

电动机的选择取决于下面两个主要条件：

(1) 发热。电动机在工作时，一方面将电能转变为机械能而作功，另一方面由于电动机绕组本身的阻抗要消耗一部分电能转变成热能，使电动机的温度升高。电动机由于受体积结构等的限制，内部绝缘材料的耐热能力很差，极易造成老化。当温度超过电动机所允许的限度时，绝缘能力被破坏，电动机将烧毁。电动机铭牌上都规定有电动机的温升，它指的是电动机在额定负载下运行时，定子发热后的允许温升与周围环境温度之差。

(2)过载能力。各种电动机都有一定的过载能力。交流电动的过载能力tm是最大转矩m与额定转矩mc的比值，即一般起重机用的交流异步电动机的过载能力为2.5～3.3。交流电动机的过载能力为：

式中，imax——电动机允许的最大电流值；

ic——电动机的额定电流值。

各种电动机的过载能力可从设计手册中查得。

电动机因过载而发生温升需要有一段时间，从发热方面来说，容许有短时的过载。但就过载能力而言，即使在很短时间内也是允许的。所以发热和过载能力必须同时考虑。

桥式起重机的电气传动系统有大车电动机两台、小车动机一台、15吨大钩、3吨小钩提升电动机各一台，这次设计总的思路是用4台变额器来控制5台电机。根据分析计算后电机的基本选型见表1。

表1 电机的选择

3.2 plc的选型

3.2.1 在选择plc时的注意要点

(1) 根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度；

(2) 对i/o点数和i/o点的类型(数字量、模拟量等)统计；

(3) 适当进行内存容量估计的基础上，确定留有适当的余量而不浪费资源的机型(小、中、大形机器)；

(4) 结合市场情况，考察plc生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的plc机型。在plc实际应用中，是以其为控制核心组成电气控制系统，实现对生产、工业过程的控制。

3.2.2 选型时的注意事项

(1) 在plc选型时主要是根据所需功能和容量进行选择，并考虑维护的方便性，备件的通用性，是否易于扩展，有无特殊功能要求等。

(2) plc输入/输出点确定：i/o点数选择时要留出10%～15%的余量。

(3) plc储存容量：系统有模拟量信号存在或进行大量数据处理时容量选择大一些。

(4) 储存时间、维持时间：一般储存期保持1～3年(与使用次数有关)。若要长期或断电保持应选用eeprom储存(不需备用电源)，也可选外用储存卡盒。

(5) plc的扩展：可通过增加扩展模块，扩展单元与主单元连接的方式。扩展模块有输入单元、输出单元，输入/输出一体单元。扩展部分超出主单元驱动能力时应选用带电源的扩展模块或另外加电源模块给予支持。

(6) plc的联网：plc的联网方式分为plc与计算机联网和plc之间互联网两种。与计算机联网可通过rs-232c接口直接连接，rs-422+rs-232c。一台计算机与多台plc联网，可通过采用通讯处理器，网络适配器等方式进行连接，连接介质为双绞线或光缆；plc之间互联时可通过专用通讯电缆直接连接，通讯板卡或模块+数据线连接等方式。

(7) 不要将交流电源线接到输入端子上，以免烧坏plc。

(8) 充分合理利用软、硬件资源。

(9) 不参与控制循环前已经投入的指令可不接入plc。

(10) 多重指令空闲等待一个任务时，可在plc外部将它们并联后再接入一个输入点。

(11) 尽量利用plc内部功能软件，充分调用中间状态，使程序具有完整连贯性，易于开发。同时也能减少硬件投入，降低成本。

(12) 条件允许的情况下最好独立每一路输出，便于控制和检查，也保护其它输出回路；当一个输出点出现故障时只会导致相应输出回路失控。

(13) 输出若为正/反向控制的负载，不仅要从plc内部程序上联锁，并要在plc外部采取措施，防止负载在两方向动作。

(14) plc紧急停止应使用外部开关切断，以确保安全。

3.2.3 plc型号的确定

本设计应用了德国西门子公司simatic s7-300系列的plc进行控制。由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。设计中应用的i/o端子数分别是：输入点数为56个，输出点数为39个；根据要求选用的模块如表2所示。

表2  plc模块的型号

3.3 主令控制器的选用

主令控制器主要用于要求按一定顺序频繁操纵的控制线路中，如绕线电动机按顺序切除转子附加电阻，也可实现与其它控制线路联锁、转换的目的。它的结构与万能转换开关有些类似，也是通过手柄操作凸轮，使触点按规定的接通表闭合或断开电路，但其触点对数较多。主令控制器的触点没有灭弧装置，使触点分断能力只比按钮稍大。

有触点的主令控制器有两种：一种是凸轮可以调整，另一种是凸轮不能调整。有触点的主令控制器，对电路输出的是开关量主令信号；无触点的主令控制器(又称无级主令控制器)，对电路输出的是模拟量主令信号；无触点主令控制器的内部是一个自整角机，其转子由操作手柄带动。

本系统选用的主令控制器的型号是lk5-052/2-1003。特点：lk5系列主令控制器适用于交流50hz电压至380v及直流电压至440v的电路中，主要用于各类型电力驱动装置的遥远控制，可以控制需要较多控制电路的联锁与转换装置，适合于频繁操作任务。但它不适用于有化学活跃性，易燃气体及充满灰尘以及非常潮湿的场所。它的手柄在各操作位置时，各触点闭合或断开情况用表3来表示，表中“ⅹ”处代表触点在该位置上闭合，空格代表触点处于断开状态。

表3  主令控制器触点接通表(lk5-052/2-1003型)

4  结束语

桥式起重机变频调速技术具有节能、减少机械磨损、启动性能好等优点。

本文主要研究的是起重机数字化控制系统的设计，通过用主令控制器给定plc控制信号，该信号分别控制大车、小车、主钩、副钩的速度档和行走方向，从而控制电机的方向和转速，在变频器的输入端设定3个速度信号端子，然后通过plc编程控制来实现。

采用plc来控制，具有可靠和灵活的切换逻辑功能。plc与变频器两者的结合应用于桥式起重机控制系统中，具有很好的实用价值和显著的经济效益。

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