PLC在橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

1、PLC在橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)      1、引言        橋式起重機(jī)作為物料搬運(yùn)機(jī)械在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著十分重要的地位。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)橋式起重機(jī)制造廠和使用部門(mén)在設(shè)計(jì)、制造工藝，設(shè)備使用維修、管理方面，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，不斷改造，推動(dòng)了橋式起重機(jī)的技術(shù)進(jìn)步。但在實(shí)際使用中，結(jié)構(gòu)開(kāi)裂仍時(shí)有發(fā)生。究其原因是頻繁的超負(fù)荷作業(yè)及過(guò)大的機(jī)械振動(dòng)沖擊所引起的機(jī)械疲勞。因此，除了機(jī)械上改進(jìn)設(shè)計(jì)外，改善交流電氣傳動(dòng)，減少起制動(dòng)沖擊，也是一個(gè)很重要的方面。由于傳統(tǒng)橋式起重機(jī)

2、的電控系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子回路串接電阻進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，致使機(jī)械沖擊頻繁，振動(dòng)劇烈，因此，電氣控制上采用平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速是解決問(wèn)題的有效手段。        2、橋式起重機(jī)的工藝要求        2.1 橋式起重機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)        (1) 起重機(jī)：15/3t    (2) 工作速度：      &#

3、160; 起升速度：820m/min；    小車(chē)速度：3050m/min；    大車(chē)速度：80120m/min。        2.2 提升機(jī)構(gòu)與移動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)電氣控制的要求        為了提高起重機(jī)的生產(chǎn)率和生產(chǎn)安全，對(duì)起重機(jī)提升機(jī)構(gòu)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制提出如下要求：        (1) 具有合適的升降速度，空鉤能快速升降，

4、輕載提升速度應(yīng)大于額定負(fù)載的提升速度。        (2) 具有一定的調(diào)速范圍，普通起重機(jī)調(diào)速范圍為3:1，對(duì)要求較高的起重機(jī)，調(diào)速范圍可達(dá)(510):1。        (3) 適當(dāng)?shù)牡退賲^(qū)，提升重物開(kāi)始或下降重物到預(yù)定位置附近，都需要低速。為此，在30%額定速度內(nèi)應(yīng)分成幾檔，以便靈活操作。高速向低速過(guò)渡應(yīng)逐級(jí)減速，保持穩(wěn)定運(yùn)行。        (4) 提升的第一檔為預(yù)備檔，用以消除

5、傳動(dòng)間隙，將鋼絲張緊，避免過(guò)大的機(jī)械沖擊。但預(yù)備級(jí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不能大，一般限制在額定轉(zhuǎn)矩的一半以下。        (5) 負(fù)載放下時(shí)，依據(jù)負(fù)載大小，拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)可以是電機(jī)狀態(tài)、倒拉反接制動(dòng)狀態(tài)與再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。        (6) 為了安全，有機(jī)械抱閘的機(jī)械制動(dòng)，以減輕機(jī)械抱閘的負(fù)擔(dān)。不允許只有電氣制動(dòng)而無(wú)機(jī)械制動(dòng)，不然發(fā)生電源事故停電時(shí)，在無(wú)制動(dòng)力矩作用下，重物將自由下落，造成設(shè)備或人身事故。     

6、   大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)與小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)對(duì)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制的要求比較簡(jiǎn)單，只要有一定的調(diào)速范圍，分幾檔進(jìn)行控制即可。為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車(chē)，應(yīng)采取制動(dòng)停車(chē)。        2.3 起重機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)述        該系統(tǒng)通過(guò)主令控制器給定plc的速度信號(hào)來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速，橋式起重機(jī)大車(chē)、小車(chē)、主鉤、副鉤電動(dòng)機(jī)都需獨(dú)立運(yùn)行，大車(chē)為兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)拖動(dòng)，所以整個(gè)系統(tǒng)有5臺(tái)電動(dòng)機(jī)，4臺(tái)變頻器，并由1臺(tái)plc分別加以控制。  &#

7、160;     可編程序控制器：完成系統(tǒng)邏輯控制部分控制電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)調(diào)速等控制信號(hào)進(jìn)入plc，plc經(jīng)處理后，向變頻器發(fā)出起停、調(diào)速等信號(hào)，使電動(dòng)機(jī)工作，是系統(tǒng)的核心。        變頻器：為電動(dòng)機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。        制動(dòng)電阻：起重機(jī)放下重物時(shí)，由于重力加速度的原因電動(dòng)機(jī)將處于再生制動(dòng)狀態(tài)，拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能要反饋到變頻器直流電路中，使直流電壓不斷上升，甚至達(dá)到危險(xiǎn)的地步。因此，

8、必須將再生到直流電路里的能量消耗掉，使直流電壓保持在允許范圍內(nèi)。制動(dòng)電阻就是用來(lái)消耗這部分能量的。        3、系統(tǒng)設(shè)備的選用        3.1 電機(jī)的選擇        起重機(jī)提升和運(yùn)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速比一般不大于1:20，且為斷續(xù)工作制，通常接電持續(xù)在60%以上，負(fù)載多為大慣量系統(tǒng)。嚴(yán)格意義上的變頻電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，響應(yīng)速度較快，可工作在比額定轉(zhuǎn)速高出很多的工況條件下，這些特性

9、均非起重機(jī)的特定要求。普通電機(jī)與變頻電機(jī)在不連續(xù)工作狀態(tài)下特性基本一致；在連續(xù)工作時(shí)考慮到冷卻效果限制了普通電機(jī)轉(zhuǎn)矩應(yīng)用值，普通電機(jī)僅在連續(xù)工作時(shí)的變頻驅(qū)動(dòng)特性比變頻電機(jī)稍差。        普通變頻器在調(diào)度比為1:20的范圍內(nèi)確保起重機(jī)上普通電機(jī)有150的過(guò)載力矩值。此外起重機(jī)電機(jī)多用于大慣量短時(shí)工作制，通常不工作時(shí)間大于或略小于工作時(shí)間。電機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中可承受2.5倍額定電流值，因此高頻引起的1.1倍電流值可不予考慮。但若電機(jī)要求在整個(gè)工作周期內(nèi)在大于1:4的速比下持續(xù)運(yùn)行則必須采用風(fēng)冷式電機(jī)。  &

10、#160;     作為提升機(jī)構(gòu)的電機(jī)選用適合頻繁起動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的變頻用電機(jī)。目前，國(guó)外以四極電機(jī)作變頻電機(jī)首選極數(shù)。電機(jī)功率為：                式中p功率，kw；    w額定起重量(最小幅度時(shí))吊釣重量鋼絲繩重量，n；    v提開(kāi)速度，m/s；    機(jī)械效率。  

11、0;     用變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于變頻器的換向沖擊電壓及開(kāi)關(guān)元件瞬間的開(kāi)閉而產(chǎn)生沖擊電壓(浪涌電壓)引起電機(jī)絕緣惡化，對(duì)電壓型pwm變頻器應(yīng)盡量縮短變頻器與電機(jī)間接線(xiàn)距離或者考慮加入阻尼回路(濾波器)。        電動(dòng)機(jī)功率的選擇，必須根據(jù)生產(chǎn)的需求來(lái)決定。一般來(lái)說(shuō)，起重機(jī)用電動(dòng)機(jī)比一般工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械所用的電動(dòng)機(jī)的功率大10%左右。電動(dòng)機(jī)的選擇取決于下面兩個(gè)主要條件：        (1) 發(fā)熱。電動(dòng)機(jī)在

12、工作時(shí)，一方面將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能而作功，另一方面由于電動(dòng)機(jī)繞組本身的阻抗要消耗一部分電能轉(zhuǎn)變成熱能，使電動(dòng)機(jī)的溫度升高。電動(dòng)機(jī)由于受體積結(jié)構(gòu)等的限制，內(nèi)部絕緣材料的耐熱能力很差，極易造成老化。當(dāng)溫度超過(guò)電動(dòng)機(jī)所允許的限度時(shí)，絕緣能力被破壞，電動(dòng)機(jī)將燒毀。電動(dòng)機(jī)銘牌上都規(guī)定有電動(dòng)機(jī)的溫升，它指的是電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，定子發(fā)熱后的允許溫升與周?chē)h(huán)境溫度之差。        (2) 過(guò)載能力。各種電動(dòng)機(jī)都有一定的過(guò)載能力。交流電動(dòng)的過(guò)載能力tm是最大轉(zhuǎn)矩m與額定轉(zhuǎn)矩mc的比值，即一般起重機(jī)用的交流異步電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力為2.5

13、3.3。交流電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力為：                式中，imax電動(dòng)機(jī)允許的最大電流值；    ic電動(dòng)機(jī)的額定電流值。    各種電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力可從設(shè)計(jì)手冊(cè)中查得。        電動(dòng)機(jī)因過(guò)載而發(fā)生溫升需要有一段時(shí)間，從發(fā)熱方面來(lái)說(shuō)，容許有短時(shí)的過(guò)載。但就過(guò)載能力而言，即使在很短時(shí)間內(nèi)也是允許的。所以發(fā)熱和過(guò)載

14、能力必須同時(shí)考慮。        橋式起重機(jī)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)有大車(chē)電動(dòng)機(jī)兩臺(tái)、小車(chē)動(dòng)機(jī)一臺(tái)、15噸大鉤、3噸小鉤提升電動(dòng)機(jī)各一臺(tái)，這次設(shè)計(jì)總的思路是用4臺(tái)變額器來(lái)控制5臺(tái)電機(jī)。根據(jù)分析計(jì)算后電機(jī)的基本選型見(jiàn)表1。    表1 電機(jī)的選擇        3.2 plc的選型        3.2.1 在選擇plc時(shí)的注意要點(diǎn)  &#

15、160;     (1) 根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，分析被控對(duì)象的復(fù)雜程度；    (2) 對(duì)i/o點(diǎn)數(shù)和i/o點(diǎn)的類(lèi)型(數(shù)字量、模擬量等)統(tǒng)計(jì)；    (3) 適當(dāng)進(jìn)行內(nèi)存容量估計(jì)的基礎(chǔ)上，確定留有適當(dāng)?shù)挠嗔慷焕速M(fèi)資源的機(jī)型(小、中、大形機(jī)器)；    (4) 結(jié)合市場(chǎng)情況，考察plc生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品及其售后服務(wù)、技術(shù)支持、網(wǎng)絡(luò)通信等綜合情況，選定價(jià)格性能比較好的plc機(jī)型。在plc實(shí)際應(yīng)用中，是以其為控制核心組成電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)、工業(yè)過(guò)程的控制。 &#

16、160;      3.2.2 選型時(shí)的注意事項(xiàng)        (1) 在plc選型時(shí)主要是根據(jù)所需功能和容量進(jìn)行選擇，并考慮維護(hù)的方便性，備件的通用性，是否易于擴(kuò)展，有無(wú)特殊功能要求等。    (2) plc輸入/輸出點(diǎn)確定：i/o點(diǎn)數(shù)選擇時(shí)要留出10%15%的余量。    (3) plc儲(chǔ)存容量：系統(tǒng)有模擬量信號(hào)存在或進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理時(shí)容量選擇大一些。    (4) 儲(chǔ)存時(shí)間、維持時(shí)

17、間：一般儲(chǔ)存期保持13年(與使用次數(shù)有關(guān))。若要長(zhǎng)期或斷電保持應(yīng)選用eeprom儲(chǔ)存(不需備用電源)，也可選外用儲(chǔ)存卡盒。    (5) plc的擴(kuò)展：可通過(guò)增加擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展單元與主單元連接的方式。擴(kuò)展模塊有輸入單元、輸出單元，輸入/輸出一體單元。擴(kuò)展部分超出主單元驅(qū)動(dòng)能力時(shí)應(yīng)選用帶電源的擴(kuò)展模塊或另外加電源模塊給予支持。    (6) plc的聯(lián)網(wǎng)：plc的聯(lián)網(wǎng)方式分為plc與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)和plc之間互聯(lián)網(wǎng)兩種。與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)可通過(guò)rs-232c接口直接連接，rs-422+rs-232c。一臺(tái)計(jì)算機(jī)與多臺(tái)plc聯(lián)網(wǎng)，可通過(guò)采用通訊處理

18、器，網(wǎng)絡(luò)適配器等方式進(jìn)行連接，連接介質(zhì)為雙絞線(xiàn)或光纜；plc之間互聯(lián)時(shí)可通過(guò)專(zhuān)用通訊電纜直接連接，通訊板卡或模塊+數(shù)據(jù)線(xiàn)連接等方式。    (7) 不要將交流電源線(xiàn)接到輸入端子上，以免燒壞plc。    (8) 充分合理利用軟、硬件資源。    (9) 不參與控制循環(huán)前已經(jīng)投入的指令可不接入plc。    (10) 多重指令空閑等待一個(gè)任務(wù)時(shí)，可在plc外部將它們并聯(lián)后再接入一個(gè)輸入點(diǎn)。    (11) 盡量利用plc內(nèi)部功能軟件，充分調(diào)用中間狀

19、態(tài)，使程序具有完整連貫性，易于開(kāi)發(fā)。同時(shí)也能減少硬件投入，降低成本。    (12) 條件允許的情況下最好獨(dú)立每一路輸出，便于控制和檢查，也保護(hù)其它輸出回路；當(dāng)一個(gè)輸出點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)只會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)輸出回路失控。    (13) 輸出若為正/反向控制的負(fù)載，不僅要從plc內(nèi)部程序上聯(lián)鎖，并要在plc外部采取措施，防止負(fù)載在兩方向動(dòng)作。    (14) plc緊急停止應(yīng)使用外部開(kāi)關(guān)切斷，以確保安全。        3.2.3 plc型號(hào)的確定&

20、#160;       本設(shè)計(jì)應(yīng)用了德國(guó)西門(mén)子公司simatic s7-300系列的plc進(jìn)行控制。由于它有極強(qiáng)的通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮其作用。設(shè)計(jì)中應(yīng)用的i/o端子數(shù)分別是：輸入點(diǎn)數(shù)為56個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)為39個(gè)；根據(jù)要求選用的模塊如表2所示。    表2 plc模塊的型號(hào)        3.3 主令控制器的選用        主令控制器主

21、要用于要求按一定順序頻繁操縱的控制線(xiàn)路中，如繞線(xiàn)電動(dòng)機(jī)按順序切除轉(zhuǎn)子附加電阻，也可實(shí)現(xiàn)與其它控制線(xiàn)路聯(lián)鎖、轉(zhuǎn)換的目的。它的結(jié)構(gòu)與萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)有些類(lèi)似，也是通過(guò)手柄操作凸輪，使觸點(diǎn)按規(guī)定的接通表閉合或斷開(kāi)電路，但其觸點(diǎn)對(duì)數(shù)較多。主令控制器的觸點(diǎn)沒(méi)有滅弧裝置，使觸點(diǎn)分?jǐn)嗄芰χ槐劝粹o稍大。        有觸點(diǎn)的主令控制器有兩種：一種是凸輪可以調(diào)整，另一種是凸輪不能調(diào)整。有觸點(diǎn)的主令控制器，對(duì)電路輸出的是開(kāi)關(guān)量主令信號(hào)；無(wú)觸點(diǎn)的主令控制器(又稱(chēng)無(wú)級(jí)主令控制器)，對(duì)電路輸出的是模擬量主令信號(hào)；無(wú)觸點(diǎn)主令控制器的內(nèi)部是一個(gè)自整角機(jī)，其轉(zhuǎn)子由操作手柄帶動(dòng)。  &#