PLC与变频器在桥式起重机控制系统改造中的应用--控制网



PLC与变频器在桥式起重机控制系统改造中的应用
企业：控制网 日期：2009-06-08
领域：PLC&PAC 点击数：2893











胡艳丽 （1983-）
女，安徽砀山人，河南理工大学在读研究生，从事信号检测与智能控制方面的研究。

摘要：针对100/20t桥式起重机原控制系统在启动和调速等方面存在的问题，本文采用PLC、变频器及触摸屏控制技术对其电气控制系统的硬件结构和软件进行总体优化设计。实践表明，改造后的系统有效克服了起重机存在的缺陷，运行可靠，具有良好的工业应用前景。

关键词：可编程控制器；变频器；触摸屏；桥式起重机；优化设计

Abstract: According to the problems in start and speed control with original control 
system of 100/20t bridge crane, this paper mainly introduces the optimization design 
of the main hardware structure and soft programming of the control system based on PLC,
 frequency converter and touch screen. This improved system overcomes the shortcomings 
of bridge crane effectively and also has reliable running, which has good prospects for
 industrial applications.

Key words: PLC; frequency converter; touch screen; bridge crane; optimization design

    随着电力电子技术、微电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC控制技术和变频调速技术以其可靠性高、运行平稳、控制过程软件化、功能强、灵活性大等特点，已广泛应用于电气传动领域。本研究以桥式起重机的变频调速和以PLC为核心的控制系统设计为例，说明PLC控制系统和变频调速所具备的优越性。

1 问题的提出

    河南某钢厂一100/20t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 起重机电气控制系统的改造要求 

    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）；

    （3）大车运行机构：2×7.5kW（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。

3 起重机电气控制系统硬件设计 

    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。 

                                      图1   起重机控制系统结构框图

3.1 PLC控制系统

    PLC控制单元选用西门子S7-300系列，该系列可编程序控制器具有可靠性高、抗干扰能力强、模块化、性价比高等特点。S7-300系列PLC可用梯形图、语句表和功能块图进行编程，指令丰富，功能强，操作方便。该桥式起重机各机构采用四个档位的控制器操作，加上各种保护，计算出输入点数为28点，输出点数为24点，图2为其硬件接线图。

    总体配置硬件如下：

    （1）中央处理模块（CPU）：选用6ES7 315-2AG10-0AB0；

    （2）数字量输入模块（两块）：选用6ES7 321-7BH00-0AB0，16点；

    （3）数字量输出模块（两块）：选用6ES7 322-1HH01-0AA0，16点；

    （4）电源模块：选用PS307一块。 

                                     图2   PLC硬件设计图

3.2 变频调速系统

    三菱FR-A740系列变频器，自身保护功能齐全，如过流，过载，过压等都能及时报警及停止，减少了起重机故障，提高了安全性能。同时三菱变频器具有限流作用，可以减少启动时对电网冲击，有利于车间内其它设备正常运行。其接线端子有RS485通讯接口，配备相应的通讯模块，通过PLC实现集中控制（设定变频器控制命令、运行频率、相关功能码参数的修改，变频器工作状态及故障信息的监控等）。

    各机构变频器、制动单元、制动电阻配置如下：

    （1）主起升机构：FR-A740-45K-CHT(配IPC-DR-3S制动单元1个，制动电阻10Ω/25kW一套)；

    （2）副起升机构：FR-A740-37K-CHT(配IPC-DR-3S制动单元1个，制动电阻11Ω/20kW一套)；

    （3）大车运行机构：FR-A740-18.5K-CHT(配IPC-DR-1L制动单元1个，制动电阻30Ω/6kW一套)；

    （4）小车运行机构：FR-A740-11K-CHT(配IPC-DR-1L制动单元1个，制动电阻60Ω/3kW一套)。

3.3 触摸屏系统

    工业触摸屏选用西门子的5.7英寸TP170A彩色触摸操作面板，与PLC控制系统连接，利用强大的工业触摸屏组态软件进行开发。它一方面采用直观人机界面，能够明确指示操作员机器设备目前的状况，使操作简单明了，减少失误；另一方面人机界面具有故障显示及控制变频器全变频调速等功能，通过上位机、下位机通讯，实现实时监控。

4 起重机电气控制系统软件设计

    软件设计要求实现系统设定的功能，同时要求可靠性好，易于操作和维护。因此根据起重机工作要求，本系统将控制程序模块化，主要包括主起升控制模块，副起升控制模块，大车运行控制模块，小车运行控制模块，保护功能模块。这样不仅减少了程序语句，缩短了程序处理时间，提高了控制系统的响应能力，还利于实现起重机带负载快速调试，便于调试人员迅速查找、优化程序，PLC系统控制流程图如图3所示。

5 效果分析

    经过实际应用，改造后的系统性能得到了很大的改善。不仅可以明显提高起重机的安全性、可靠性，而且可以提高工作效率，降低能源的消耗，降低维修费用，减少劳动强度，满足其工况和作业需要。主要表现在：

    （1）上位机选择触摸屏控制系统，提示整机工作状况以及各种故障信息，极大方便了各类操作人员的使用和维修。

    （2）下位机采用PLC来实现各电机的启、停，数值的转换、速度的检测。

    （3）采用变频器实现起重机电机的调速运行，调速范围宽、性能好。系统设有主副起升、大、小车走行各四档工作速度，操作者。

                                     图3   PLC程序流程图

    可根据负载的变化情况，随时修改各档速度值。

    （4）结构简单、可靠性高、易于维护。主副起升、大车、小车四套变频调速控制系统采用独立的控制柜，每个控制柜包括变频器、可编程控制器以及低压元件，外观结构十分简单。系统还具有过流保护、过压保护、欠压保护等功能，确保了控制、保护动作的准确性和可靠性。

    （5）节能效果显著。绕线转子异步电动机在低速运行时，转子回路的外接电阻内消耗大量的电能。采用变频调速系统后，非但外接电阻内消耗的大量电能可以完全节约，并且在起重机放下重物时，还可将重物释放的位能反馈给电源。

6 结束语

    经改造后的桥式起重机将可编程序控制器、变频器和触摸屏控制技术应用于桥式起重机控制系统中，使得起重机的整体特性得到较大提高，解决了传统桥式起重机控制系统存在的问题。变频调速技术改造起重机电力拖动控制系统，不但使控制性能得到极大的提高也降低了系统的能耗，具有良好的工业应用前景。因此，该控制系统的研究与应用具有较强的推广价值。


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