完整word版PLC控制变频器技术在桥式起重机改造中的应用.docx
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完整word版PLC控制变频器技术在桥式起重机改造中的应用
PLC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。
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）；
（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。
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1～4挡，加减速时间为3～6S；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2～4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
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。
（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（ProgrammableController）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编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），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（PersonalComputer）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
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一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程式结束再生”
5、PLC与变频器的通讯
由于采用变频器对起重机电机进行调速，所以本系统中对起重机的调速，实际上就是对其变频器的控制。
西门子S7系列PLC支持多种通信协议。
控制系统使用的s7—200CPU支持一个或多个协议，包括通用协议和公司专用协议。
专用协议包括点到（point—to—point）接口协议（PPI）、多点（Multi—Point）接口协议（MPI）、Profibus通讯协议、自由通信协议和USS协议等。
本系统采用工业触摸屏监控起重机变频调速系统主要由上位机、下位机，经MPI多点接口卡与PLC连接，组成一个小型的MPI网。
S7—200向人机界面产品提供全局数据服务，其数据传输速率187.5kB/s。
5.1上位机和PLC之间的通信设计
（1）硬件设计。
上位机（PC）通过CP561l卡与PLC的串行通信接口连接，对PLC进行集中监视和管理。
（2）软件设计。
变量是上位机与PC之间，用于数据交换的最重要的通讯方式，PLC和上位机通讯，是通过变量来实现的。
变量有两种类型：
全局变量和局部变量。
全局变量是带有PLC链接的变量，其在PLC上占据一个定义的存储器地址，从上位机与PLC都可以对之进行读、写访问，是通信的关键；局部变量不连接到PLC上，仅在上位机上使用。
表1为系统变量表。
STEP7-Micro/Win32软件工具包，提供了LISS通信协议，从减少软件的工作量和提高可靠性出发，采用LISS协议来完成PLC与变频器的通信。
与变频器的通信，对PLC的CPU扫描是异步的，完成一个变频其通信事务通常需要数次CPU扫描。
这取决于连接的变频器数目、波特率以及CPU的扫描时间。
5.2使用USS协议指令的编程顺序
（1）通过调用USS_INIT以启动或改变USS通信参数。
调用USS_INIT指令，以修改USS通信参数，如启用或禁止USS协议、设定波特率，指示哪些地址的变频器是激活的（即可与之通信）。
USS_INIT指令置于用户程序，会自动将数个隐含的子程序和中断程序加到程序内，标志为激活的变频器，都自动地在后台进行轮询控制、汇集状态，并防止变频器的串行链路超时。
（2）将一个V存储器地址分配给USS全局符号表中的第—个存储单元，所有其他地址都是自动地分配的。
注意，在用户程序内每一个激活变频器只能有一条DRV_CTRL，可以任意添加READ_PM和WRITE_PM指令，但是每次只能激活其中的一个指令。
（3）通过调用DRV_CTRL指令来控制指定变频器，如电动机的启停、控制方向、设定速度、查询变频器返回的状态字等。
（4）调用READ_PM或WRITE_PM指令，来读取或写变频器参数，以便于设置变频器参数，程序中所用的波特率和地址相匹配。
采用上述方法，可以很好地控制网带的速度，并查询变频器的状态，把诊断信息反馈给PLC。
6 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4所示。
PLC得到运行信号
图4 PLC程序流程图
7改造前后技术对比
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 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。
8结束语
利用PLC结合变频调速技术，改进桥式起重机控制系统，使整机性能有较大提高，起重机行走平滑、稳定，被吊物件定位准确，并且减少了起动时对电网的冲击。
采用变频器调速，结合PLC的强大控制功能、可靠性以及基于组态软件所开发出来的良好人机界面和通信能力，实现了可以在控制室对电机的远程控制运行参数、行走系统的各挡速度、加速时间和制动减速时间等进行调节，简单方便，并且变频器的故障信息，可以在人机界面上实时反映出来，以用来提示用户，防止安全事故的发生。
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