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胡艷麗 （1983-）
女，安徽碭山人，河南理工大學在讀研究生，從事信號檢測與智能控制方面的研究。
摘要：針對100/20t橋式起重機原控制系統在啟動和調速等方面存在的問題，本文采用PLC、變頻器及觸摸屏控制技術對其電氣控制系統的硬件結構和軟件進行總體優化設計。實踐表明，改造后的系統有效克服了起重機存在的缺陷，運行可靠，具有良好的工業應用前景。
關鍵詞：可編程控制器；變頻器；觸摸屏；橋式起重機；優化設計
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
隨著電力電子技術、微電子技術和計算機技術的迅猛發展，PLC控制技術和變頻調速技術以其可靠性高、運行平穩、控制過程軟件化、功能強、靈活性大等特點，已廣泛應用于電氣傳動領域。本研究以橋式起重機的變頻調速和以PLC為核心的控制系統設計為例，說明PLC控制系統和變頻調速所具備的優越性。
1 問題的提出
河南某鋼廠一100/20t橋式起重機，主要用于吊鋼包、吊廢鋼、加料等。該起重機主要采用交流繞線轉子串電阻方法進行啟動與調速，繼電接觸器控制。由于載荷利用率高，工況惡劣，而且重載下頻繁起動、制動、反轉、變速等操作，實際使用中存在如下問題：(1)調速方式只能進行有級調速；(2)起動/制動沖擊電流大，對電動機的電刷、滑環及制動器有比較大的沖擊，維修率高；(3)串電阻長期發熱，電能浪費大，效率低；(4)接觸器控制系統可靠性差，操作復雜，故障率高等，極大影響了該廠的效益。
本文針對該系統的不足，將可編程序控制器、變頻器和觸摸屏控制技術應用于橋式起重控制系統中，使得起重機的整體特性得到較大提高，投入運行后效果良好，運行穩定。
2 起重機電氣控制系統的改造要求
橋式起重機有四個機構，分別為：
（1）主起升機構：37kW（一臺電機）；
（2）副起升機構：30kW（一臺電機）；
（3）大車運行機構：2×7.5kW（兩臺電機）；
（4）小車運行機構：7.5kW（一臺電機）；
改進后，起重機控制系統主要由上位機-觸摸屏控制系統、下位機-可編程控制器、變頻調速系統以及負荷重量測量儀等組成（控制系統結構框圖如圖1所示）。各機構電動機都需獨立運行，大車為兩臺電動機同時拖動，實現同步運行。所以整個系統有五臺電動機，四臺變頻器。起重機必須實現的操作功能有：主起升機構升降、副起升機構升降、大車運行、小車運行；保護功能有：主副起升機構上升限位、下降限位、大車限位、小車限位，超載保護等。
3 起重機電氣控制系統硬件設計
本系統主要由PLC和變頻器來實現起重機的運行及保護等功能。
3.1 PLC控制系統
PLC控制單元選用西門子S7-300系列，該系列可編程序控制器具有可靠性高、抗干擾能力強、模塊化、性價比高等特點。S7-300系列PLC可用梯形圖、語句表和功能塊圖進行編程，指令豐富，功能強，操作方便。該橋式起重機各機構采用四個檔位的控制器操作，加上各種保護，計算出輸入點數為28點，輸出點數為24點，圖2為其硬件接線圖。
總體配置硬件如下：
（1）中央處理模塊（CPU）：選用6ES7 315-2AG10-0AB0；
（2）數字量輸入模塊（兩塊）：選用6ES7 321-7BH00-0AB0，16點；
（3）數字量輸出模塊（兩塊）：選用6ES7 322-1HH01-0AA0，16點；
（4）電源模塊：選用PS307一塊。
3.2 變頻調速系統
三菱FR-A740系列變頻器，自身保護功能齊全，如過流，過載，過壓等都能及時報警及停止，減少了起重機故障，提高了安全性能。同時三菱變頻器具有限流作用，可以減少啟動時對電網沖擊，有利于車間內其它設備正常運行。其接線端子有RS485通訊接口，配備相應的通訊模塊，通過PLC實現集中控制（設定變頻器控制命令、運行頻率、相關功能碼參數的修改，變頻器工作狀態及故障信息的監控等）。
各機構變頻器、制動單元、制動電阻配置如下：
（1）主起升機構：FR-A740-45K-CHT(配IPC-DR-3S制動單元1個，制動電阻10Ω/25kW一套)；
（2）副起升機構：FR-A740-37K-CHT(配IPC-DR-3S制動單元1個，制動電阻11Ω/20kW一套)；
（3）大車運行機構：FR-A740-18.5K-CHT(配IPC-DR-1L制動單元1個，制動電阻30Ω/6kW一套)；
（4）小車運行機構：FR-A740-11K-CHT(配IPC-DR-1L制動單元1個，制動電阻60Ω/3kW一套)。
3.3 觸摸屏系統
工業觸摸屏選用西門子的5.7英寸TP170A彩色觸摸操作面板，與PLC控制系統連接，利用強大的工業觸摸屏組態軟件進行開發。它一方面采用直觀人機界面，能夠明確指示操作員機器設備目前的狀況，使操作簡單明了，減少失誤；另一方面人機界面具有故障顯示及控制變頻器全變頻調速等功能，通過上位機、下位機通訊，實現實時監控。
4 起重機電氣控制系統軟件設計
軟件設計要求實現系統設定的功能，同時要求可靠性好，易于操作和維護。因此根據起重機工作要求，本系統將控制程序模塊化，主要包括主起升控制模塊，副起升控制模塊，大車運行控制模塊，小車運行控制模塊，保護功能模塊。這樣不僅減少了程序語句，縮短了程序處理時間，提高了控制系統的響應能力，還利于實現起重機帶負載快速調試，便于調試人員迅速查找、優化程序，PLC系統控制流程圖如圖3所示。
5 效果分析
經過實際應用，改造后的系統性能得到了很大的改善。不僅可以明顯提高起重機的安全性、可靠性，而且可以提高工作效率，降低能源的消耗，降低維修費用，減少勞動強度，滿足其工況和作業需要。主要表現在：
（1）上位機選擇觸摸屏控制系統，提示整機工作狀況以及各種故障信息，極大方便了各類操作人員的使用和維修。
（2）下位機采用PLC來實現各電機的啟、停，數值的轉換、速度的檢測。
（3）采用變頻器實現起重機電機的調速運行，調速范圍寬、性能好。系統設有主副起升、大、小車走行各四檔工作速度，操作者。
可根據負載的變化情況，隨時修改各檔速度值。
（4）結構簡單、可靠性高、易于維護。主副起升、大車、小車四套變頻調速控制系統采用獨立的控制柜，每個控制柜包括變頻器、可編程控制器以及低壓元件，外觀結構十分簡單。系統還具有過流保護、過壓保護、欠壓保護等功能，確保了控制、保護動作的準確性和可靠性。
（5）節能效果顯著。繞線轉子異步電動機在低速運行時，轉子回路的外接電阻內消耗大量的電能。采用變頻調速系統后，非但外接電阻內消耗的大量電能可以完全節約，并且在起重機放下重物時，還可將重物釋放的位能反饋給電源。
6 結束語
經改造后的橋式起重機將可編程序控制器、變頻器和觸摸屏控制技術應用于橋式起重機控制系統中，使得起重機的整體特性得到較大提高，解決了傳統橋式起重機控制系統存在的問題。變頻調速技術改造起重機電力拖動控制系統，不但使控制性能得到極大的提高也降低了系統的能耗，具有良好的工業應用前景。因此，該控制系統的研究與應用具有較強的推廣價值。
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號