基于PLC和变频器的起重机系统的设计

1、基于PLC和变频器的起重机系统的设计柳成,曲永印,曲丽萍,刘德君（北华大学电气信息工程学院，吉林, 吉林132021）摘要:常用的起重机大多存在电能浪费严重、自动化水平低等问题，现设计一种全新的基于无线网络、PLC和变频回馈装置的高性能起重机控制系统，应用结果表明，该系统高效节能、可靠性高、网络化程度高，使用维护方便。关健词:节能;网络化;M/T法中图分类号:TP273 文献标识码:ACrane Control System Design Based on PLC and Frequency ConverterLiu Cheng， Qu Yongyin，Qu Liping，Liu Dejun（

2、School of Electric Information Engineering College of BeiHua University ，jilin , 132021, jilin ，china)Abstract: The crane in common use mostly exists many problems such as wasting energy source, behindhand automatic technology, etc. we designed a bran-new、high-powered control system which mainly bas

3、ed on Wireless network technology、PLC and the frequency conversion feedback device. It is proved high-powered、simple in using and maintenance, and provided with high dependability in practice. It is a system which have great value of popularize.Key words: Economy energy；network； M/T method1 引言在工矿企业中

4、，起重机是不可缺少的常用设备。目前国内大多数工矿企业所用起重机是采用绕线式电动机拖动，通过转子电阻的切换进行调速，由继电接触器线路实现系统的操作控制。因而起重机故障率高、调速性能差。在低速下运行时由于转差功率大，转子电阻发热严重，尤其在起重机下放重物时，重物所具有的势能均通过电动机转子电阻变成热能而散失掉。所以，这种起重机效率十分低下，在起重机工作繁忙的情况下，电能浪费现象更是非常严重。因此，在起重机工作繁重的生产车间，如何解决起重机运行中电能浪费、控制水平低，如何将起重机纳人到工矿企业生产过程中的物流管理系统，成为了一项十分重要而又紧迫的工作。本文设计的基于无线网络、PLC和变频回馈装置的高

5、性能起重机控制系统，从改变控制方式上解决了起重机重物下放产生能量浪费问题，以及起重机低速运行时因转子电阻发热严重而影响起重机调速范围的问题。并且装置的自动化程度高、可靠性大大提高，操作方便，基本上实现免维护。2 系统结构常用起重机一般由大车、小车、主钩、副钩传动控制系统组成。现在国内也有起重机使用鼠笼型电动机、变频驱动，见图一。图1制动电阻工作机制Fig.1 Working mechanism of the braking resistor这种控制方式解决了老式起重机绕线式电动机在低速下运行时转子电阻发热严重的问题。但下放重物时电动机变为发电状态，重物具有的势能通过电动机变成电能，使变频器内部

6、电容器两端电压升高，产生过电压故障。解决问题的方法是：配套使用制动单元和制动电阻，当变频器直流电压升高到制动单元动作阈值时，制动单元动作，接通制动电阻。将转子回馈的电能通过制动电阻变成热能释放掉，降低变频器内部电容器两端电压，使系统保持正常工作。起重机下放重物越重，电动机回馈变频器的能量越多，则所需制动单元、制动电阻的功率越大，热能耗散也越多。仍然没有解决起重机下放重物时能量损耗问题。本系统根据直流电变为交流电的逆变原理，研制出电能回馈装置，根据电动机的不同工作状态，分别启动变频器。回馈装置工作机制，如图2所示。图2 回馈装置工作机制Fig.2 Working mechanism of fee

7、dback devices电动机工作于电动状态时，变频器工作，电动机通过变频实现调速，电能变为机械能;电动机工作于制动状态时，回馈装置工作，机械能变成电能回馈电网。通过使用回馈技术既节约了能量，又提高了起重机的控制性能，使起重机运行更加稳定。起重机中各电机均采用回馈单元后，使装置的总节电效率提高30%以上。3 控制系统采用变频控制实现系统调速功能，改善了系统的调速性能和控制精度。实现全调速范围内连续平滑调速、稳定运行。具有完善的过流、过压、缺相等保护措施，以及自诊断、故障报警、事件记录等功能。整个系统的操作控制采用双RS485端口的S7200PLC组成控制系统，实现系统的时间、顺序和逻辑控制功

8、能。系统控制框图如图三所示。由于采用 PLC控制，简化了起重机控制系统结构，由程序控制取代了继电接触器控制。大大简化了复杂的继电器逻辑，提高了装置的可靠性，基本上实现免维护。PLC两个端口一个用于后台监控，另一端口用于组成无线网络，实现多台设备集中控制与管理，进而可实现更大范围的自动化网络控制。图3 系统控制框图Fig.3 the diagrams of control system4 测速及“溜钩”、“超速”保护4.1电动机转子的转速测量混合式光电编码器是将绝对式光电编码器和增量式光电编码器相结合。先利用绝对式光电编码器进行定相，确定电动机转子转动时的大概起始位置；而后利用增量式光电编码器所

9、发出的Z脉冲输入机械偏差补偿量，从而确定电动机转子起始转动的精确位置。最后运用增量式光电编码器所发出的脉冲，进行相对于起始位置的计数，进而确定转子转动时的位置。如图4所示，m1和m2是在Z脉冲到来时开始，直至下一个Z脉冲到来时的TS并延长T时间为止，所记录的编码器脉冲数m1与以PLC内部时钟作为时基记录的脉冲数m2。图4 M/T测速法Fig.4 M/T method which is useful in the measurement of the motor speed 在本文中由于采用PLC对电动机进行控制，所以对于电动机转速的测量可采用PLC直接读取，在PLC编程计算电动机转速时可采用传

10、统的M/T法。所谓M/T法就是在采样周期内记录编码器时钟脉冲的个数，而后利用公式：式中，f0为PLC内部时钟的记数频率；PN为电机主轴转动一周光电编码器所发出的脉冲数的值。4.2“溜钩”及“超速”保护在起重机控制系统中，由于起重机设备工作的特殊性，电磁抱闸的控制具有极其重要的意义。一旦起重机在行进过程中抱闸控制失控，将造成不可估量的损失。在提升重物的过程中，若电动机转矩控制不当，则会出现重物不升反降的“溜钩”现象。由编码器发出的脉冲A、B可知，A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别电机的正转与反转。当吊钩发出上升命令时，当抱闸打开时，如果此时变频器的力矩没有形成时，编码器

11、检测到重物运行方向与命令方向相反时，包闸立刻抱紧，有效的防止了“溜钩”可能造成的损坏。另在重物下降过程中，当检测到重物下降速度高于预设速度时，系统立刻关断变频给定，包闸立刻抱紧，有效的防止了“超速”可能造成的损坏。5 后台及无线网络的构成5.1 CCMS系统如图5所示，PLC的一个端口用于连接起重机管理系统（CCMS系统），该系统具有状态检测、故障诊断和运行记录功能，方便管理和维护。并且可以观察来自总监控系统的信息。5.2 无线通讯系统如图5所示，PLC的另一个端口用于无线通讯系统，该系统由发射器、接收器、中继器构成。PLC和发射器之间通过RS485端口连接，之间遵循Modbus协议，中继器根

12、据发射器和接收器之间的距离决定使用与否。图5 无线通讯网络Fig.5 Wireless communication network总监控后台具有如下功能：(1)系统组态:主要实现对每个起重机系统各部分的配置功能，包括站点信息配置、通信配置、测点配置、报警配置等。站点信息配置记录了每个站点的基本信息，作为每个站点唯一的标识;通信配置完成无线网络的设置，是实现无线网络的保障;测点配置实现了系统要监测信息的配置;而报警配置则对每个待测点进行了详细的分级报警设置，有系统故障报警、吊重偏差报警、速度变化率报警等，可以使用户从不同方面观测测点的状态。系统组态配置中服务器与客户机的配置信息要保持一致，这样才

13、能保证监控与诊断的正确性。(2)实时监控和报警:实现对每台起重机设备的实时监控。客户机将实时采集到的现场数据按设置周期发送到总监控后台。总监控后台首先通过接收到的实时数据监视客户机的状态并将数据存入数据库，同时利用预诊断知识库进行预诊断，然后进行报警判断并利用专家知识库进行分析和故障诊断，最后根据诊断结果实时报警并向客户机发出合理的控制命令。实时数据可以根据用户需要以控件方式动态地显示一些重要测点的信息，故障信息则以列表方式动态地显示了测点的状态。(3)专家知识库:根据不同情况下的不同需要，本系统将专家知识库分为在线专家知识库和离线专家知识库。在线专家知识库主要根据实时数据或一段时间内的数据进

14、行推理诊断;而离线专家知识库则主要依据事件状态描述来进行推理诊断。二者之间是独立的，方便了在以后使用过程中对知识库的扩充、维护和修改。 针对所吊物料的重量等数据通过无线数据传输系统传送到车间级物流管理网络系统，该系统中开发一个专门针对起重机物流优化管理的专家系统，根据该领域多个专家提供的知识和经验并利用最优规划理论和专家控制系统理论，开发出多台起重机控制策略，对重物行走路线的布局、各装卸站点的位置安排、作业量的确定进行统筹规划。不论是重物行走路线、装卸站点设置、行车管理还是行车调度，系统规划的目的都是为了提高起重机的作业效率，最终使多台起重机以最短时间、最低能源消耗，完成批量作业任务。6结语本

15、文设计的节能变频起重机已在某钢铁公司投入使用，实际应用表明，该起重机技术先进、自动化程度高、运行可靠、高效节能，网络化功能使起重机可以方便地纳人生产管理系统和现代物流管理系统，是工业起重机的技术发展方向，具有很高的技术应用价值和广泛的市场应用前景。参考文献1段苏振. 交流变频调速技术在门式起重机中的应用J.电气传动, 2005, 35(1):56-62.1 Duan Suzhen. Technique of AC Variable Frequency and Speed Regulation Applied to Frame Crane J. Electric Driver, 2005, 35

16、(1):56-62.2曲永印，邵世煌，柳成等.网络化智能型变频节能起重机系统及其应用J.控制工程，2006，13（3）：230-232.2 Qu Yongyin,Shao Shihuang,Liu Cheng etc. Network Intelligence Save-Power Variable Frequency System of Crane and Its Application J. Control Engineering of China，2006，13（3）：230-232.3 刘廷霞, 姜润强, 余毅,等.基于CPLD的全数字测速法J.长春理工大学学报,2004(3) ：74

17、-75.3Liu Tingxia, Jiang Lunqiang, Yu yi etc. The Methods for Speed Digital Measurement on ISP Technique J.Journal of Changchun University of Science and Technology, 2004(3)：74-75.4 周秀君,邓榆林等.基于PLC的高可靠性电机测速系统设计J.微电机，2008，第41卷第6期：62-63.4 ZHOU Xiujun ,DENG Yulin. High Reliability of Rotation Speed Measuring System Based on PLCJ. MICROMOTORS, 2008 ,41(6) :62-63. 5陈莉杰.无线传输的传感系统中控制程序的设计方法J.信息技术，2003，1(l):65- 67.5 Chen Lijie. Software Design on Sensor System of Wireless Communication J. Information Technology，2003，1(l):65- 67.6谢树林，曲永印. 回馈装