基于PLC的桥式抓斗起重机变频控制系统优化设计

1、文章编号:1005 7277(2011 01 0040 022011年 第 33卷 第 1期 第 40页电 气 传 动 自 动 化ELECTRIC DRIVE AUTOMATION Vol. 33,No. 12011, 33(1 :40411引言抓斗桥式起重机作为物料搬运的起重设备, 广泛应用在钢厂 、码头 、 仓库等场合, 对其安全性 和可靠性要求较高 。 然而, 目前抓斗桥式起重机 主要采用继电接触器控制及转子串电阻方法进 行起动与调速 。 由于载荷工作环境恶劣, 利用率 高, 实际使用中主要存在如下问题: 调速方式 采用转子串电阻, 机械振动大, 定位比较困难, 易 造成设备损坏; 抓斗

2、电机采用绕线式电动机, 不具备软起动特性,起动过程中没有缓冲过程, 易造成电冲击或机械冲击; 控制电路由继电器 和接触器组成, 工作过程中由于粉尘 、 湿度等因 素的影响, 导致元件触点接触不可靠, 而引起故 障; 抓斗桥式起重机提升电机与开闭电机之间 无电气联系, 它们之间的配合完全靠司机操作协 调, 劳动强度大, 而且容易造成动作不同步, 影响 正常工作 。针对该系统的不足,采用可编程序控制器代替继电器 、 接触器控制, 采用变频器代替转子串电 阻调速方式 。 改造后, 起重机的整体特性得到较大提高, 运行效果显著 。2抓斗电气控制系统硬件设计改进后,起重机控制系统主要由可编程控制 器 、

3、 变频器 、 负荷重量测量仪等组成, 控制系统结构 框图如图 1所示 。 其中大车为两台电动机同时拖动, 实现同步运行 。 整个系统有五台电动机,四台 变频器 。2.1PLC 控制系统PLC 控制器选用 FX2N 系列, 该系列可编程序 控制器具有可靠性高 、 抗干扰能力强等特点 。 FX2N 系列 PLC 也具有扩展容易 、 运算功能强 、 控制精度 高 、 操作方便 、 体积小等优点 。 PLC 作为控制系统的 核心部件, 可对系统进行管理, 向抓斗桥式起重机 系统发出相应的指令,从而改变控制系统的工作 状态 。2.2变频调速系统基于 PLC 的桥式抓斗起重机变频控制系统优化设计薄关锋(许

4、昌职业技术学院 机电工程系, 河南 许昌 461200摘要:针对抓斗桥式起重机原控制系统的改造问题, 本文采用 PLC 代替继电器 、 接触器控制, 采用变频器代 替电动机转子串电阻调速方式, 详细阐述了电气控制系统的硬件设计和软件设计 。 实践表明, 优化后的系统 有效提高了系统的稳定性, 运行可靠, 具有良好的工业应用前景 。 关键词:PLC ; 变频器; 抓斗桥式起重机; 优化设计 中图分类号:TM921.51文献标识码:AOptimization design for variable frequency control system of grab bridge crane base

5、d on PLCBO Guan-feng(Electrical and Mechanical Engineering , Xuchang Vocational Technical College , Xuchang 461200, China Abstract :PLC was adopted to replace the relay-contactor control and the frequency converter was adopted to replace resister velocity modulation in motor rotor according to the p

6、roblems with original control system of grab bridge crane. The optimization design of the main hardware structure and soft programming of the control system is introduced. This improved system improves the stability and reliability running of the system, which has good prospects for industrial appli

7、cations.Key words :programmable logic controller ; frequency converter ; touch screen ; bridge crane ; optimization design图 1起重机控制系统结构框图抓斗桥式起重机对变频器有着很高的性能 和安全上的要求 。 FR-A740系列变频器, 自身具 有齐全的保护功能, 如过载 、 过压 、 过流等都能及 时报警及停止, 减少了提升机故障, 提高了安全 性能 。 同时该变频器也具有限流作用, 可以减少 起动时对电网冲击, 有利于设备正常运行 。 变频 器接线端子有 RS485通讯接

8、口,配备相应的通 讯模块, 可通过 PLC 实现集中控制 (设定运行频 率 、变频器控制命令, 进行相关功能码参数的修 改, 变频器故障信息及工作状态的监控等 。2.3控制系统功能要求本系统主要功能如下:(1 各个机构的起 /停及其多段速控制 。 (2 对抱闸及散热风机进行控制 。 (3 系统安全连锁控制:各操作手柄未处于零位置时, 上电禁止操作; 起 重机操作室及各个出口的门在打开状态下,禁止操 作; 起升和开闭变频器中任意一台变频器故障, 两台 变频器要立即停止输出; PLC 故障时, PLC 无输出, 这时, 抱闸闭合, 起重机处于安全停止状态 。(4 系统报警及限位保护当变频器出现故障

9、或制动单元出现报警时, 停止本机构的一切动作, 且抱闸立即闭合; 各机构 操作至限位时,限位开关将动作,对系统进行保 护, 变频器停止输出, 保证人身及设备安全 。3抓斗电气控制系统软件设计系统软件设计要求能实现设定的功能,同时要求可靠性好, 便于操作及维护 。 因此根据抓斗工 作要求, 本系统将采用模块化编程, 主要包括起升 控制模块 、 开闭控制模块 、 大车运行控制模块 、 小车 运行控制模块 、保护功能模块 。 这样即减少了程序 语句, 又缩短了程序处理时间, 提高了控制系统的 响应能力,利于实现系统快速调试, PLC 系统控制 流程图如图 2所示 。4改造后效果分析经过实际应用, 改

10、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 。 主要表现如下:(1采用变频调速系统, 电机可以在基本停 住的情况下进行抱闸, 闸皮的磨损情况将大为改 善;(2改造前控制系统由继电器 、 接触器进行控 制, 故障率高 。 系统改造后采用 PLC 和变频器进行 控制, 控制系统简化, 可靠性大大提高;(3 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, 外接电阻内消耗的大量电能不但可以完全 节约, 而且在起重

11、机放下重物时, 还可将重物释急停 ?电源正常 ?故障 、 超限 ?负荷过大 ?升降 、 开闭 、 运行多段速停止启动是是是否是否 否 否图 2PLC 程序流程图2011年 第 1期·41·薄关锋 基于 PLC 的桥式抓斗起重机变频控制系统优化设计变频 器 1提升 电机 机械制 动器开闭 电机 机械制 动器大车 电机 1机械制 动器 1大车 电机 2机械制 动器 2小车 电机 机械制 动器S7-300触摸屏 负荷重量测量仪变 频 器 2变 频 器 3变 频 器 4(下转第 46页 收稿日期:2010-05-08风压直接垂在施加在散热器上, 形成最大压力 。6结论本文给出了 S

12、PWM 下 IGBT 模块的损耗计算,将其与制造商给定的损耗计算软件相比较,验证了理论计算的精确性 。 此外, 还对逆变器的散热系 统进行了设计,并通过仿真对散热系统进行了分 析, 由仿真结果可知, 散热器肋片切面最高温度为 约 75 。 这与理论计算时散热器温度 74.6 相接 近 。 由此可知, 散热系统满足设计要求 。ICEPAK 作为市场上的主流散热分析软件, 对 系统散热只能做定性分析,结果一般用做散热系 统的设计参考 。 在确定一个散热系统是否可靠运 行, 还应该进行相关实验 。参考文献:1F. Casanellas, CEng, MlEE. Losses in PWM inver

13、ters usingIGBTsJ . IEE Proc.-Electr. Power Appl. 1994, (5 :237-238.2丁 杰 . 机车变流装置中电力电子器件散热器的热设计 J . 变流技术与电力牵引, 2007(3 :26-27.3胡建辉 , 李锦庚 , 邹继斌等 . 变频器中的 IGBT 模块损耗计算及其散热系统设计 J . 电工技术学报, 2009, 24(3 :161-162.4杨 旭, 马 静, 张新武等 . 电力电子装置强制风冷散热方式的研究 J . 电力电子技术, 2000,4(8 :36-38.5张舟云, 徐国卿, 沈祥林 . 牵引逆变器散热系统的分析与设计 J

14、 . 同济大学学报 (自然科学版 , 2004,32(6 :776-777.6刘玉芬, 程洪亮 . 变频器的热耗计算及散热分析 J . 电气制造, 2008(3 :60-62.作者简介:杜毅 (1986- , 男, 四川南充人, 硕士研究生, 研究方向为 电力电子与电力传动 。廖美英 (1986- , 女, 四川宜宾人, 硕士研究生, 研究方向为 电机与电器 。Velocitym/s3.978883.481522.984162.486801.989441.492080.9947200.4973600.000000图 7肋片气流切面分布3.873183.318302.763422.208551.

15、653671.098790.543912-0.0109660-0.565844PressureN/m2图 8压力云图收稿日期:2010-04-25·46·电 气 传 动 自 动 化 2011年 第 1期放的位能反馈给电源;(4采用变频调速可使调速质量明显提高, 调 速精度可达到 1%, 且调速平稳 。5结束语优化后的抓斗桥式起重机控制系统,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 性能稳定, 运行可靠, 而且操作简单, 具有良好的工业应用前景 。 因此,该控制系统的研究与应用在 抓斗改造中具有较强的推广价值 。参考文献:1张应力, 周玉华 . 桥式起重机安全技术 M . 北京:中国石