橋式起重機(jī)在各行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，其作用主要是用來實(shí)現(xiàn)物體的升降和轉(zhuǎn)運(yùn)，其能否正常工作，直接影響到企業(yè)生產(chǎn)效率的提高。傳統(tǒng)的起重機(jī)驅(qū)動(dòng)，一般使用線繞式異步電動(dòng)機(jī)及鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，采用改變極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)子串電阻等方法，具有起動(dòng)沖擊電流大、設(shè)備沖擊嚴(yán)重、噪聲大等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響設(shè)備使用壽命及定位精度等。

　　橋式起重機(jī)基本結(jié)構(gòu)，主要由起重小車、橋架金屬結(jié)構(gòu)、橋架運(yùn)行機(jī)構(gòu)以及電氣控制設(shè)備4個(gè)部分組成。機(jī)構(gòu)主要有主起升機(jī)構(gòu)、副起升機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)。

　　隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)以其優(yōu)越的起制動(dòng)控制特性，在各種行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。在起重機(jī)控制系統(tǒng)中，起升機(jī)構(gòu)采用變頻器驅(qū)動(dòng)，可使用鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)取代以往使用的繞線式異步電動(dòng)機(jī)。同時(shí)，變頻器驅(qū)動(dòng)控制的電機(jī)，起動(dòng)沖擊電流小，轉(zhuǎn)速變化平穩(wěn)，起升、行走定位準(zhǔn)確，能夠有效地提高生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)控制要求及設(shè)計(jì)

　　橋式起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)，分為主起升設(shè)備、副起升設(shè)備、大車、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)4個(gè)部分。起重機(jī)大車運(yùn)動(dòng)方向有前后、小車運(yùn)動(dòng)方向有左右要求，根據(jù)運(yùn)動(dòng)速度要求又分為1～4擋，加減速時(shí)間為3～6S；通常小車行走機(jī)構(gòu)采用1臺(tái)電動(dòng)機(jī)，而大車行走機(jī)構(gòu)需采用2～4臺(tái)電動(dòng)機(jī)，大、小車本身的慣性也較大，為防止電動(dòng)機(jī)被倒拖動(dòng)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生過電壓，因此大、小車控制部分均配備制動(dòng)控制單元及制動(dòng)電阻來釋放能量。在設(shè)計(jì)中，電氣控制系統(tǒng)引人PLC控制技術(shù)，四大運(yùn)行機(jī)構(gòu)調(diào)速均采用變頻調(diào)速，變頻器通過開關(guān)量端子接受PLC控制信號(hào)。為了減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，每個(gè)變頻器均加有輸入電抗器，不僅可以減少高次諧波分量，同時(shí)也有效地抑制了輸入電流峰值，有利于提高整流二極管使用壽命。電源輸入端使用斷路器，作為變頻器的短路保護(hù)。

　　改造后的橋式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，主要由上位機(jī)(工業(yè)觸摸屏系統(tǒng))、下位機(jī)(PLC控制系統(tǒng))、變頻調(diào)速控制系統(tǒng)組成。橋式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　下面分別對(duì)各主要機(jī)構(gòu)調(diào)速控制進(jìn)行說明。

　　1.1起升機(jī)構(gòu)

　　起升機(jī)構(gòu)屬位能負(fù)載機(jī)構(gòu)。主、副起升機(jī)構(gòu)的2臺(tái)電動(dòng)機(jī)各使用1個(gè)變頻器。變頻器的選擇，以變頻器的額定電流為基準(zhǔn)，一般以電動(dòng)機(jī)的額定電流、負(fù)載率、變頻器運(yùn)行的效率為依據(jù)。

　　起升機(jī)構(gòu)的控制方式選用帶PG的矢量控制方式。PLC接受電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換卡送達(dá)的反饋信號(hào)，避免吊鉤的下滑。

　　1.2運(yùn)行機(jī)構(gòu)

　　運(yùn)行機(jī)構(gòu)中2臺(tái)電動(dòng)機(jī)使用1個(gè)變頻器。考慮到運(yùn)行機(jī)構(gòu)的工作頻率較少，為節(jié)省成本，在運(yùn)行機(jī)構(gòu)調(diào)速控制系統(tǒng)中，共用1臺(tái)變頻器。變頻器的選擇，一般以電動(dòng)機(jī)的額定功率作為選擇的依據(jù)。通常選額定功率大一級(jí)的變頻器。

　　運(yùn)行機(jī)構(gòu)的控制方式選用無PG v/f的變頻控制方式。

2 各模塊的功能

　　在改進(jìn)后的橋式起重要控制系統(tǒng)中，PLC控制系統(tǒng)的主要任務(wù)，是接受外部開關(guān)信號(hào)(如按鈕、繼電器)的輸入，判斷當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)以及輸出信號(hào)控制接觸器、繼電器等器件，以完成相應(yīng)的控制任務(wù)。除此之外，PLC控制系統(tǒng)還要接受上位機(jī)的控制命令，以自動(dòng)進(jìn)行采樣。PLC的軟件設(shè)計(jì)部分，采用模塊化的方法，程序共有4個(gè)模塊，即按鈕處理模塊、通信模塊、PID控制模塊、故障報(bào)警模塊。

　　(1)按鈕處理模塊。主要處理各個(gè)電動(dòng)機(jī)和電磁閥的啟?？刂?。

　　(2)通訊模塊。由于系統(tǒng)主要由PLC控制變頻器完成對(duì)電機(jī)的控制，因此，通訊模塊主要是接收主令控制器、按鈕開關(guān)等發(fā)出的控制指令，集中在CPU中進(jìn)行運(yùn)算，并將程序運(yùn)算結(jié)果通過輸出模塊和Profibus現(xiàn)場總線傳送給變頻器等執(zhí)行設(shè)備，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)完成生產(chǎn)任務(wù)。

　　(3)PID控制模塊。橋式起重機(jī)主副起升機(jī)構(gòu)速度的控制，是一很重要的技術(shù)指標(biāo)，本系統(tǒng)通過使用旋轉(zhuǎn)編碼器測得電動(dòng)機(jī)速度，由數(shù)模轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳遞給變頻器，與預(yù)先設(shè)定速度進(jìn)行比較，采用常規(guī)的PID控制算法，在效果上就能夠達(dá)到較為理想的結(jié)果。因此，本系統(tǒng)起升機(jī)構(gòu)控制方案，為常規(guī)的數(shù)字PID算法并結(jié)合PLC中的PID控制模塊來完成。

　　(4)故障報(bào)警模塊。為了能夠?qū)崟r(shí)顯示故障信息，以便盡快地排除故障，確保整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，控制系統(tǒng)應(yīng)具有良好的故障報(bào)警功能。所以在PLC程序設(shè)計(jì)中，始終對(duì)相應(yīng)的傳感器輸入信號(hào)進(jìn)行掃描，一旦有諸如變頻器故障、超重等故障現(xiàn)象出現(xiàn)，可以立即切斷該設(shè)備，并啟動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警?？紤]到工業(yè)現(xiàn)場可能的干擾，在程序中采用延遲報(bào)警控制，即只有當(dāng)報(bào)警信號(hào)持續(xù)一定的時(shí)間(一般為數(shù)十毫秒到數(shù)百毫秒)才認(rèn)為有故障。報(bào)警處理利用組態(tài)軟件的畫面元素和PLC變量直接對(duì)應(yīng)，無需編程。

3 PLC與變頻器的通訊

　　由于采用變頻器對(duì)起重機(jī)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，所以本系統(tǒng)中對(duì)起重機(jī)的調(diào)速，實(shí)際上就是對(duì)其變頻器的控制。西門子S7系列PLC支持多種通信協(xié)議?？刂葡到y(tǒng)使用的s7—200CPU支持一個(gè)或多個(gè)協(xié)議，包括通用協(xié)議和公司專用協(xié)議。專用協(xié)議包括點(diǎn)到點(diǎn)(point—to—point)接口協(xié)議(PPI)、多點(diǎn)(Multi—Point)接口協(xié)議(MPI)、Profibus通訊協(xié)議、自由通信協(xié)議和USS協(xié)議等。

　　本系統(tǒng)采用工業(yè)觸摸屏監(jiān)控起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由上位機(jī)、下位機(jī)，經(jīng)MPI多點(diǎn)接口卡與PLC連接，組成一個(gè)小型的MPI網(wǎng)。S7—200向人機(jī)界面產(chǎn)品提供全局?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)，其數(shù)據(jù)傳輸速率位187.5kB/s。

　　3.1上位機(jī)和PLC之間的通信設(shè)計(jì)

　　(1)硬件設(shè)計(jì)。上位機(jī)(PC)通過CP561l卡與PLC的串行通信接口連接，對(duì)PLC進(jìn)行集中監(jiān)視和管理。

　　(2)軟件設(shè)計(jì)。變量是上位機(jī)與PC之間，用于數(shù)據(jù)交換的最重要的通訊方式，PLC和上位機(jī)通訊，是通過變量來實(shí)現(xiàn)的。

　　變量有兩種類型：全局變量和局部變量。全局變量是帶有PLC鏈接的變量，其在PLC上占據(jù)一個(gè)定義的存儲(chǔ)器地址，從上位機(jī)與PLC都可以對(duì)之進(jìn)行讀、寫訪問，是通信的關(guān)鍵；局部變量不連接到PLC上，僅在上位機(jī)上使用。

　　表1為系統(tǒng)變量表。

　　STEP 7-Micro/Win32軟件工具包，提供了LISS通信協(xié)議，從減少軟件的工作量和提高可靠性出發(fā)，采用LISS協(xié)議來完成PLC與變頻器的通信。與變頻器的通信，對(duì)PLC的CPU掃描是異步的，完成一個(gè)變頻其通信事務(wù)通常需要數(shù)次CPU掃描。這取決于連接的變頻器數(shù)目、波特率以及CPU的掃描時(shí)間。

　　3.2使用USS協(xié)議指令的編程順序

　　(1)通過調(diào)用USS_INIT以啟動(dòng)或改變USS通信參數(shù)。調(diào)用USS_INIT指令，以修改USS通信參數(shù)，如啟用或禁止USS協(xié)議、設(shè)定波特率，指示哪些地址的變頻器是激活的(即可與之通信)。USS_INIT指令置于用戶程序，會(huì)自動(dòng)將數(shù)個(gè)隱含的子程序和中斷程序加到程序內(nèi)，標(biāo)志為激活的變頻器，都自動(dòng)地在后臺(tái)進(jìn)行輪詢控制、匯集狀態(tài)，并防止變頻器的串行鏈路超時(shí)。

　　(2)將一個(gè)V存儲(chǔ)器地址分配給USS全局符號(hào)表中的第—個(gè)存儲(chǔ)單元，所有其他地址都是自動(dòng)地分配的。注意，在用戶程序內(nèi)每一個(gè)激活變頻器只能有一條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個(gè)指令。

　　(3)通過調(diào)用DRV_CTRL指令來控制指定變頻器，如電動(dòng)機(jī)的啟停、控制方向、設(shè)定速度、查詢變頻器返回的狀態(tài)字等。

　　(4)調(diào)用READ_PM或WRITE_PM指令，來讀取或?qū)懽冾l器參數(shù)，以便于設(shè)置變頻器參數(shù)，程序中所用的波特率和地址相匹配。

　　采用上述方法，可以很好地控制網(wǎng)帶的速度，并查詢變頻器的狀態(tài)，把診斷信息反饋給PLC。

4 結(jié)束語

　　利用PLC結(jié)合變頻調(diào)速技術(shù)，改進(jìn)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)，使整機(jī)性能有較大提高，起重機(jī)行走平滑、穩(wěn)定，被吊物件定位準(zhǔn)確，并且減少了起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。采用變頻器調(diào)速，結(jié)合PLC的強(qiáng)大控制功能、可靠性以及基于組態(tài)軟件所開發(fā)出來的良好人機(jī)界面和通信能力，實(shí)現(xiàn)了可以在控制室對(duì)電機(jī)的遠(yuǎn)程控制運(yùn)行參數(shù)、行走系統(tǒng)的各擋速度、加速時(shí)間和制動(dòng)減速時(shí)間等進(jìn)行調(diào)節(jié)，簡單方便，并且變頻器的故障信息，可以在人機(jī)界面上實(shí)時(shí)反映出來，以用來提示用戶，防止安全事故的發(fā)生。