范章健

（廈門國(guó)際貨柜碼頭有限公司，福建廈門 361000）

0 引言

橋式起重機(jī)傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)接線復(fù)雜，運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)故障，控制效果較弱，且維護(hù)維修困難[1]。本文以ABB-PLC 控制系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，該系統(tǒng)提供AC 800M 控制器硬件配置信息，將其應(yīng)用到橋式起重機(jī)控制中，具有控制線路簡(jiǎn)單、控制系統(tǒng)安全智能等特點(diǎn)，可以有效提高生產(chǎn)效率，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

1 關(guān)于橋式起重機(jī)

橋式起重機(jī)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車沿軌道縱向前后運(yùn)動(dòng)，另一車及提升機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，沿橋架軌道控制設(shè)備左右運(yùn)動(dòng)[2]。若升降重物，則由起重電機(jī)驅(qū)動(dòng)垂直運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)重物多角度、多方面運(yùn)動(dòng)。而PLC 橋式起重機(jī)的電氣系統(tǒng)由配電保護(hù)板塊、主副起升機(jī)板塊、PLC 控制模塊等構(gòu)成，各個(gè)模塊由PLC 控制器、變頻器、糾偏設(shè)置、安全保護(hù)構(gòu)成。ABB 品牌的PLC 控制器由AC 800M 控制器、機(jī)柜、CB（Control Builder）編程工具、I/O 中心、CEX-bus 通信線、CPU、DIN 軌道等內(nèi)容構(gòu)成。

2 PLC 橋式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)

PLC 為編程邏輯控制器，將可編程數(shù)字儲(chǔ)存設(shè)備、電子集成技術(shù)、邏輯控制技術(shù)結(jié)合起來，靈活控制設(shè)備運(yùn)作。PLC 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)計(jì)數(shù)、定時(shí)、步進(jìn)、數(shù)據(jù)處理、通信聯(lián)網(wǎng)等多功能操作。

2.1 變頻器設(shè)計(jì)

橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)選擇AC 800M 控制器，而其變頻器優(yōu)勢(shì)突出：

（1）軟件性能好，控制程序?qū)ψ兞控?fù)載的速度、轉(zhuǎn)矩、電氣制動(dòng)控制效果突出。

（2）安全性能突出，保護(hù)功能齊全，過流、過載、過壓都有報(bào)警和保護(hù)功能。

（3）具有限流功能，系統(tǒng)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)影響小，不會(huì)影響電網(wǎng)其他設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）具有零速轉(zhuǎn)矩功能，吊鉤從運(yùn)行到降為零速，系統(tǒng)先產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)矩，指導(dǎo)電磁制動(dòng)器抱住電動(dòng)機(jī)軸，避免溜鉤[3]。

2.2 PLC 程序設(shè)計(jì)

按照輸入、輸出信號(hào)數(shù)量、參數(shù)及性能需求，PLC 選擇ABB系列，以塊式編輯，突出優(yōu)勢(shì)主要有兩個(gè)。

（1）該程序有6 個(gè)30 kHz 計(jì)數(shù)器，可以實(shí)現(xiàn)“高速轉(zhuǎn)換”，兩路獨(dú)立的20 kHz 高速脈沖輸出，支持二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為起升高度，也可以細(xì)微調(diào)整起升高度參數(shù)，確保起重機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）程序含兩個(gè)RS-485 通信編程口，變頻器開關(guān)量控制功能突出，變頻器起停、速度等開關(guān)量可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化控制。設(shè)計(jì)PLC 程序有PPI、MPI 通信協(xié)議橋式起重機(jī)小車及起升變頻器起停、速度給定的控制質(zhì)量較強(qiáng)。

2.3 備用應(yīng)急系統(tǒng)

一般橋式起重機(jī)PLC 及變頻器控制都有備用系統(tǒng)，正常運(yùn)行為總線通信模式，支持起重機(jī)正常運(yùn)作。而另一套則為開關(guān)量控制方式，用于處理應(yīng)急問題和突發(fā)問題。若遇到總線緊急情況，PLC 及時(shí)切換應(yīng)計(jì)系統(tǒng)，以開關(guān)量控制系統(tǒng)，并將緊急情況反饋給操作熱源，顯示故障信號(hào)[4]。此外，兩種操作系統(tǒng)其操作速度相同，在操作方面分析，兩系統(tǒng)切換無異樣操作，仍可保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

2.4 自動(dòng)糾偏及電氣同步設(shè)計(jì)

以雙鉤式橋式起重機(jī)為例，設(shè)備啟動(dòng)后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行糾偏查驗(yàn)，確保雙鉤作業(yè)位置保持同步。若偏斜量超出系統(tǒng)設(shè)置極限，糾偏系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)糾偏處理。PLC 系統(tǒng)不是動(dòng)態(tài)糾偏，其利用系統(tǒng)中的兩個(gè)閾值，一個(gè)可啟動(dòng)雙鉤自動(dòng)糾偏，一個(gè)可結(jié)束自動(dòng)糾偏。電氣同步則是在交流傳動(dòng)過程中，以具有均衡電機(jī)的電軸系統(tǒng)支持其同步。

2.5 系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

（1）超載保護(hù)：若重量達(dá)到可承受總重95%，則系統(tǒng)報(bào)警；重量超出總重105%，則系統(tǒng)輸出停止信號(hào)，控制起升機(jī)下降。

（2）限位保護(hù)：對(duì)主副起升限位，起升機(jī)構(gòu)左右、上下限位，若達(dá)到限位值，則自動(dòng)切斷該方向電源[5]。

（3）急停保護(hù)：設(shè)置有急停開關(guān)，緊急時(shí)期可按下，立刻切斷總電源。

（4）熱繼電器保護(hù)：通過電機(jī)的電流超出額定電流，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)癱瘓。所以設(shè)置有熱繼電器保護(hù)，若電機(jī)溫度過高，則繼電器運(yùn)行，斷開主回路，保護(hù)電機(jī)。

3 基于PLC 控制的橋式起重機(jī)電氣設(shè)計(jì)實(shí)踐

3.1 設(shè)計(jì)方案

完整的PLC 控制橋式起重機(jī)電氣系統(tǒng)有6 個(gè)模塊，分別由主升起機(jī)構(gòu)、副升起機(jī)構(gòu)、大小車運(yùn)行模塊、PLC 控制機(jī)構(gòu)構(gòu)成。系統(tǒng)通過聯(lián)動(dòng)臺(tái)控制器，輸出信號(hào)給繼電器、指示器、報(bào)警器、顯示屏（圖1）。

3.2 控制系統(tǒng)安全保護(hù)

控制系統(tǒng)的安全保護(hù)包含安全門開關(guān)、超載保護(hù)、斷相保護(hù)、限位保護(hù)、急停開關(guān)、零位保護(hù)等，上文已做詳細(xì)敘述，在此不作贅述。

3.3 輸入輸出信號(hào)合計(jì)

按照橋式起重機(jī)使用安全及控制檔位要求，需以下信號(hào)：主副鉤起升、下降、2、3、4 擋，小車大車前后左右4 個(gè)方向變換及2、3、4 擋；而對(duì)應(yīng)的起升限位、大小車等，也是需要輸入輸出的重要信號(hào)之一。經(jīng)確定后，發(fā)現(xiàn)共有48 個(gè)反饋信號(hào)，且和之前對(duì)應(yīng)的為31 個(gè)信號(hào)，較為重要的信號(hào)為照明、急停、復(fù)位等。

3.4 PLC 內(nèi)部邏輯運(yùn)算及梯形圖繪制

3.4.1 PLC 掃描執(zhí)行原理

在采用PLC 進(jìn)行掃描執(zhí)行的過程中，PLC 先對(duì)系統(tǒng)的輸出量進(jìn)行采集，之后按照規(guī)定的程序進(jìn)行執(zhí)行，執(zhí)行之后對(duì)輸出量進(jìn)行控制，最終控制程序按照要求內(nèi)定運(yùn)行。如圖2 所示，掃描從第一指令開始，無間斷地按照程序運(yùn)行，之后再?gòu)念^掃描。

圖1 系統(tǒng)示意

圖2 PLC 掃描原理

3.4.2 梯形圖繪制分析

梯形圖主要由安全保護(hù)、功能選擇、控制設(shè)備、故障輸出4個(gè)關(guān)鍵部分構(gòu)成，在具體設(shè)計(jì)中，需確保設(shè)備可安全運(yùn)行，以此實(shí)現(xiàn)各個(gè)位置的邏輯互鎖，保障設(shè)備運(yùn)行安全且穩(wěn)定。在確保安全且準(zhǔn)確基礎(chǔ)上，讓梯形圖更加簡(jiǎn)單，便于完善。

3.5 硬件選型及設(shè)計(jì)

3.5.1 PLC 選型

選型上選擇I/O 信號(hào)，控制好輸入輸出的各個(gè)信號(hào)，控制好信號(hào)的性質(zhì)、參數(shù)等內(nèi)容，保證輸出的信號(hào)是想要的信號(hào)。PLC還通過SIMENS S7200CN 支持，其核心的CPU 可輸出24 或16的數(shù)字量，對(duì)其擴(kuò)展之后可以達(dá)到248 路字量，整體性能突出。采取此字節(jié)執(zhí)行系統(tǒng)操作，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間，含6 個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的30 kHz 計(jì)數(shù)器，兩個(gè)獨(dú)立20 kHz 脈沖輸出。PLC 還有兩個(gè)RS-485 通信編程口，具有多種協(xié)議功能，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送、比較、四則運(yùn)算。系統(tǒng)中CMP（Chip Multi Processors，單芯片多處理器）指令可對(duì)數(shù)據(jù)比對(duì)分析，MOV 指令對(duì)數(shù)據(jù)傳輸，SEGL 指令檢查指令是否有故障參數(shù)，若有則顯示給數(shù)碼管。SRMR 指令可產(chǎn)生閃爍控制信號(hào)，以此輸出聲光報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)的CPU、擴(kuò)展模塊其高深度各不相同，而不同的模塊則采取扁平通信線方式連接。將各個(gè)模塊以上述方式拼接在一起，形成統(tǒng)一長(zhǎng)方體，可很好地應(yīng)用到機(jī)電一體化系統(tǒng)。

3.5.2 故障顯示的選型設(shè)計(jì)

配置大型的橋式起重機(jī)，需要設(shè)置好設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)隨時(shí)監(jiān)控起重機(jī)運(yùn)作狀態(tài)，在操作人員操作起重機(jī)時(shí)，可確保人員了解橋式起重機(jī)自身狀態(tài)，檢查各個(gè)機(jī)構(gòu)的限位情況，分析主要部分的工作狀態(tài)等。若橋式起重機(jī)出現(xiàn)系統(tǒng)安全隱患，則可以通過這個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，并作出正確處理。本文設(shè)計(jì)的橋式起重機(jī)PLC 系統(tǒng)選擇TP170A 作為文本顯示器，直接顯示系統(tǒng)狀態(tài)。

TP170A 顯示器的人機(jī)交互界面為先進(jìn)的觸摸式交互界面，工作人員通過手指觸屏即可實(shí)現(xiàn)不同功能操作。TP170A 顯示器可以和PLC 或一些帶通信口的控制器相互配合，通過文本、圖形的方式，直觀反映出系統(tǒng)狀態(tài)，監(jiān)控烯烴運(yùn)行。同時(shí)，TP170A可以對(duì)PLC 內(nèi)部的寄存器、繼電器數(shù)值等進(jìn)行修改，便于操作人員靈活控制起重機(jī)，實(shí)現(xiàn)很好的控制效果。具體的應(yīng)用中，應(yīng)采取WinCCflexible 軟件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作，通過計(jì)算機(jī)支持，可提高系統(tǒng)控制能力。在WinCC flexible 軟件支持下，可以在計(jì)算機(jī)上自由操作畫面，對(duì)有需求的畫面，可在計(jì)算機(jī)上下載下來。此外，應(yīng)用此系統(tǒng)，若運(yùn)行出現(xiàn)各種故障信息，則可以將故障信息展示在計(jì)算機(jī)上。計(jì)算機(jī)顯示器顯示的內(nèi)容，可以是圖形、位圖、圖表、背景圖畫等，不同的內(nèi)容可滿足用戶各方面的使用需求，用戶權(quán)限也大大增加。接口上分為RS-232、RS-422、RS-485 三個(gè)，用戶可根據(jù)自身需要靈活選擇端口。

4 控制效果分析

應(yīng)用PLC 系統(tǒng)對(duì)橋式起重機(jī)控制，發(fā)現(xiàn)其控制效果突出。采用PLC 系統(tǒng)，其可實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)平滑調(diào)速且效率較高，與原串阻調(diào)試方式相比，采用PLC 系統(tǒng)控制橋式起重機(jī)運(yùn)作，起重機(jī)起動(dòng)較為平穩(wěn)，且可以準(zhǔn)確定位。系統(tǒng)通過控制頁(yè)面、手柄等相互協(xié)調(diào)，控制信號(hào)輸出，可調(diào)整電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，整體操作較為方便，共有4 擋位可調(diào)整，調(diào)速的范圍較寬，且可針對(duì)工程生產(chǎn)要求選擇合適的運(yùn)行速度，控制大小車啟動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速等操作。除此之外，采用PLC 系統(tǒng)控制橋式起重機(jī)，其節(jié)能效果突出，節(jié)能率比傳統(tǒng)電阻調(diào)速控制高節(jié)省35%電力且控制回路較為簡(jiǎn)單，通過PLC 可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟啟、軟停，系統(tǒng)對(duì)橋式起重機(jī)齒輪、電機(jī)等都無沖擊，不易發(fā)生故障。后期對(duì)PLC 系統(tǒng)維護(hù)，維護(hù)工作較為簡(jiǎn)單，僅需專業(yè)人員對(duì)PLC 系統(tǒng)分析測(cè)試即可，維護(hù)費(fèi)用大大降低，電機(jī)啟動(dòng)及停止的沖擊電流問題也得到有效解決，加之PLC系統(tǒng)可對(duì)電機(jī)落實(shí)保護(hù)功能，使得橋式起重機(jī)的行車安全性、效率大大提高，進(jìn)而提高橋式起重機(jī)使用壽命。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)橋式起重機(jī)的作業(yè)需求及相關(guān)機(jī)構(gòu)參數(shù)，提出以PLC 技術(shù)對(duì)其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)其硬件系統(tǒng)等進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。由PLC 系統(tǒng)技術(shù)支持的橋式起重機(jī)，其系統(tǒng)安全性突出，且操作簡(jiǎn)便，可大大提高橋式起重機(jī)的控制性能，提高起重機(jī)工作效率。本文在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，提出以PLC 控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器、電阻調(diào)速等，對(duì)電氣控制系統(tǒng)及電路保護(hù)進(jìn)行安全設(shè)計(jì)，將橋式起重機(jī)的控制效率簡(jiǎn)化分析。采用PLC 技術(shù)，還可以及時(shí)檢測(cè)出系統(tǒng)存在的不良現(xiàn)象，提前發(fā)現(xiàn)安全隱患并報(bào)警，有利于及時(shí)排除故障，降低故障后果，提高起重機(jī)的實(shí)際工作效率，所以PLC 技術(shù)在當(dāng)前及未來的市場(chǎng)中應(yīng)用前景廣闊。