引言

門式起重機作為一種大噸位拖動安裝機械，其在工業(yè)安裝祖業(yè)中得到了廣泛應用，從而大  大降低了工作強度，提高了工業(yè)生產(chǎn)能力和工作效率。對于門式起重機的研究始于上個世紀80年代[1]，受當時科研水平，金屬材料的限制，生產(chǎn)出的門式起重機笨重粗大，作業(yè)精度很差，往往只能實現(xiàn)較為簡單的起升搬運作業(yè)。到了90年代以后，對于門式起重機的研究偏向注重安裝便捷、工作可靠和節(jié)能環(huán)保等，并提出了一系列的方法，如電動機轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速、晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速等方式，取得了一地的成效，但不可避免地存在著一些問題，如功率損耗過大、低速機械特性偏軟等。

plc是近幾年來發(fā)展起來的一種新型技術(shù)，由于其結(jié)構(gòu)簡單，編程方便，特別是在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和設備制造業(yè)中得到了廣泛應用。

2  傳統(tǒng)起重電力拖動系統(tǒng)介紹

2.1轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速

繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子電路串接不同電阻時的機械特性如圖1所示。



圖1 電機電路串接不同電阻的機械特性

如上圖所示，電阻r2>r1>r，當負載轉(zhuǎn)矩m相同時，轉(zhuǎn)速n隨著電阻的增大而減小，或者說串接電阻后電機同步轉(zhuǎn)速n和最大轉(zhuǎn)矩的mmax不變，轉(zhuǎn)差率s增大，轉(zhuǎn)速n降低。這種方法的優(yōu)點在于可改善點擊的起動特性，可方便控制工作速度，簡單可靠，維護方便；缺點也很明顯：不能實現(xiàn)連續(xù)調(diào)速，沖擊過大，在串接電阻上消耗很大，工礦時調(diào)速困難，低速機械特性偏軟[2]。

2.2晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速

晶閘管調(diào)壓調(diào)速是一種較為先進的調(diào)速方式，其特性曲線如圖2所示（紅線表示2.1倍點擊額定電流時等電流曲線）。



 圖2  晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速特性曲線

如上圖所示，晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速能實現(xiàn)平滑調(diào)速，低速特性較好，調(diào)速范圍也較大，可達到1:10，升降均可調(diào)速，但其串接電阻消耗過大，發(fā)熱量較大，維護不方便[3]。

3  起重機變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)

傳統(tǒng)的調(diào)速方法普遍存在速度穩(wěn)定性較差，不能長時間低速下降負載，能耗高等缺點。全頻調(diào)速系統(tǒng)作為一種先進的調(diào)速方案，它調(diào)速方便，精度高，現(xiàn)在廣泛應用與起重機上。

3.1變頻調(diào)速的原理

變頻調(diào)速原理系統(tǒng)如圖3所示。

 
圖3 變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖

如上圖所示，控制器接收給定值和電流電壓以及轉(zhuǎn)速位置檢測反饋量（開環(huán)控制時可以無轉(zhuǎn)速傳感器），運用相應的控制算法控制逆變器中的功率器件管段時序從而時逆變器輸出一定頻率達到調(diào)節(jié)m轉(zhuǎn)速的目的[4]。

3.2門式起重機系統(tǒng)對變頻調(diào)速的要求

和其他系統(tǒng)相比較而言，起重機控制調(diào)速要求比較粗，基本要求是能夠停穩(wěn)、停準，調(diào)速要求較高的起重機和工作機構(gòu)通常要求有幾個檔的較穩(wěn)定調(diào)速[5]。由于起重機工作室負載變化較大，所以對調(diào)速機械特性硬度要求較高，各檔位之間的切換要平穩(wěn)，不能造成過大沖擊，靈位，對于安全系數(shù)即可靠性要求較高[6]。

4  基于s7－300plc控制系統(tǒng)

4.1門式起重機整機電氣系統(tǒng)

  采用變頻調(diào)速的門式起重機整機電氣控制系統(tǒng)圖如圖4所示。

 

圖4 整機電氣控制系統(tǒng)圖

如圖，整個系統(tǒng)采用兩個起升電機，一邊一個，由兩個錐形轉(zhuǎn)子驅(qū)動。它們均采用星三角起動（同時起動），有接觸器控制，速度只有一檔。在起升過程中，兩邊高度出現(xiàn)誤差超過范圍時，由控制器判斷控制一電機，改變?yōu)樾切墙臃?，改變機械特性，微調(diào)起升速度達到消除誤差的目的。拖動機構(gòu)由量小車電機組成，兩電機均通過兩變頻裝置驅(qū)動，采用變頻調(diào)速方式進行調(diào)速，軸上安裝有編碼器，當出現(xiàn)運行偏差時，由控制器對電機進行同步微調(diào)。



圖5 s7-300plc結(jié)構(gòu)和總線連接器

圖6  s7-300plc接口連接圖

 

圖7  系統(tǒng)主控程序圖

4.2 s7－300plc在控制器中的應用

4.2.1 s7-300plc簡介

s7-300plc是西門子公司出品的一種通用型plc，它可以用于自動化工程的各種應用場合，在生產(chǎn)制造業(yè)中的用途尤為廣泛。由于其模塊化、無風扇結(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn)分布式配置和易于掌握等特點，它已然在汽車工業(yè)，各類機床，包裝工業(yè)等領(lǐng)域成為了一種經(jīng)濟又切合實際的方案[7]。

圖5是s7-300plc的結(jié)構(gòu)和總線連接器。

s7-300plc由多種模塊部件組成，不同功能的模塊組合在一起安裝在din導軌上，是控制功能更加強大，可以滿足不同的應用需求。背板總線集成在各模塊上，通過總線連接器插在模塊背后，是背板總線量程一體。

4.2.2 s7－300plc在控制器中的應用

s7－300plc接口連接圖如圖6（包括中央機架和擴展機架）所示。

圖中fm350是一種高性能的計數(shù)功能模塊，可以用來計數(shù)和測量。對于fm350應用到控制器中時，要將脈沖電源等級開關(guān)打到正確位置，還要對其進行軟件配置。

4.3 s7－300plc控制的流程分析

根據(jù)門式起重機工作流程和作業(yè)要求，控制流程應該由以下幾個流程圖組成（見圖7~圖11）。

 

圖8主循環(huán)圖和循環(huán)中



  圖9 起升機構(gòu)程序流程圖

 

圖10 小車機構(gòu)流程

 

圖11  行走機構(gòu)程序流程圖和pid子程序流程圖

5  結(jié)論

本文首先分析了傳統(tǒng)起重機調(diào)速的特點，總結(jié)提出了傳統(tǒng)方法的缺陷和不足，接著簡要論述了變頻調(diào)速技術(shù)，最后詳細介紹了如何將s7-300應用到起重機控制系統(tǒng)。

門式起重機系統(tǒng)中以s7－300plc為核心，結(jié)合傳感器和一些低壓控制裝置共同組成了整機的控制系統(tǒng)，控制準確，反應靈敏，操作簡單，成本適中，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

作者簡介

程玉凱（1987-） 男 在讀碩士研究生，研究方向為供電安全及智能電器。



參考文獻

[1]王欣，高順得.大型吊裝技術(shù)與吊裝用起重設備發(fā)展趨勢[j].石油化工化工建設，2005（1）：58-62.

[2]吳雙玉.串級電阻調(diào)速在起重機中的應用[j].物流技術(shù)，2005（3）：20-25.

[3]張德裕.起重機定子調(diào)壓調(diào)速技術(shù)[j].起重機運輸機械，1998（11）：30-32.

[4]馬寅.起重機的變頻調(diào)速[j].起重機運輸機械，2007（12）：18-19.application. industrial electronics, 2009.isie’99. proceeding of the ieee international symposium on volume3,12-16 july 2009  page(s):1485-1461 vol.3.

[5]singnose w.e, towell s.t.double-pendulum gantry crane dynamics and control. control applications,2008.proceedings of the 2008 ieee international conference on volume2,1-4 sept,2008 page（s）:1205-1209 vol.2.digital object identifiers 10.1109/cca.2008.72165.

[6]西門子公司.s7-300標準功能參考手冊[z]. 西門子公司，2002（12）.