引言

門式起重機(jī)作為一種大噸位拖動(dòng)安裝機(jī)械，其在工業(yè)安裝祖業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，從而大  大降低了工作強(qiáng)度，提高了工業(yè)生產(chǎn)能力和工作效率。對(duì)于門式起重機(jī)的研究始于上個(gè)世紀(jì)80年代[1]，受當(dāng)時(shí)科研水平，金屬材料的限制，生產(chǎn)出的門式起重機(jī)笨重粗大，作業(yè)精度很差，往往只能實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單的起升搬運(yùn)作業(yè)。到了90年代以后，對(duì)于門式起重機(jī)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(dòng)機(jī)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(wèn)題，如功率損耗過(guò)大、低速機(jī)械特性偏軟等。

plc是近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型技術(shù)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編程方便，特別是在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和設(shè)備制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

2  傳統(tǒng)起重電力拖動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路串接不同電阻時(shí)的機(jī)械特性如圖1所示。



圖1 電機(jī)電路串接不同電阻的機(jī)械特性

如上圖所示，電阻r2>r1>r，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩m相同時(shí)，轉(zhuǎn)速n隨著電阻的增大而減小，或者說(shuō)串接電阻后電機(jī)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(diǎn)在于可改善點(diǎn)擊的起動(dòng)特性，可方便控制工作速度，簡(jiǎn)單可靠，維護(hù)方便；缺點(diǎn)也很明顯：不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)速，沖擊過(guò)大，在串接電阻上消耗很大，工礦時(shí)調(diào)速困難，低速機(jī)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(jìn)的調(diào)速方式，其特性曲線如圖2所示（紅線表示2.1倍點(diǎn)擊額定電流時(shí)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(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，低速特性較好，調(diào)速范圍也較大，可達(dá)到1:10，升降均可調(diào)速，但其串接電阻消耗過(guò)大，發(fā)熱量較大，維護(hù)不方便[3]。

3  起重機(jī)變頻調(diào)速傳動(dòng)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(zhǎng)時(shí)間低速下降負(fù)載，能耗高等缺點(diǎn)。全頻調(diào)速系統(tǒng)作為一種先進(jìn)的調(diào)速方案，它調(diào)速方便，精度高，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用與起重機(jī)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(cè)反饋量（開(kāi)環(huán)控制時(shí)可以無(wú)轉(zhuǎn)速傳感器），運(yùn)用相應(yīng)的控制算法控制逆變器中的功率器件管段時(shí)序從而時(shí)逆變器輸出一定頻率達(dá)到調(diào)節(jié)m轉(zhuǎn)速的目的[4]。

3.2門式起重機(jī)系統(tǒng)對(duì)變頻調(diào)速的要求

和其他系統(tǒng)相比較而言，起重機(jī)控制調(diào)速要求比較粗，基本要求是能夠停穩(wěn)、停準(zhǔn)，調(diào)速要求較高的起重機(jī)和工作機(jī)構(gòu)通常要求有幾個(gè)檔的較穩(wěn)定調(diào)速[5]。由于起重機(jī)工作室負(fù)載變化較大，所以對(duì)調(diào)速機(jī)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(guò)大沖擊，靈位，對(duì)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(jī)整機(jī)電氣系統(tǒng)

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

 

圖4 整機(jī)電氣控制系統(tǒng)圖

如圖，整個(gè)系統(tǒng)采用兩個(gè)起升電機(jī)，一邊一個(gè)，由兩個(gè)錐形轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)。它們均采用星三角起動(dòng)（同時(shí)起動(dòng)），有接觸器控制，速度只有一檔。在起升過(guò)程中，兩邊高度出現(xiàn)誤差超過(guò)范圍時(shí)，由控制器判斷控制一電機(jī)，改變?yōu)樾切墙臃?，改變機(jī)械特性，微調(diào)起升速度達(dá)到消除誤差的目的。拖動(dòng)機(jī)構(gòu)由量小車電機(jī)組成，兩電機(jī)均通過(guò)兩變頻裝置驅(qū)動(dòng)，采用變頻調(diào)速方式進(jìn)行調(diào)速，軸上安裝有編碼器，當(dāng)出現(xiàn)運(yùn)行偏差時(shí)，由控制器對(duì)電機(jī)進(jìn)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(yīng)用

4.2.1 s7-300plc簡(jiǎn)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(dòng)化工程的各種應(yīng)用場(chǎng)合，在生產(chǎn)制造業(yè)中的用途尤為廣泛。由于其模塊化、無(wú)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)分布式配置和易于掌握等特點(diǎn)，它已然在汽車工業(yè)，各類機(jī)床，包裝工業(yè)等領(lǐng)域成為了一種經(jīng)濟(jì)又切合實(shí)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(dǎo)軌上，是控制功能更加強(qiáng)大，可以滿足不同的應(yīng)用需求。背板總線集成在各模塊上，通過(guò)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(yīng)用

s7－300plc接口連接圖如圖6（包括中央機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架）所示。

圖中fm350是一種高性能的計(jì)數(shù)功能模塊，可以用來(lái)計(jì)數(shù)和測(cè)量。對(duì)于fm350應(yīng)用到控制器中時(shí)，要將脈沖電源等級(jí)開(kāi)關(guān)打到正確位置，還要對(duì)其進(jìn)行軟件配置。

4.3 s7－300plc控制的流程分析

根據(jù)門式起重機(jī)工作流程和作業(yè)要求，控制流程應(yīng)該由以下幾個(gè)流程圖組成（見(jiàn)圖7~圖11）。

 

圖8主循環(huán)圖和循環(huán)中



  圖9 起升機(jī)構(gòu)程序流程圖

 

圖10 小車機(jī)構(gòu)流程

 

圖11  行走機(jī)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(jī)調(diào)速的特點(diǎn)，總結(jié)提出了傳統(tǒng)方法的缺陷和不足，接著簡(jiǎn)要論述了變頻調(diào)速技術(shù)，最后詳細(xì)介紹了如何將s7-300應(yīng)用到起重機(jī)控制系統(tǒng)。

門式起重機(jī)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(jī)的控制系統(tǒng)，控制準(zhǔn)確，反應(yīng)靈敏，操作簡(jiǎn)單，成本適中，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

作者簡(jiǎn)介

程玉凱（1987-） 男 在讀碩士研究生，研究方向?yàn)楣╇姲踩爸悄茈娖鳌?br />


參考文獻(xiàn)

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

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

[3]張德裕.起重機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速技術(shù)[j].起重機(jī)運(yùn)輸機(jī)械，1998（11）：30-32.

[4]馬寅.起重機(jī)的變頻調(diào)速[j].起重機(jī)運(yùn)輸機(jī)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(biāo)準(zhǔn)功能參考手冊(cè)[z]. 西門子公司，2002（12）.