大型冶金起重机电气控制系统的设计与实现.pdf

大型冶金起重机电气控制系统的设计与实现 吴先文 李丽 张丹 李剑 1四川工程职业技术学院德阳6 1 8 0 0 0 2中国二重集团公 司 德阳6 1 8 0 0 0 摘要根据 3 2 0 ／ 5 0 t 一 2 2 m大型淬火桥式起重机的使用要求及主要技术参数，设计了该起重机的电气系 统 ，重点讨论了P L C控制难点问题的解决方法 ，对 P L C程序进行了优化设计，提高了其可靠性和系统响应速度， 具有一定的推广应用价值。 关键词冶金起重机；电气系统设计；P L C程序优化 中图分类号T H1 6 2 ． 1 文献标识码B 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 1 0 7 0 0 3 1 0 3 Ab s t r a c t C o n s i d e rin g t h e u s e r e q u i r e me n t s a n d ma i n t e c h n i c a l p a r a me t e r s o f t h e 3 2 0 ／ 5 0 t一2 2 m l a r g e q u e n c h b ri d g e e r a n e ，t h e p a p e r d e s i g n s t h e e l e c t r i c al s y s t e m o f t h e c r a n e ，f o c u s i n g o n t h e s o l u t i o n s t o t h e P L C c o n t r o l d i f f i c u l t p r o b l e m a n d o p t i mi z a t i o n o f t h e P L C p mga m．T h e d e s i g n e d s y s t e m f e a t u r e s i mp r o v e d r e l i a b i l i t y a n d s y s t e m r e s p o n s e s p e e d a n d h a s c e r t a i n a p p l i c a t i o n v a l u e ． Ke y wo r d s l a d l e c r a n e；e l e c t ri c a l s y s t e m d e s i g n；P L C p r o g r a m o p t i mi z a t i o n 1 电气控制系统总体方案设计 1 ． 1 动力部分 3 2 0 ／ 5 0 t 一 2 2 m大型淬火桥式起重机动力部分 主要包括总断路器 、总接触 器、各机 构 电动机及 相关保护控 制装 置、电阻箱等 ，如 图 1所示 。电 能从厂房 电源滑触线引入 ，经 由总断路器 A、B中 的任意 1台 其中 1台作备用 向总接触器馈 电。 总断路器提供短路、过载、零压保护。总接触器 为 2台容量为 1 6 0 0 A真空接触器分相并联而成 ， 用于主回路供 电 ，各机构 的主 回路控制屏 分别从 断 总断 主钩 总接触器 电阻柜 切电阻接触器柜 图 1 起重机电气系统动力部分 起重运输机械 2 0 1 1 7 器 总接触器下 端单独 引电。当急停 指令发 出时，接 触器会立即断开，同时为了保证可靠停车，总断 路器也将分闸。各主要驱动电机的主回路上都安 装了自动断路器和过流继电器 2种保护装置。同 时主 、副钩起 升 电机定子 内置有 P T 1 0 0温度 传感 器 ，当电机 温 度超 过 设定 值 时会 发 出 报警 信 号 但不停机 。 所有机构 的驱动 电机 都采用 三相冶金起 重用 绕线转子 电动机 ，并采用在转子 回路 中串入 不 同 阻值 电阻的启动调速方案。 1 ． 2控制部分 如图 2所示 ，控 制部分 主要包括联 动 台、遥 控器 、H M1 人机 界面 、P L C可 编程控制 器 、编码 器 、限位开关和保护装置等。 控制系统的核心是 1台西门子 S 73 0 0可编程 控制器 ，它通过 P r o fi b u sD P总线将 C P U和 2个 位于主梁 内的 I ／ O子站连接在一起，并通过 M P I 总线与 HM 1 人机界面交换数据 。HM I 用 于显示起 重机的过程状态和故障信息，通过故障自诊断程 序可迅速判断故障原因。 由于该机 主钩为 4台电机 共 同拖动 ，因此有 同步性要求，为了防止在起 吊重物时出现同步轴 断裂 、同步联轴器断齿 而引起重 大安全事故 ，在 主起升机构的 2台减速器低速轴上分别安装有增 一 31 图2 起重机电气系统控制部分 量式旋转 编码器用以监控 2台减速器 的速 度 ，在 P L C程序中编写了接触器动态监控功能。当出现 速度不同步或超速等故障时由 P L C发 出急停指令 ， 使起重机断掉总电源。 起重机设有备用电源系统 ，由 1台 E P S 三相 消防应急 电源 和 1台 U P S 后备 电源 构成。 当工作车间 因故 断电或 电源 出现故 障时 ，U P S向 P L C系统供电维持控制核心的正常运行 ，E P S为主 副钩制动器提供能量 ，通 过间隙式的制动器操作 将半空中的工件安全落人油槽 中。 2 P L C控制难点问题的解决 2 ． 1 P L C控制的机敏性与鲁棒性平衡 问题 P L C控制具 有可靠 性高 、响应速 度快 、控制 灵活、寿命长及编程简便等优点，但应用到桥式 起重机 的控制上 ，会带来鲁 棒性不足 的问题 。淬 火起重机常在多油烟 、大振动 的环境下作业 ，主 令电器 、继 电器 、限位 开关等元件 的触 点时常会 出现短时间接触不 良，由于 P L C输入点 响应速度 快 ，因此很易误将 此判为输入点 的动作 ，严重 时 会断开程序 中与之相关的 自保 回路导致起重机停 车。解决方案 1 尽量选择触点结构为瞬动触点 的元件 ；2 对 P L C输入模块的组态 ，设置较长的 滤波时间；3 在容易出问题的输入点上加入一段 的断 电延时程序。 标准控制屏上 的辅助触 点不仅为 了控制 接触 器动作时序而存在，很多还兼做元件故障保护， 用 P L C控制代替继电器控制后 ，所有辅助触点都 被软件化 了，这将导致 系统无法 获知元 件的真实 动作状态， 对此有 2 种解决方案1 将接触器辅 一 3 2 一 助点状态全部录入 P L C，编程时不使用软点而使用 由 P L C采集 回来 的真实状态 ，但采用这种方法可 能会出现无休止的接触不 良问题。2 全部使用软 点编程 。在程序中专 门编写接触器状态监视程序 ， 用于监控 P L C上的输出状态和接触器 的真实状态 ， 如果 2种状态不符 的时间超过规定值 ，则认为 是 故障。但这种方法 又会 导致某些需要高速 响应 信 号得不到及时处理 的问题 。应结合 2种方案 的优 缺点 ，根据实际情况采用不同的方法 。 2 ． 2 P L C自诊断程序设计 3 2 0 ／ 5 0 t 一 2 2 m大型淬火桥式起重机对安全可 靠性要求很高，需要利用 P L C自身监视每个模块 及编码器的工作状态 。该起 重机采用 的西 门子 s 7 系列 P L C系统提供了相应的故障中断模块 O B ， P L C在检测 到 自身有故 障 时会产 生相应 的中断 ， 用户可以在中断中处理故障信息，但如果总线或 编码器连接不 良时 ，会导致 同一故 障反复地 出现 和消失 ，极易造成 P L C中断溢 出或嵌套过深 ，从 而导致 P L C丢失其他可能更重要 的故 障中断 ，造 成程序 的误判 。因此 ，本 系统 的 自诊断程序 不利 用 P L C的故 障中断模块 ，而使用 主动扫描 的方 式 分时获取各模块状态 S S L列表 。 2 ． 3 减小 P L C程序循环周期 本系统 的 P L C程序需要监视 每个接触 器和每 个模块的状态 ，计算减速器 的转速 ，监视 电动机 温度 等。若 按 通 常方 法编 程 其循 环 周 期 将超 过 5 0 m s ，而设计程序 中使用有设定值为 2 0 0 m s 延时 继电器 ，显然不能满 足要求 ，因此 ，需要 通过对 程序进行优化来缩短 P L C的平均循环周期。 本系统在缩短循环周期上 主要 采用 了计算分 时化和堆栈操作指针化 2种方法。现 以电机温度测 量程序为例 ，电机温度变化相对缓慢，对响应速度 要求不高 ，故可进行分时计算。通过 P L C模拟点读 人的电机温度值是瞬时信号，需进行较长时间系数 滤波 ，按时间顺序记录信号的历史数据，选择先进 先出的堆栈来保存数据，但程序如果表面化编写， 堆栈的压栈操作会消耗大量的计算时间，因此本系 统采用指针 的方式来操作堆栈，通过改变指针 的指 向来实现堆栈 的压栈 ，如图 3所示。在程序执行过 程中，由于滤波的数据计算量 比较大，因此将它分 布到不同的周期里去计算，每经过一定数量循环才 产生 1 个温度值，这样即可大大减小单周期的计算 起重运输机械 加1 1 7 基于 A D A MS的折臂式随车起重机受力计算 王乐有王进强才冬涛 山西长治清华机械厂 长治0 4 6 0 1 2 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 1 0 7 0 0 3 3 0 2 大吨位折臂式随车起重机变幅机构是由 2个六 连杆机构组成 见图 1 ，在大吨位折臂式随车起重 机的开发设计过程中，需要根据随车起重机 的最大 起重力矩计算这 2个六连杆机构 中各连杆 的受力 ， 从而确定随车起重机液压系统的系统压力、动臂液 压缸和吊臂液压缸缸径 、额定起重量、起重特性曲 线等。这2 个六连杆机构的受力计算过程繁琐、复 杂 ，是折臂式随车起重机的设计难点。用工程力学 知识计算，只能求得折臂式随车起重机某一姿态下 各连杆的受力值，而利用 A D A M S软件制作虚拟样 机并进行动力学仿真 ，可求得折臂式随车起重机各 姿态下各连杆的受力连续值。 虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及 其相关问题的角度出发，解决传统设计缺陷的高 新技术⋯ 。在虚拟样机技 术 中，在计 算机上 定义 零部件间的连接关系并对机械系统进行虚拟装配 ， 图1 折臂式随车起重机的2个六连杆机构简图 从而获得机械 系统的虚拟样机 ，并 对其 在各种 情 况下的运动和受力情况进行分析，观察并试验各 组成部件相互运动情况，仿真不 同的设计方案， 对整个系统不断 的进行改进 ，直 到获得最优 的设 计方案后 ，再进行物理样 机的试制 。由此可缩短 研发周期 ，降低成本 ，避免不必要的损失 。 量 ，缩短单周期扫描时间。通过对程序的优化， P L C的平均循环周期被控制在 7 ms 以内。 [ ] l噩数据I D A T A 3 的原有数据 被覆盖，堆栈的头变 成第三存贮单元，堆 栈的尾变成第四存 贮单元 图3 缩短 P L C程序循环时间 3结束语 综上所述 ，基于 P L C设计的 3 2 0 ／ 5 0 t 一 2 2 IT I 起重运输机械 2 0 1 1 7 大型淬火桥式起重机电气控制系统具有维修方便， 可靠性高，综合响应速度快等优点。目前该机已 在某企业热处理车间高效运行，可出色完成重要 容器筒节淬火任务 ，取得了显著效益。 参考文献 [ 1 ]张质文，虞和谦，王金诺，等 ． 起重机设计手册 [ M] 北 京 中 国铁道出版社 ，2 0 0 1 ． [ 2 ]J B 4 3 1 5 --1 9 8 6 起重机电控设备 [ s ] ． [ 3 ]J B ／ D Q 4 6 5 8 1 9 9 1 起重机成套电阻器 [ s ] ． [ 4 ]Q ／ D Q l O 9 --1 9 9 2 起重机电气设备技术条件 [ s ] ． 作 者吴先文 地 址四川德阳市泰山南路二段 8 0 1号四川工程职业 技术学院机电系 邮 编6 1 8 0 0 0 收稿 日期2 0 1 0一l 1 3 O 一 3 3