鑄造起重器的西門子電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李俊

（臨汾職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 臨汾 041000）

鑄造起重機(jī)作為鋼廠冶煉車間的主要運(yùn)輸設(shè)備，在冶煉的過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)葉天金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)、澆注等作業(yè)，操作簡(jiǎn)單方便，有助于提高鑄造車間的生產(chǎn)效率。而傳統(tǒng)的鑄造起重機(jī)采用的是直接啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的方案，調(diào)速的范圍小，無(wú)法高速運(yùn)行，控制電路也十分的復(fù)雜，提高了系統(tǒng)的故障發(fā)生率。因此，起重工作中的合理化電氣控制系統(tǒng)能夠有效地降低起重過(guò)程中的位置偏差、能耗大等問題，實(shí)現(xiàn)車間的高效運(yùn)作。本文以鑄造起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)作為研究的對(duì)象，使用西門子PLC控制系統(tǒng)針對(duì)傳統(tǒng)起重機(jī)中的缺陷提出有效的控制策略，進(jìn)而保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 鑄造起重機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該煉鋼廠的鑄造起重機(jī)由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)和金屬結(jié)構(gòu)三部分組成，金屬結(jié)構(gòu)主要包括主副梁、端梁以及司機(jī)室三部分組成，也是整個(gè)鑄造起重機(jī)的結(jié)構(gòu)和框架，傳動(dòng)部分主要包括大車小車的運(yùn)行機(jī)構(gòu)以及主起升機(jī)構(gòu)。電氣控制系統(tǒng)包括供電系統(tǒng)、電器元件等。

1．1 鑄造起重機(jī)PLC設(shè)計(jì)方案

選用簡(jiǎn)單的PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能。其功能如圖1所示。

圖1 鑄造起重機(jī)控制功能圖

該起重機(jī)CPU模塊選擇6ES315產(chǎn)品，輸出和輸入模塊共12個(gè)節(jié)點(diǎn)，PLC系統(tǒng)分為主站和從站，分別安裝在電氣橋箱內(nèi)和駕駛室內(nèi)。

該起重機(jī)采用定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平移，其負(fù)載的260噸左右，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的惡性電流為1600A，變頻器的特性無(wú)法滿足力矩，因此，在起升機(jī)構(gòu)上選用了調(diào)壓調(diào)速裝置，平移機(jī)構(gòu)選用交流變頻調(diào)速。

1．2 控制設(shè)備的選型

1．2．1 PLC 選型

PLC程序的設(shè)計(jì)需要綜合考慮控制的對(duì)象，確定控制獨(dú)享完成的動(dòng)作以及控制的順序。按照生產(chǎn)工藝的要求，確定I/O點(diǎn)數(shù)和類型，列出清單。按照內(nèi)存的容量選擇適當(dāng)?shù)挠嗔浚瑢?duì)控制系統(tǒng)選擇使用程序所需要的內(nèi)存容量。對(duì)于模擬量的輸入和輸出控制系統(tǒng)需要100個(gè)存儲(chǔ)器字。PLC硬件的選擇上要考慮其使用的性能，結(jié)合電氣控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)功能和系統(tǒng)的要求繪制出電氣控制線路圖，按照控制的要求和功能順序進(jìn)行軟件控制的設(shè)計(jì)，并繪制出梯形圖。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)先設(shè)計(jì)好內(nèi)部的繼電器、定時(shí)器等，表明用途和控制的順序。按照模擬調(diào)試的情況對(duì)PLC進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的連接，檢查各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

按照上述的要求，該鑄造起重機(jī)PLC選擇西門子S7-300中的314和315兩種型號(hào)。由于該鑄造起重機(jī)有三個(gè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)，采用的輸入和輸出模塊不是很多，因此，采用314的CPU完全能夠滿足電控系統(tǒng)的需求。315的CPU具有較高的安全性能，對(duì)每個(gè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)都能夠很好的控制。采用6ES716點(diǎn)輸入，采用6ES7 32216點(diǎn)輸出。

1．2．2 調(diào)壓調(diào)速裝置選型

電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速作為一種先進(jìn)的調(diào)速方式，這種調(diào)速方式運(yùn)行穩(wěn)定可靠，并且在國(guó)內(nèi)外的一些鑄造行業(yè)中廣泛應(yīng)用。圖2為調(diào)速調(diào)壓裝置的運(yùn)行曲線。當(dāng)給定速度n1和負(fù)載M1，調(diào)壓調(diào)速裝置運(yùn)用調(diào)速曲線對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸出供電電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而使得曲線內(nèi)移，與真實(shí)的調(diào)速曲線相吻合，進(jìn)而得到對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)Q。

圖2 調(diào)速曲線

在鑄造起重機(jī)中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)和發(fā)熱情況對(duì)其工作狀態(tài)和系統(tǒng)的性能具有很大的影響。為了保障在低壓的狀態(tài)下系統(tǒng)能夠進(jìn)行正常的調(diào)速調(diào)壓，需要確定輸出力矩，保障晶閘管具有較大的輸出電流。因此，調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)SIEMENS公司的調(diào)速裝置，該裝置采用閉環(huán)控制的方式，工作特性和總體的性能良好。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

2．1 調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

260噸鑄造起重機(jī)主起升機(jī)結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 260噸鑄造起重機(jī)主起升機(jī)基本參數(shù)

傳動(dòng)系統(tǒng)采用雙電機(jī)，整體減速，如果發(fā)生故障，另一臺(tái)仍舊能夠進(jìn)行短時(shí)期的工作。

在起重機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻器起著十分關(guān)鍵性的作用，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)和發(fā)熱情況具有很大的影響。本文選取的調(diào)壓調(diào)速裝置主起升機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子需要按照生產(chǎn)的工藝流程進(jìn)行。主起升機(jī)主要的抵押電氣元件有換向接觸器、轉(zhuǎn)子接觸器以及主斷路器。換向接觸器滿足額定電流800A，閉合代開滿足調(diào)壓調(diào)速裝置的要求。轉(zhuǎn)子接觸器額電流500A，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)壓調(diào)速裝置線圈快速閉合和打開時(shí)間的要求。主斷路器額定電流1600A，具有電子脫扣裝置，保護(hù)設(shè)定的參數(shù)范圍，對(duì)脫扣裝置的性能及時(shí)的反饋，進(jìn)而滿足對(duì)調(diào)壓調(diào)速裝置的全面保護(hù)。

2．2 變頻調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

變頻控制器可以分為v/f控制變頻器和轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器等類型，260噸鑄造起重機(jī)在電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)不便，采用采用的是v/f控制變頻器。v/f控制變頻器初期采用采用的是v/f的控制方式，但是，定子在實(shí)際的運(yùn)行中存在著阻礙，因此，當(dāng)電動(dòng)機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，需要進(jìn)行降壓控制，進(jìn)而保障電動(dòng)機(jī)能夠在低速區(qū)域運(yùn)行時(shí)仍舊能夠獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩。大車機(jī)構(gòu)變頻器選擇兩臺(tái)acs800-04-026的變頻器，這樣利用原有繞線式異步電動(dòng)機(jī)短接轉(zhuǎn)子滑環(huán)后使用。主小車機(jī)構(gòu)變頻器選型為兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，電流為55A，電阻器專門配置配合生產(chǎn)。

3 PLC控制功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3．1 PLC 程序的結(jié)構(gòu)

鑄造起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的核心為PLC控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整機(jī)電氣系統(tǒng)的自動(dòng)化控制、運(yùn)行監(jiān)控和故障報(bào)警等功能。由于鑄造起重機(jī)各個(gè)結(jié)構(gòu)組成部分相互獨(dú)立，因此，采用模塊化的集成系統(tǒng)。在組織塊OBI中決定哪一個(gè)模塊具備什么樣的功能，并且完成各個(gè)模塊的自動(dòng)化控制。執(zhí)行完后返回到OBI中，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面數(shù)據(jù)的交換。

3．2 主起升機(jī)構(gòu)控制

起重機(jī)聯(lián)通后，PLC實(shí)現(xiàn)自檢功能，對(duì)各個(gè)硬件模塊以及DP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)故障所在。一切正常后才可以操作起重機(jī)。PLC故障檢測(cè)中還設(shè)定了定子調(diào)壓裝置的檢測(cè)、過(guò)熱保護(hù)以及過(guò)載保護(hù)等。主起升機(jī)構(gòu)控制具體實(shí)現(xiàn)流程：主起升機(jī)首先需要選擇電機(jī)，選擇是雙電機(jī)操作還是單電機(jī)操作。選擇完成后啟動(dòng)調(diào)壓調(diào)速裝置，選擇上升還是下降。如果選擇了上升操作，則進(jìn)行上升運(yùn)行；如果選擇了下降操作，則進(jìn)行下降運(yùn)行。之后診斷電機(jī)的故障，如果無(wú)故障存在，則繼續(xù)檢驗(yàn)是否過(guò)載，之后歸零。

3．3 大車機(jī)構(gòu)控制

大車機(jī)構(gòu)的控制與主起升機(jī)控制系統(tǒng)具有相似的特點(diǎn)。具體控制流程為：?jiǎn)?dòng)變頻調(diào)速裝置后，選擇左行還是右行，如果選擇了左行，則進(jìn)行左行操作和運(yùn)行，檢測(cè)電機(jī)的故障和變頻器的故障等情況之后手柄回歸零位。如果選擇右行，則需要進(jìn)行右行操作，檢驗(yàn)電機(jī)的故障和變頻器的故障，之后手柄歸零。大車機(jī)構(gòu)設(shè)置了左右限位，當(dāng)達(dá)到右極限時(shí)，右行操作斷掉，只能選擇左行。反之，則只能進(jìn)行右行操作。

3．4 監(jiān)控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)能夠現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控鑄造起重機(jī)，大量采集運(yùn)行的參數(shù)和信息數(shù)據(jù)，進(jìn)而有效地判斷設(shè)備的故障和問題，進(jìn)而為鑄造生產(chǎn)提供正確的參數(shù)。鑄造起重機(jī)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)提供了起重機(jī)維護(hù)平臺(tái)和系統(tǒng)的監(jiān)控平臺(tái)，與電氣設(shè)備相配合，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備和傳感通訊設(shè)備等的集中控制，進(jìn)而監(jiān)控起重機(jī)鑄造過(guò)程中的運(yùn)行狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 鑄造起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

起重機(jī)維護(hù)平臺(tái)設(shè)置在電氣室內(nèi)，通過(guò)維護(hù)人員進(jìn)行系統(tǒng)的維護(hù)和定期的調(diào)試；起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能夠?yàn)槠鹬貦C(jī)的故障診斷和維修運(yùn)行提供正確的參數(shù)和運(yùn)行書庫(kù)，給維修提供重要的參數(shù)依據(jù)，極大地保障了設(shè)備的安全運(yùn)行。同時(shí)，兩個(gè)平臺(tái)在同一個(gè)地點(diǎn)，保障電源供應(yīng)和系統(tǒng)環(huán)境更加的安全穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

鑄造起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在一定的控制暗度。本文針對(duì)傳統(tǒng)鑄造起重機(jī)電氣控制問題，發(fā)揮西門子PLC控制系統(tǒng)和調(diào)壓調(diào)速變頻器的重要作用和價(jià)值，取得了良好的控制效果，并且與鑄造生產(chǎn)中的自動(dòng)化控制提供了可參考的依據(jù)。