起重機(jī)電氣設(shè)計(jì)中PLC技術(shù)的應(yīng)用

文磊

摘要：在港口碼頭，起重機(jī)是非常重要的的裝卸設(shè)施之一。特別是隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，碼頭上物資交流的也越來(lái)越頻繁，起重機(jī)需要的運(yùn)貨量日益增加。為了能夠滿足日益增長(zhǎng)的工作量，碼頭起重機(jī)結(jié)構(gòu)逐漸的向大型化、復(fù)雜化趨勢(shì)發(fā)展。PLC優(yōu)點(diǎn)在于體積小、功能大、可靠性高、能夠在惡劣的環(huán)境下工作，并且對(duì)不同工業(yè)控制場(chǎng)合都能夠適應(yīng)。變頻器的運(yùn)用完成調(diào)整功能，能夠使起重機(jī)調(diào)速范圍更加的廣闊，除此之外，還具有低速就位作用，不僅使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率提高了，而且穩(wěn)定性、可靠性極強(qiáng)。而本文主要探討55千瓦電機(jī)、ABB公司變頻器的十噸碼頭起重機(jī)PLC的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：PLC;碼頭起重機(jī);技術(shù)應(yīng)用

引言

對(duì)于大型的碼頭起重機(jī)而言，其在工作的時(shí)候是需要對(duì)起重機(jī)啟動(dòng)制動(dòng)加正反轉(zhuǎn)頻繁的進(jìn)行控制，所以對(duì)于電控系統(tǒng)的安全性、可靠性要求較高。而在傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)中，大多數(shù)使用的都是一些繼電器組合而成的控制柜，不僅控制系統(tǒng)相對(duì)較為復(fù)雜，而且在日常維護(hù)以及調(diào)試方面極其不方便。而碼頭起重機(jī)中PLC將自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)等不同的技術(shù)有效的結(jié)合在一起，使繼電器使用大幅度的減少了，不僅使系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)更加的簡(jiǎn)單，而且使控制更加的高效，調(diào)試更加的便利。本文針對(duì)10噸碼頭起重機(jī)設(shè)計(jì)了PLC系統(tǒng)，主要應(yīng)用于55千瓦電機(jī)以及ABB變頻器中，不但將電機(jī)效率提高了，而且起重機(jī)穩(wěn)定性更強(qiáng)，使其能耗降低的同時(shí)，將使用壽命延長(zhǎng)了。

一、起重機(jī)電氣設(shè)計(jì)中PLC技術(shù)硬件配置

（一）電動(dòng)機(jī)選型

在碼頭機(jī)械設(shè)施中，除了一些長(zhǎng)期負(fù)載的電動(dòng)機(jī)以外，比如說(shuō)輸送機(jī)、泵類Y系列電動(dòng)機(jī)，剩余的都是運(yùn)用起重以及冶金的電動(dòng)機(jī)。由于碼頭起重機(jī)對(duì)于起升、變幅電動(dòng)機(jī)的要求非常高，所以在電動(dòng)機(jī)的選擇上要以變頻專用的籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)為主。與普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較，變頻電動(dòng)機(jī)不僅內(nèi)部結(jié)構(gòu)不相同以外，而且對(duì)于絕緣的要求也非常高。目前碼頭起重機(jī)大多數(shù)都是以變頻系統(tǒng)中交-直-交電壓型為主。在國(guó)內(nèi)很多用戶多運(yùn)用380V級(jí)供電，這時(shí)候直流母線端的電壓大約是在500至600V，當(dāng)能量由電動(dòng)機(jī)向直流母線反饋的時(shí)候，最可以允許電壓力達(dá)到800V。由于電壓是由變頻器IGBT模塊在通過(guò)PWM調(diào)制后以正弦波進(jìn)行傳遞的，所以高頻脈沖波形成了電壓波形，并且最高能夠達(dá)到1000至1200V，所以對(duì)于變頻電動(dòng)機(jī)要求較高，其必須要符合規(guī)范的絕緣等級(jí)，所以這是普通電動(dòng)機(jī)所無(wú)法替代的。PWM是變頻電動(dòng)機(jī)電壓波主要的調(diào)制器，并且進(jìn)行傳遞的工具，而當(dāng)系統(tǒng)中沒(méi)有加入濾波器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很多高次諧波，使電動(dòng)機(jī)持續(xù)發(fā)熱，這就需要變頻電動(dòng)機(jī)冷卻效果要好。另外，變頻電動(dòng)機(jī)工作時(shí)可以處于低頻或者是零速狀態(tài)，所以，電動(dòng)機(jī)風(fēng)道交換熱量的功能就無(wú)法發(fā)揮出來(lái)，為此在使用大功率變頻電動(dòng)機(jī)的時(shí)候，冷卻風(fēng)機(jī)的配置是必不可少的。

YZR系列變頻調(diào)整電動(dòng)機(jī)是由YZ、YZR系列普通電動(dòng)機(jī)演變而來(lái)的，主要運(yùn)用到了對(duì)不同類型起重機(jī)、其他設(shè)備的驅(qū)動(dòng)上，不僅調(diào)速范圍較廣，而且承載能力較然而，機(jī)械強(qiáng)度較高。所以，非常合適用到運(yùn)行較短且連續(xù)，起動(dòng)、制動(dòng)頻繁，負(fù)荷較大且振動(dòng)、沖擊明顯的設(shè)備，為此此次設(shè)計(jì)將其作為了電動(dòng)機(jī)的選用對(duì)象。

（二）變頻器選型

變頻器功率輸出、電流要大于或者是等于被驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)功率、電流。與電機(jī)相比較，其過(guò)載能力較弱，如果電機(jī)過(guò)載，變頻器會(huì)受到損壞;或者是實(shí)際機(jī)械負(fù)載功率無(wú)法承受過(guò)大的電機(jī)功率，而用戶卻將機(jī)械功率調(diào)到了電機(jī)輸出功率，那么這時(shí)候變頻器功率要大于或者是等于電機(jī)功率。另外有些電機(jī)額定電流值非常特別，并不符合常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，也有些電機(jī)額定電壓偏低，而電流較大，這時(shí)候變頻器額定電流要大于或者是等于電機(jī)額定電流。此次設(shè)計(jì)工作環(huán)境是在 0～40℃，變頻器也安裝了空調(diào)以達(dá)到冷卻作用，電網(wǎng)所輸入的電壓是380V。針對(duì)變頻器原則，此次設(shè)計(jì)選擇的是ABB公司變頻器。

由于變頻器功率的輸出、電流的選擇都要大于或者是等于被驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)功率、電流，為此此次設(shè)計(jì)所選用的變頻器是ABB變頻器，能夠適用的電機(jī)容量是55kW，并且采用的是一對(duì)一方法，也就是說(shuō)一臺(tái)變頻器來(lái)對(duì)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。由于旋轉(zhuǎn)、行走機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)數(shù)量很多，并且主要是以平移機(jī)構(gòu)為主，不會(huì)要求較高的轉(zhuǎn)矩，所以一般情況下都是運(yùn)用v/f 方式來(lái)完成控制工作。此方法能夠運(yùn)用多臺(tái)電動(dòng)機(jī)由一臺(tái)變頻器來(lái)帶動(dòng)，為此對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要是兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)由一臺(tái)變頻器來(lái)控制，而行走機(jī)構(gòu)則是四臺(tái)電動(dòng)機(jī)由一臺(tái)變頻器控制。

（三）PLC選型

PLC運(yùn)行時(shí)CPU數(shù)據(jù)的采集主要是通過(guò)掃描速度的設(shè)定，在采樣完成以后會(huì)輸入到CPU中進(jìn)行處理，然后向用戶程序進(jìn)行傳輸，以數(shù)據(jù)的輸入作為基礎(chǔ)來(lái)對(duì)執(zhí)行程序進(jìn)行制定，制定完以后運(yùn)用輸出模塊輸出，掃描執(zhí)行結(jié)束，在運(yùn)行中CPU會(huì)重復(fù)此過(guò)程，以確保程序能夠順利完成工作。首先是采樣的輸入，主要是通過(guò)編程控制器將要采集的信號(hào)、數(shù)據(jù)進(jìn)行讀入，采集時(shí)要對(duì)采集位號(hào)掃描時(shí)間進(jìn)行制定，使收集的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確的傳輸?shù)脚c其對(duì)應(yīng)的單元中。數(shù)據(jù)采集完畢會(huì)進(jìn)入到執(zhí)行、刷新程序，即使到達(dá)了最后程序，存儲(chǔ)的采集數(shù)據(jù)也沒(méi)有變化;其次執(zhí)行程序，要以程序指令作為依據(jù)，并且嚴(yán)格執(zhí)行，一般是由上至下，由左至右進(jìn)行掃描的，掃描結(jié)果通過(guò)運(yùn)算程序來(lái)計(jì)算，運(yùn)行中程序的更改要在下個(gè)運(yùn)行周期才會(huì)對(duì)命令進(jìn)行執(zhí)行;然后是刷新輸出，數(shù)據(jù)掃描后經(jīng)過(guò)輸出傳輸并且對(duì)指令進(jìn)行刷新，此過(guò)程重點(diǎn)是CPU存儲(chǔ)中的數(shù)據(jù)刷新并且保存到鎖存器中，在連接輸出模塊后，對(duì)外部設(shè)備驅(qū)動(dòng)來(lái)達(dá)到指令執(zhí)行的目的。本次設(shè)計(jì)選用的是西門(mén)子PLC，CPU選擇的是CPU317-2DP/PN，此型號(hào)的CPU能夠使十噸碼頭起重機(jī)運(yùn)行、生產(chǎn)需求得到滿足。

二、起重機(jī)電氣設(shè)計(jì)中PLC技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與分析

為了能夠使PLC技術(shù)在運(yùn)行的時(shí)候更具科學(xué)性、合理性、可靠性，在設(shè)計(jì)中也同時(shí)采取了很多維護(hù)的措施，例如輸出模塊的增加。另外為了能夠有效的避免由于外電路短路等各種原因而導(dǎo)致的輸出端口出現(xiàn)損壞情況，在PLC技術(shù)系統(tǒng)的輸出口也裝置了短路保護(hù)設(shè)施，除此之外聯(lián)鎖、互鎖功能軟硬件設(shè)置也有所增加。

起重機(jī)電氣設(shè)計(jì)中PLC技術(shù)的運(yùn)用，使碼頭裝卸的效率提高了，并且系統(tǒng)在運(yùn)行的時(shí)候，啟、制動(dòng)較為平衡，在進(jìn)行加、減速度的時(shí)候沖擊很小，提高了安全性，使機(jī)械使用的壽命延長(zhǎng)了;而電氣的制動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是由變頻器來(lái)完成的，使能耗降低的同時(shí)，維護(hù)量也減少了;在電機(jī)速度與零接近的時(shí)候?qū)C(jī)械制動(dòng)投入，大幅度的延長(zhǎng)了機(jī)械剎車制動(dòng)片壽命;使交流接觸器大量減少的同時(shí)，達(dá)到了無(wú)級(jí)調(diào)速的目的;而PLC、變頻器本身所具備的保護(hù)、檢測(cè)等功能，使電控系統(tǒng)穩(wěn)定性提高了。變頻調(diào)速的改進(jìn)減少了清理維護(hù)的工作量，維護(hù)成本節(jié)省了，將運(yùn)行中故障發(fā)生率降低的同時(shí)，有效的緩解了技術(shù)方面的難題。

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