引言

門式起重機作為一種大噸位拖動安裝機械，其在工業安裝祖業中得到了廣泛應用，從而大  大降低了工作強度，提高了工業生產能力和工作效率。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，生產出的門式起重機笨重粗大，作業精度很差，往往只能實現較為簡單的起升搬運作業。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、工作可靠和節能環保等，并提出了一系列的方法，如電動機轉子電路串電阻調速、晶閘管定子調壓調速等方式，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是近幾年來發展起來的一種新型技術，由于其結構簡單，編程方便，特別是在現代工業生產和設備制造業中得到了廣泛應用。

2  傳統起重電力拖動系統介紹

2.1轉子電路串電阻調速

繞線式異步電動機轉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，當負載轉矩m相同時，轉速n隨著電阻的增大而減小，或者說串接電阻后電機同步轉速n和最大轉矩的mmax不變，轉差率s增大，轉速n降低。這種方法的優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：不能實現連續調速，沖擊過大，在串接電阻上消耗很大，工礦時調速困難，低速機械特性偏軟[2]。

2.2晶閘管定子調壓調速

晶閘管調壓調速是一種較為先進的調速方式，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  晶閘管定子調壓調速特性曲線

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

3  起重機變頻調速傳動系統

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

3.1變頻調速的原理

變頻調速原理系統如圖3所示。

 
圖3 變頻調速系統原理圖

如上圖所示，控制器接收給定值和電流電壓以及轉速位置檢測反饋量（開環控制時可以無轉速傳感器），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節m轉速的目的[4]。

3.2門式起重機系統對變頻調速的要求

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

4  基于s7－300plc控制系統

4.1門式起重機整機電氣系統

  采用變頻調速的門式起重機整機電氣控制系統圖如圖4所示。

 

圖4 整機電氣控制系統圖

如圖，整個系統采用兩個起升電機，一邊一個，由兩個錐形轉子驅動。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，兩邊高度出現誤差超過范圍時，由控制器判斷控制一電機，改變為星星接法，改變機械特性，微調起升速度達到消除誤差的目的。拖動機構由量小車電機組成，兩電機均通過兩變頻裝置驅動，采用變頻調速方式進行調速，軸上安裝有編碼器，當出現運行偏差時，由控制器對電機進行同步微調。



圖5 s7-300plc結構和總線連接器

圖6  s7-300plc接口連接圖

 

圖7  系統主控程序圖

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，在生產制造業中的用途尤為廣泛。由于其模塊化、無風扇結構，易于實現分布式配置和易于掌握等特點，它已然在汽車工業，各類機床，包裝工業等領域成為了一種經濟又切合實際的方案[7]。

圖5是s7-300plc的結構和總線連接器。

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功能模塊，可以用來計數和測量。對于fm350應用到控制器中時，要將脈沖電源等級開關打到正確位置，還要對其進行軟件配置。

4.3 s7－300plc控制的流程分析

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

 

圖8主循環圖和循環中



  圖9 起升機構程序流程圖

 

圖10 小車機構流程

 

圖11  行走機構程序流程圖和pid子程序流程圖

5  結論

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

門式起重機系統中以s7－300plc為核心，結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，控制準確，反應靈敏，操作簡單，成本適中，適合大規模生產。

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

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

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

[4]馬寅.起重機的變頻調速[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）.