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摘要：本文利用三菱公司的FX3U-128MR的可编程控制器，设计了一种用PLC和变频器控制的电气系统来取代原有的控制柜和电阻柜，该系统实际使用要求变频改造了原来起升、闭合、变幅、行走和旋转共5项功能的控制要求，详细的阐述了整个系统软硬件设计的过程。经上机仿真、实践，结果表明，该系统设计方案合理，可靠性高，达到预期目标，实现效果好。
关键词：起重机；PLC；变频器
一、绪论
起升、开闭机构改为变频器控制，重新做变频器控制柜，去掉原有的控制柜和电阻柜。行走机构通过接触器转换使用起升或开闭变频器控制，去掉原有控制柜和电阻柜，旋转控制保留原切阻调速控制，线路重新整理。整机主电路和控制线路电缆电线破损老化严重，大部分需要更换。整个设计的优点：改为变频器控制，减少电阻调速的有功消耗，可以节约整机的耗电量，节约的电费抵用变频器的投资，减少电缆的布线，特别是行走的电缆，对行走电机起保护作用。绕线式电机减少碳刷，方便今后维 护和检修。
二、门座式起重机的改造设计要求
1.原来老旧设备存在的问题
1号门座式起重机电器系统老化严重，特别这台需要改造的1号门座式起重机从1997年安装至今已近20年。电器系统从未大修，不少动力电缆已硬化开裂，电器系统故障较多；自安装至今电器系统没有大修，经常日常维护，但相比使用采用切电阻1号门座式起重机故障次数偏多，2015年共发生故障39次，而同期使用变频器的门座式起重机2号及门座式起重机3号合计总故障才16次。公司拟对门机1号电器系统大修，并要用PLC变频控制驱动。一是减少生产过程故障；二是可以培训公司电工；三是费用低。根据公司生产作业情况，门座式起重机1号和门座式起重机3号作业状况类似，一般结双瓣抓斗作业，作业强度相对轻，但在用电方面，门1却比门3电耗高不少。2014年度和2015年度门1用电23.556万度和20.976万度，而门3同期电消耗17.953万度和15.976万度分别增加5.604万度和5.028万度，高出31%。按现每度电0.8078元计，两年电费共高出8.6万元。自修的话，可明显提高电工的技术水平。根据外修报价和内修报价测算如下：自修20万，其中材料费17万。外修达到30万元，而且只使用国产变频器。光几个安川变频大组件报价就19万。
2.新的电气系统的控制要求
整个控制系统要求把起升和行走这两个控制功能共用一台变频器进行互相切换，控制系统要保证起升和行走这两功能不能同时使用。旋转功能不进行变频改造，但是把原来旋转的控制电路改造到PLC的控制逻辑程序中。开闭和变幅独立使用一台变频器进行控制。这个系统要满足日常频繁的作业的要求，尽量减小故障发生的概率。PLC的控制逻辑程序要保证原来门座式起重机上的所有电气保护装置能够正常运作。
三、系统设计材料的选用
1.可控制编程器PLC的选用
由于门座式起重机需要到使用到的I/O接线点分别是74个输入点和48个输出点。由于系统的输入点数比输出点数要多出26个点，根据门座式起重机更加经济、实用，所以使用三菱公司的FX3U-128MR系列的PLC和三菱PLC扩展输入FX2N-16EX，分别有80个输入和64个输出。剩下部分接点方
便以后对系统进行优化与扩展，也不会有过多的输入输出对系统造成
浪费。
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2.变频器的选用
根据门座式起重机的工作情况对变频器进行选择，变频器选用安川变频器HB4A0304AAA的类型两台，对门座式起重机的起升行走机构和开闭机构进行正反转和停止控制，另外安川变频器G7B4045的型号对变幅机构进行正反转和停止控制。同时对门座式起重机的工作状态进行显示和门座式起重机工作状态报警提示。同时对电机进行过电流、过电压、过载等保护。
3. 电抗器的选用
根据门座式起重机的工作情况选择电抗器。选用电抗器来限制电网电压突变和大启动电流冲击，有效地保护变频器。根据门座式起重机使用时工作电流比较大，所以需要选用电抗器对变频器进行滤波，使变频器能够稳定工作。使用选择型号SLK-180A-EISA-0.08类型电抗器两个对门座式起重机的起升行走机构和开闭机构进行滤波。使用选择型号L31AJSK-45类型电抗器一个对门座式起重机的变幅机构进行滤波，阻止来自电网的干扰。
4. 制动电阻的选用
保护变频器不受电机再生电能的危害，起升和开闭电机的变频器选用3.2Ω/60KW两个，而变幅电机的变频器选用13.6Ω/10KW的制动电阻当电动机在外力的作用下减速时，电机以发电状态运行，产生再生电能。其产生的电能消耗被变频器逆变部分的六个续流二极管组成的三相全控桥整流电路，使变频器内直流母线电压持续升高。
5. 编码器的选用
选用3个1024P的编码器对3台变频器进行带PG的闭环控制。使系统具有反馈测量，提高电机转速的控制精度，保证设备在大负载的工作环境下能够保持足量的转速。
四、对控制系统的硬件设计
1.对门座式起重机的主电路单线图进行设计
2.分配好PLC（FX3U-128MR）和拓展输入FX2N-16EX的I/O分配表
3.对门座式起重机PLC和拓展模块的I/O接线图进行设计
4.门座式起重机起升电机和行走电机变频器的接线设计要求，起升电机和行走电机由接触器KM11和KM51互相切换使用，系统要保证两个动作不能同时工作。制动系统由接触器KM12控制起升制动油压电动机。由编码器对变频器进行闭环反馈控制使门座式起重机不会由于载重而转速下降，保持电机的转速。
5.起升电机和行走电机的变频器、闭合电机变频器、变幅电机变频器的参数进行设计
五、系统中的可控制编程器PLC程序设计
1.程序梯形图
（1）对PLC程序梯形图进行设计，要求起升机构，由X007选择起升和行走的按钮进行操作方式的互相切换
2.仿真、调试情况
（1）程序调试、仿真。
本程序调试采用MQ10-30门座式起重机的设备平台，在此平台上进行程序的调试及输出信号的仿真。成功实现了此门座式起重机的所有的功能包括起升、开闭、变幅、行走和旋转5大功能模块。
（2）系统调试。
本系统调试中的技术要点为：起升、开闭、变幅、行走和旋转这5大工作机构的调试工作。
第一，起升结构起升和下降工作要正常，同时和行走机构能够进行正常切换。
第二，开闭机构在打开抓斗能够正常打开和闭合
第三，变幅机构能够使四连杆的起重臂架能够正常伸缩。
程序在实际运行中是通过I/O设备和门座式起重机进行交换数据的，当程序在调试时，可以使用仿真I/O设备模拟向画面程序提供数据，为画面程序的调试提供方便。
六、结论
本门座式起重机实现了高可靠高效率的设计要求，并且具有一定的代表性，完全可以把本控制系统应用于其他的起重机电气系统中在该工程设计过程中，从PLC的选择到各辅助设备的选型，最后本着经济、适用、实用、结构紧凑，同时保证门座式起重机稳定运行。
门座式起重机在码头装卸生产工作中能够得到广泛的利用，我国作为航运业大国，但起重机可靠性渐渐地落后其他国家，利用工控组态软件实现PLC与上位计算机通信的方法简单易行，配合简单的PLC主机，具有突出的优点和很好的利用价值。该系统采用了FX3u系列的可编程控制器（PLC）在门座式起重机电气系统中的应用。利用可编程控制器，设计成本低、效率高的电气控制装置。以PLC为主的控制器，要求功能变化灵活，集合气动装置、传感技术等，现场控制门座式起重机的装卸生产。系统具有自动化程度高、运行稳定、精度高、易控制及编程简单，故障少，噪音低的特点，能连续、大批量地装卸码头货物，故障率低且设备运作平顺大大降低人工劳动强度，可明显提高劳动生产率。
另外的优点只要根据不同情况、对象场地，对该系统稍加改动即可实现要求，即该系统具有推广价值。
参考文献：
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［5］李德才.可编程序控制器PLC发展及应用. 医药工程设计，1994.
论文作者:李炼川
论文发表刊物:《防护工程》2018年第34期
论文发表时间:2019/3/26
标签：起重机论文; 变频器论文; 系统论文; 电机论文; 机构论文; 程序论文; 电阻论文; 《防护工程》2018年第34期论文;