西門子G120在抓斗起重機控制中的應用

摘要：本文結合紫金礦業集團琿春多金屬有限公司的2臺抓斗起重機項目，介紹了西門子G120變頻調速系統在抓斗起重機中的控制方式、參數設置;并通過兩臺G120的主從控制模式，結合PLC的邏輯控制，實現了開閉和升降電機在滿抓過程中的力矩平衡。

關鍵詞：抓斗起重機;變頻調速系統;PLC控制;參數設置;主從控制模式;力矩平衡

前言

?? ?起重機在工業生產中有廣泛應用，用來實現物體在三維空間中的轉運。其中水平面上兩個方向的運動分別由大、小車完成，稱為行走系統;而垂直方向的運動則由起升機構負責。大多數的起重機通過吊鉤與被運物體相連，而當被運物體為粉狀或小顆粒狀時，則需要通過抓料斗，這就是抓斗起重機。其中專門負責升、降運動的電機稱為升降電機，另一臺開閉電機除了負責抓斗的打開和閉合（放料和抓料）外，抓斗升降時，它還會同升降電機一起出力。

抓斗起重機的抓斗傳動系統由開閉機構、升降機構兩部分組成，通過鋼絲繩與各自的滾筒聯接，兩者之間沒有任何電氣聯鎖，也無法加裝合適的檢測開關，在抓斗起重機運行過程中，滿抓啟升過程是技術關鍵，也是操作難點，在滿抓啟升過程中，抓斗升降、開閉電機容易出現受力不均勻的情況，需要起重機操作員靠經驗點動調整抓斗升降及抓斗開閉鋼絲繩的松緊度，并掌握抓斗提升電機投入運行的時機，如果抓斗開閉電機的鋼絲繩太松，易造成抓斗料斗漏料;如果抓斗升降電機的鋼絲繩太松，則開閉電動機單獨受力過載，容易引起電機損壞或鋼絲繩斷裂。此過程要求起重機操作員具有較強的操作經驗和較高的操作技巧，而且需要操作員精神集中，勞動強度大。本文根據實際項目介紹一種操作簡單、安全可靠的控制方法來解決這一實際困難。

1.系統整體概述

抓斗橋式起重機主要由橋架、小車、運行機構、司機室、抓斗及電控設備等部分組成。

本項目起重機的起重重量16噸，起升高度19.5米，跨度31.5米，起升開閉速度4-40米/分鐘，大車行走速度9.45-94.5米/分鐘。抓取的物料為精銅礦和石英砂，采用3.2立方米容量的抓斗。大車由2臺15kw的變頻電機驅動，小車由2臺4kw的變頻電機驅動，開閉和起升機構各由一臺75Kw的變頻電機驅動;開閉升降變變頻器配置分別由功率單元6SL3224-0BE38-

8UA0、控制單元6SL3246-0BA22-1BA0、控制面板6SL3255-0AA00-4CA1組成。控制系統主要由PLC、變頻器、聯動操作臺等組成。PLC采集手柄控制器信號，經過程序進行邏輯判斷，依據判斷結果調節變頻器的輸出，來控制驅動電機的方向、轉速。在變頻器分配方面，大車小車的變頻器都采用一拖二的方式，即一臺變頻器同時驅動兩臺電機;開閉和起升各采用一臺變頻器進行矢量主從控制。

2.系統控制原理

大車小車分別設有正反向和三檔速度可調，變頻器采用V/F控制方式，速度調節為固定速度調節，通過司機室左邊的操作手柄進行操作。起升和開閉也分別設正反向和三檔速度可調，起升設有轉矩和速度切換控制，起升和開閉變頻器采用帶變頻器的矢量控制方式。

傳統的滿抓功能的實現，是開閉電機全速閉合，升降電機處于反接狀態，同時轉子又接入大電阻，由此產生的反向低力矩僅能拉緊支持繩。實際上電阻器的計算比較粗略及選型及制造上的誤差，力矩的給定值不能調整，因而造成現場滿抓功能的實現困難。

為了實現自動滿抓功能，在變頻調速控制系統中，我們采用了西門子G120變頻器系列的CU250S-2控制單元的主從控制功能結合PLC的邏輯控制功能。

我們把開閉電機作為主軸，起升電機作為從軸，為實現力矩平衡和滿抓功能，從軸的力矩給定值通過PLC控制繼電器在主軸的力矩實際值輸出和PLC的給定值之間切換。滿抓操作時，操作員把主軸變頻器打到三檔閉合狀態，抓斗快速閉合，此時PLC把從軸變頻器轉換到力矩工作模式，并把從軸的力矩值切換到由PLC的模擬量輸出口給定。PLC給定從軸一個向上的小力矩既能使升降鋼絲繩保持張緊狀態又能使鋼絲繩不脫槽。由于給定的力矩很小不足以維持不斷增加的物料和抓斗自身重量抓斗會下降，在抓斗閉合過程中斗不斷沉入料堆，使得抓取更多的物料，從而實現自動滿抓功能。

抓斗完全閉合上升時，當PLC檢測到開閉變頻器AO1口輸出的力矩值大于力矩平衡設定值時輸出信號把升降變頻器的力矩給定值切換到由開閉電機變頻器AO0給定。即升降變頻器跟隨開閉變頻器的輸出力矩，達到力矩平衡，而不需要靠起重機操作員憑經驗來判斷抓斗升降電機投入運行的時機，抓斗升降和開閉鋼絲繩受力平均，使抓斗勻速上升。而在滿抓過程中，滿抓啟升過程時間短、抓料量穩定而且運行平穩沒有沖擊，既擺脫了對操作員經驗的依賴，又降低了操作員的勞動強度，提高了工作質量。

開閉升降變頻器的參數設定如下表一、表二：

表一：開閉變頻器參數設定

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表二：升降變頻器參數設定

3.系統硬件設計

本系統硬件由西門子314CPU、西門子G120變頻器、操作手柄、繼電器等組成。

3.1變頻器控制

PLC的邏輯輸出通過繼電器隔離連接到變頻器的輸入點控制變頻器的啟停、調速、轉矩/速度切換。開閉變頻器的模擬量輸出AO0通道與升降變頻器模擬量輸入AI0通道實現主從連接;開閉變頻器的AO1通道信號輸入到PLC的模擬量模塊，通過PLC程序處理轉變為轉矩限幅后由PLC的模擬量模塊通道輸出給定到升降變頻器的AI1通道。

圖一：升降變頻器控制原理圖

圖二：開閉變頻器控制原理圖

3.2 PLC硬件配置

?? PLC的數字量輸入點有操作手柄的信號，數字量輸出點有變頻器的方向和速度切換，模擬量輸入輸出點分別是主軸力矩實際值和從軸力矩給定值。PLC選用西門子的S7-314C PN/DP，并分別選了一個數字量輸入輸出模塊做系統的連鎖控制。PLC的硬件配置圖如下：

圖三：PLC硬件組態圖

4.結束語

2臺抓斗起重機在琿春多金屬有限公司的安裝調試運行以來，設備一直穩定可靠，與普通抓斗起重機相比具有對機械設備沖擊小，調速平穩，大大降低操作員的勞動強度和操作難度，減少了崗位對操作經驗的依賴，并具有維修維護簡單，維修費用低的特點。

作者簡介：

歐陽倫云（1974—），男，湖南省洞口縣人，湖南株洲天橋起重機股份有限公司，電氣工程師，學士，起重機械的電氣設計、研發、項目管理及參與等工作。