论文部分内容阅读
随着现代科学技术的迅速发展，工业生产规模的扩大，桥式起重机在现代化生产过程中的应用越来越广泛，作用愈来愈大。但由于目前大多数桥式起重机自动化水平不高且功能单一，不能很好地适应企业生产的需求，影响企业的经济效益。
某企业购买一台5吨吊钩（单钩）桥式起重机，专供检修机械时作起吊之用，解决了检修机械起吊难等问题。后来因企业重组，决定将该检修车间改为搬运货物车间。该起重机能完全满足检修机械和搬运小批量产品的需求，但对于大批量的货物等产品的搬运，特别是搬运距离大时，就难以适应生产的需求，影响公司的生产效率。针对上述问题，公司决定对该车间的桥式起重机在原有点动的基础上进行技术改造。根据工厂的生产要求，经笔者反复思考，决定应用三菱PLC和变频器对桥式起重机进行改造。
一、技术改进的必要性
由于生产的需要，要求将大批量的货物由前方或前方的左、中、右搬运至后方，待后方货车装满后，货车离开后方，将货物运走。采用点动控制存在以下缺点：
第一，每次搬运时，操作员必须来回跟踪操纵其运动方向，对于操作员而言劳动强度大、生产效率低，距离远时这一问题更为突出。
第二，需要计数时必须人工计数，且易出错；计数（装满）完后，需人工叫喊提示。
第三，行车起吊货物水平移动时，由于惯性作用，停车精度低，货物容易晃动。
第四，空载返程时移动速度慢，等待时间长，影响生产效率。
二、改造思路及硬件改造措施
现根据公司生产实际，完善点动控制所存在的不足，如图1所示。
一是为实现纵向前后循环，在大车前方加装SQ6、SQ5行程开关，在大车后方加装SQ7、SQ4行程开关，其中利用SQ5、SQ7控制起重机大车在前后方回来循环运行，而SQ6、SQ4分别为大车前、后越位行程开关，起安全保护作用。
二是为实现在前方横向能左边或中间或右边吊货，在小车导轨的左方加装SQ12、SQ1行程开关，在小车导轨右方加装SQ2、SQ13行程开关，在小车导轨中间加装SQ11行程开关，其中利用SQ1、SQ2控制小车左右停靠位置，SQ12、SQ13起越位保护作用，SQ11为小车中间定位。
三是为实现点动、自动循环、计数、停止等功能，在原有六挡点动操纵板的基础上加装一块操纵板，其中，SB0为停止按钮，SB8为点动或自动循环切换按钮，SB9为计数按钮（根据生产需要供选择），SB10为装卸货延时按钮。两块操纵板均随大、小车移动。另外在装货处加装急停SB11。
四是为清楚起重机工作状态，增加电源或恢复供电指示灯HL1，纵向定位指示HL2，装满提示灯HL3，越位报警指示灯HL4。
五是因点动和自动循环是两种不同的工作状态，为充分利用现有按钮，将中间自动循环启动按钮与点动（下）SB1按钮共用，左吊货循环按钮与点动（左）SB3按钮共用，右吊货循环按钮与点动（右）SB4共用。
六是为了提高停车精度，减小行车停车的冲击，在纵向前、后位位置处加装SQ9、SQ10进行位置检测。
七是由于起重机改造后处于长时间工作状态，在主线路中加装热继电器。
三、PLC和变频器控制系统设计
1.可编程序控制器型号选择
根据输入、输出端口的需要，并考虑经济性，满足使用要求，可选用FX0N-40MR型号的日本三菱可编程序控制器。24个输入点和16个输出点。
2.变频器型号选择
电动葫芦、小车、大车的运行由一个变频器实现控制，由于电动葫芦起重电动机功率最大（7.5kW），所以所选变频器只要能满足电动葫芦电动机，其余大车、小车均能满足。已知起重电机型号ZD141-4，额定功率PM为7.5kW，额定电流IM为18A，k 取1.1，cosφ为0.75，η为0.85。
（1）选用变频器的功率
由公式Pcn≥可知
Pcn≥（1.1×7.5）÷(0.85×0.75)=12.94kW
由公式Icn≥kIM可知 Icn≥1.1×18=19.8A
（2）变频器类型的选择。因为起重机是恒转矩负载，并且对调速性能的要求不是很高,所以选用普通功能型的变频器，为了实现恒转矩，适当加大容量。
（3）确定变频器的型号。综合以上情况，确定选用FR-A540-15K-CH，铭牌参数如下：变频器容量：23.8kW；配接电动机：15kW；额定电流：31A。
3.软件编写
本程序主要采用步进指令编程，把自动循环和手动操纵分为两条通道，由SB8（X10）为选择条件。
（1）循环启动。当手动或自动切换按钮SB8常闭触点处闭合状态，SQ5常开触点闭合时，按下SB1或SB3或SB4按钮，将进入中间吊货或左、右吊货自动循环工作状态。
中间自动循环。设吊钩处于纵向前方（图2），SQ5常开闭合，按下中间自动循环启动按钮SB1（X1），此时不论小车在大车轨道的任一位置，小车将以工频频率80Hz快速定位到大车的中间位置，碰SQ11（X23）小车停止移动。吊钩开始以80Hz快速下降（长按SB1可调节其下降高度），下降时间到，等待装货。若装货时间需要较长可按SB10等待装货按钮。装货时间到，吊钩以工频频率50Hz提起货物运行（上升过程中或上升结束等待时，按SB2可调节其上升高度）。上升时间到，停止上升，稍等，大车以工频频率50Hz运行后移，碰行程开关SQ10（X7），大车以20Hz减速后移，碰行程开关SQ7（X17）后，稍等5秒，此时可左、右、前、后调节卸货位置，调整完后稍等5秒，钩吊以工频频率50Hz下降运行，下降时间到后，等待卸货。若卸货需要较长时间可按SB10，等待卸货。卸货完后，吊钩以80Hz快速上升，上升时间到，稍等2秒后，不论小车在大车轨道的任一位置，小车都将以工频频率80Hz快速定位到大车的中间位置，碰SQ11（X23）小车停止移动。紧接着大车以80Hz快速返回，碰SQ9（X27）大车以20Hz减速返回，碰SQ5（X15）后，按停止按钮，则大车停在装货位置上面，否则，吊钩又开始以80Hz快速下降，执行新一轮任务。
左吊货循环。按左吊货循环按钮SB3（X3），此时不论小车在大车轨道的任一位置，小车都将移到大车的左边位置，碰SQ1（X11）停止移动（如果小车已停在左边则小车不动）。动作同中间自动循环。
右吊货循环。按右吊货按钮SB4（X4），此时不论小车在大车轨道的任一位置，小车都将移到大车的右边位置，碰SQ2（X12）停止移动（如果小车已停在右边则小车不动）。动作同中间自动循环。
（2）停止。在任何自动循环状态时，按停止按钮SB0都需等待碰SQ5才停机。
（3）急停。在任何自动循环状态时，遇紧急情况时，按SB11能禁止所有输出（应用M8034）。
（4）計数/计数结束提示。点动或自动切换按钮SB8常闭触点处闭合状态，按下计数按钮SB9，
设吊钩处于纵向前方，SQ5常开闭合，按下自动循环启动按钮SB1或SB3或SB4则吊钩开始下降、装货、上升、大车向后碰SQ7（C17计数1次）、下降、卸货、上升（如果计数结束，HL3指示灯亮通知货车开走），大车继续向前，碰SQ5后（C16计数1次，C16、C17设定必须一致），如果计数结束，大车停在前方，吊钩不再下降，等待受令。
（5）六挡点动控制功能。点动或自动切换按钮SB8常闭触点处断开状态时，大、小车处于任何位置均可以实现点功能。
（6）来电或恢复供电指示功能。通电指示由Y04驱动，Y04通过特殊继电器M8000的常开触点联接，在PLC开机后，使Y04线圈被驱动，指示灯亮。
（7）越位报警功能。起重机运行时，当吊钩提升或大车作纵向或小车横向移动时，只要碰到限位开关SQ8、SQ4、SQ6、SQ12、SQ13，起重机则停止工作，报警灯亮。
4.PLC与变频器控制线路（图2）
四、结束语
该桥式起重机经改造后已经投入生产，经较长时间的运行，各项功能均满足了生产需求，系统性能稳定可靠，避免了急刹车所造成的振动，实现平稳运行。解决了生产中所遇到的实际问题，拓展了该起重机的应用范围，提高了生产效率，取得了良好的经济效益。
（作者单位：河源市高级技工学校）
某企业购买一台5吨吊钩（单钩）桥式起重机，专供检修机械时作起吊之用，解决了检修机械起吊难等问题。后来因企业重组，决定将该检修车间改为搬运货物车间。该起重机能完全满足检修机械和搬运小批量产品的需求，但对于大批量的货物等产品的搬运，特别是搬运距离大时，就难以适应生产的需求，影响公司的生产效率。针对上述问题，公司决定对该车间的桥式起重机在原有点动的基础上进行技术改造。根据工厂的生产要求，经笔者反复思考，决定应用三菱PLC和变频器对桥式起重机进行改造。
一、技术改进的必要性
由于生产的需要，要求将大批量的货物由前方或前方的左、中、右搬运至后方，待后方货车装满后，货车离开后方，将货物运走。采用点动控制存在以下缺点：
第一，每次搬运时，操作员必须来回跟踪操纵其运动方向，对于操作员而言劳动强度大、生产效率低，距离远时这一问题更为突出。
第二，需要计数时必须人工计数，且易出错；计数（装满）完后，需人工叫喊提示。
第三，行车起吊货物水平移动时，由于惯性作用，停车精度低，货物容易晃动。
第四，空载返程时移动速度慢，等待时间长，影响生产效率。
二、改造思路及硬件改造措施
现根据公司生产实际，完善点动控制所存在的不足，如图1所示。
一是为实现纵向前后循环，在大车前方加装SQ6、SQ5行程开关，在大车后方加装SQ7、SQ4行程开关，其中利用SQ5、SQ7控制起重机大车在前后方回来循环运行，而SQ6、SQ4分别为大车前、后越位行程开关，起安全保护作用。
二是为实现在前方横向能左边或中间或右边吊货，在小车导轨的左方加装SQ12、SQ1行程开关，在小车导轨右方加装SQ2、SQ13行程开关，在小车导轨中间加装SQ11行程开关，其中利用SQ1、SQ2控制小车左右停靠位置，SQ12、SQ13起越位保护作用，SQ11为小车中间定位。
三是为实现点动、自动循环、计数、停止等功能，在原有六挡点动操纵板的基础上加装一块操纵板，其中，SB0为停止按钮，SB8为点动或自动循环切换按钮，SB9为计数按钮（根据生产需要供选择），SB10为装卸货延时按钮。两块操纵板均随大、小车移动。另外在装货处加装急停SB11。
四是为清楚起重机工作状态，增加电源或恢复供电指示灯HL1，纵向定位指示HL2，装满提示灯HL3，越位报警指示灯HL4。
五是因点动和自动循环是两种不同的工作状态，为充分利用现有按钮，将中间自动循环启动按钮与点动（下）SB1按钮共用，左吊货循环按钮与点动（左）SB3按钮共用，右吊货循环按钮与点动（右）SB4共用。
六是为了提高停车精度，减小行车停车的冲击，在纵向前、后位位置处加装SQ9、SQ10进行位置检测。
七是由于起重机改造后处于长时间工作状态，在主线路中加装热继电器。
三、PLC和变频器控制系统设计
1.可编程序控制器型号选择
根据输入、输出端口的需要，并考虑经济性，满足使用要求，可选用FX0N-40MR型号的日本三菱可编程序控制器。24个输入点和16个输出点。
2.变频器型号选择
电动葫芦、小车、大车的运行由一个变频器实现控制，由于电动葫芦起重电动机功率最大（7.5kW），所以所选变频器只要能满足电动葫芦电动机，其余大车、小车均能满足。已知起重电机型号ZD141-4，额定功率PM为7.5kW，额定电流IM为18A，k 取1.1，cosφ为0.75，η为0.85。
（1）选用变频器的功率
由公式Pcn≥可知
Pcn≥（1.1×7.5）÷(0.85×0.75)=12.94kW
由公式Icn≥kIM可知 Icn≥1.1×18=19.8A
（2）变频器类型的选择。因为起重机是恒转矩负载，并且对调速性能的要求不是很高,所以选用普通功能型的变频器，为了实现恒转矩，适当加大容量。
（3）确定变频器的型号。综合以上情况，确定选用FR-A540-15K-CH，铭牌参数如下：变频器容量：23.8kW；配接电动机：15kW；额定电流：31A。
3.软件编写
本程序主要采用步进指令编程，把自动循环和手动操纵分为两条通道，由SB8（X10）为选择条件。
（1）循环启动。当手动或自动切换按钮SB8常闭触点处闭合状态，SQ5常开触点闭合时，按下SB1或SB3或SB4按钮，将进入中间吊货或左、右吊货自动循环工作状态。
中间自动循环。设吊钩处于纵向前方（图2），SQ5常开闭合，按下中间自动循环启动按钮SB1（X1），此时不论小车在大车轨道的任一位置，小车将以工频频率80Hz快速定位到大车的中间位置，碰SQ11（X23）小车停止移动。吊钩开始以80Hz快速下降（长按SB1可调节其下降高度），下降时间到，等待装货。若装货时间需要较长可按SB10等待装货按钮。装货时间到，吊钩以工频频率50Hz提起货物运行（上升过程中或上升结束等待时，按SB2可调节其上升高度）。上升时间到，停止上升，稍等，大车以工频频率50Hz运行后移，碰行程开关SQ10（X7），大车以20Hz减速后移，碰行程开关SQ7（X17）后，稍等5秒，此时可左、右、前、后调节卸货位置，调整完后稍等5秒，钩吊以工频频率50Hz下降运行，下降时间到后，等待卸货。若卸货需要较长时间可按SB10，等待卸货。卸货完后，吊钩以80Hz快速上升，上升时间到，稍等2秒后，不论小车在大车轨道的任一位置，小车都将以工频频率80Hz快速定位到大车的中间位置，碰SQ11（X23）小车停止移动。紧接着大车以80Hz快速返回，碰SQ9（X27）大车以20Hz减速返回，碰SQ5（X15）后，按停止按钮，则大车停在装货位置上面，否则，吊钩又开始以80Hz快速下降，执行新一轮任务。
左吊货循环。按左吊货循环按钮SB3（X3），此时不论小车在大车轨道的任一位置，小车都将移到大车的左边位置，碰SQ1（X11）停止移动（如果小车已停在左边则小车不动）。动作同中间自动循环。
右吊货循环。按右吊货按钮SB4（X4），此时不论小车在大车轨道的任一位置，小车都将移到大车的右边位置，碰SQ2（X12）停止移动（如果小车已停在右边则小车不动）。动作同中间自动循环。
（2）停止。在任何自动循环状态时，按停止按钮SB0都需等待碰SQ5才停机。
（3）急停。在任何自动循环状态时，遇紧急情况时，按SB11能禁止所有输出（应用M8034）。
（4）計数/计数结束提示。点动或自动切换按钮SB8常闭触点处闭合状态，按下计数按钮SB9，
设吊钩处于纵向前方，SQ5常开闭合，按下自动循环启动按钮SB1或SB3或SB4则吊钩开始下降、装货、上升、大车向后碰SQ7（C17计数1次）、下降、卸货、上升（如果计数结束，HL3指示灯亮通知货车开走），大车继续向前，碰SQ5后（C16计数1次，C16、C17设定必须一致），如果计数结束，大车停在前方，吊钩不再下降，等待受令。
（5）六挡点动控制功能。点动或自动切换按钮SB8常闭触点处断开状态时，大、小车处于任何位置均可以实现点功能。
（6）来电或恢复供电指示功能。通电指示由Y04驱动，Y04通过特殊继电器M8000的常开触点联接，在PLC开机后，使Y04线圈被驱动，指示灯亮。
（7）越位报警功能。起重机运行时，当吊钩提升或大车作纵向或小车横向移动时，只要碰到限位开关SQ8、SQ4、SQ6、SQ12、SQ13，起重机则停止工作，报警灯亮。
4.PLC与变频器控制线路（图2）
四、结束语
该桥式起重机经改造后已经投入生产，经较长时间的运行，各项功能均满足了生产需求，系统性能稳定可靠，避免了急刹车所造成的振动，实现平稳运行。解决了生产中所遇到的实际问题，拓展了该起重机的应用范围，提高了生产效率，取得了良好的经济效益。
（作者单位：河源市高级技工学校）