管成程 江 波
青岛港湾职业技术学院电气工程系
摘 要：可编程控制器与变频器控制系统得到普遍的应用，老式的接触器继电器控制系统基本被淘汰，利用西门子200SMART-变频器MM420控制系统对老式交流起货机进行改造后，新起货机系统灵活可靠，功能更强大，便于调试与维护，并增加了实训项目。
关键词：交流起货机； 西门子S7-200SMART； PLC改造； 变频器
青岛港湾职业技术学院原有1台交流起货机教学模拟器，该设备比较陈旧，由接触器继电器构成控制系统，通过主令开关的控制，实现电机三速运转演示。为更加贴近生产实际，通过比较选型，确定用西门子200SMART-变频器MM420控制系统对本交流起货机进行改造，改造后，新起货机系统灵活可靠，功能更强大，便于调试与维护，并增加了实训项目。
交流起货机属于短时工作制，工作过程中要不断实现加减速、换向等控制，在工作过程中有以下控制要求：
(1) 在启动控制过程中，能够实现逐级启动，为了防止野蛮操作，从主令控制器的零位到高速档必须设置延时。
(2) 在制动过程中，为了缓解制动的冲击，主令控制器由高速直接到零位时，需要分别经过电气制动—机械与电气联合制动—机械制动三级制动过程。
(3) 为防止中高速档的直接反接制动造成冲击过大，高速档正反转换时必须经过零位自动制动停车过程，实现逆转矩保护。
(4) 利用顺序控制防止货物下放溜钩，如只有在中速绕组得电后低速绕组才可断电，高速绕组得电后中速绕组才可断电。
(5) 对于恒功率控制，需设重载不上高速控制环节，当负载较大时，即使主令手柄处于高速档，也会自动回到中速挡。
(6) 其他联锁保护，如风机运行后起货机才可启动；制动器通电打开起货机后才可启动；还有失压、单相、过热和短路保护等。
该起货机原有接触器继电器控制系统原理图如图1所示，可以完成上述控制要求，但控制线路复杂、元器件多，且易发生故障，影响设备的正常运转。
考虑到工矿企业应用技术的情况，确定使用可编程控制器加变频器配合控制系统，替代原有的接触器继电器控制系统，既方便简单又有利于系统改造，能保证改造完成后控制系统的稳定性和可靠性，且维护方便、功能强大、便于升级。
改造后的控制系统外部接线图如图2所示。
图1 起货机接触器继电器控制系统原理图
图2 起货机改造外部接线图
主令手柄的控制信号通过PLC输入模块的功能运算，把相应速度指令下达给变频器，变频器接受到相关速度指令后，按照一定频率和电压控制电机，根据输入要求输出相应转速和力矩。为方便控制，提高通讯可靠性，采用USS-485通讯控制，既可充分利用PLC的编程优势，又可便捷的进行信息交互。PLC的程序控制可以通过编写梯形图完成，变频器的安装使用主要在于外部线路的连接和与PLC之间的通讯。为完成辅助设备控制，用中间继电器KA1控制风机，用中间继电器KA2控制制动器。
考虑到交流起货机程序编写不是特别复杂，所以采取一般经验编写法即可完成梯形图的编写。PLC与变频器采用RS485-USS通讯，把变频器参数设置放在PLC程序中完成。依据控制要求设置PLC输入输出端口分配表(见表1)。
表1 输入输出分配表
I/M/O分配表输入输出名称符号地址名称符号地址风机输入控制SB1I0.0风机KA1Q0.0启动SB2I0.1制动器KA2Q1.5停止SB3I0.2正转高速M1.0主令手柄QMAIW正转中速M1.1力矩传感器PTI.0正转低速M1.2零档M1.3反转低速M1.4反转中速M1.5反转高速M1.6
起货机的顺序控制流程见图3，依据输入输出端口的分配和控制流程，编制了相应的PLC梯形图程序。
PLC程序中共有7个速度指令，根据主令手柄的编码输入：当手柄编码输入0～500之间编码，PLC下达高速正转指令给辅助寄存器M1.0；当手柄编码输入500～1 000之间编码，PLC下达中速正转指令给辅助寄存器M1.1；当手柄编码输入1 000～1 500之间编码，PLC下达低速正转指令给辅助寄存器M1.2；当需要回零速，主令手柄发出1 500～2 000编码信号，辅助寄存器M1.3接受零速信号；当手柄编码分别输入2 000～2 500时，辅助寄存器M1.4发出反转低速指令；当手柄编码输入2 500～3 000时，辅助寄存器M1.5发出反转中速指令；当手柄编码输入3 000～3 500编码时，辅助寄存器M1.6发出反转高速指令。
图3 起货机流程图
由于选用USS-485通讯，需要初始化USS指令，同时将波特率设置为 9 600 bps，设置物理通信端口( CPU 中集成的 RS485)，激活地址为3的变频器。可以直接把PLC信息传达给变频器。First_Scan_on为系统特殊寄存器SM0.1，作用为仅在第一个扫描周期时接通。
采用USS对变频器控制：I0.1为启动命令，I0.2变频器快速停车命令，变频器地址为3，速度给定值为VD20(见图4)。
图4 USS控制变频器程序
利用MOV传送指令，把主令编码所对应的辅助寄存器传送给变频器速度给定VD20。作为保护，为防止野蛮操作，从主令控制器的零位到高速档之间都设置2 s时间延时，而且上高速档之前，重载感应无动作，才可以执行高速，否则自动延时2 s后切换成中速。实现重载不上高速保护。设置变频器控制电动机运行对应频率：低速、中速、高速分别为速度输出频率的30.0%、60.0%和100.0%。
外接电路中原电流继电器改成力矩限制器，感应重载信号，PLC程序中用输入继电器I1.0对应，当感应到有信号时，利用定时器T38延时2 s，重新回到中速档。重载感应程序见图5。
图5 重载感应程序
改造完成后，可编程变频器控制系统比接触器继电器控制系统更加强大，通过程序设定和修改增加了学生的实训项目，设备得到更加广泛地应用，除了原电气类专业同学使用，物流机械专业同学也可以安排实训，并且可以把相对单一的练习变成难度可调的综合性实训。可编程变频器控制系统可靠性高，不容易损坏，减少了设备维护维修时间，增加了学生实践时间，使用效果得到一致好评。
参 考 文 献：
[1] 陈兰,张苏新.船舶起货机系统的PLC电气控制系统的设计[J].时代农机，2016(6)：60-61.
[2] 朱奕丹，方怡冰，黄义新.应用可编程序控制器实现船舶起货机控制[J].交通与计算机，2000(1)：58-59.
[3] 孙增华.船舶起货机PLC复合控制的实现[J].机电设备.2010(3)：16-17.
管成程： 266404，山东省青岛市胶南大学一路青岛港湾职业技术学院
The Reconstruction of AC Cargo Winch based on the Programmable Controller and Inverter Control
Guan Chengcheng Jiang Bo
Department of Electrical Engineering, Qingdao Harbour Vocational and Technical College
Abstract：The programmable controller and inverter control system have been widely used, which cause the traditional contactor relay control system to be eliminated. Through the reconstruction of old AC cranes with SIEMENS 200 SMART-inverter MM420 control system, the new crane system becomes more flexible, reliable and powerful, which makes it easier for debugging and maintenance. Practical training items have also been added in the system.
Key words：AC crane; siemens S7-200SMART; PLC transformation; inverter
收稿日期：2017-02-08
DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2017.03.013
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