3

改造后电气系统控制原理

3.1

电源控制电源电缆由接线箱通过起重机中心受电器引至总电源总断路器，再引至变幅

/

旋转控制柜、起升

PLC

控制柜，向各工作机构及其它用电系统供电。

总电源断路器设置在电源

/

起升柜中，整机工作电源由总电源断路器出线端引出，向机上各

机构的主回路供电。

联动台上设有紧停按钮，

紧急情况下可用来分断总电源断路器，

切断整

机工作电源。

总电源部分设置了电流表、

电压表和电压表换相开关，

检测电源各相电压是否

平衡或缺相以及工作电流。

设置的相序检测功能在进线电源相序相反的情况下，

系统将会无

法启动并报故障。

电源柜中设置

AC380V/AC220V

的控制变压器和照明变压器各

1

个，

为紧停回路、

各工作机

构控制回路、

PLC

电路、系统信号和照明提供电源。

3.2起升机构  起升机构2台YZR280S－8型45kW电动机采用常规转子串电阻调速，能耗制动控制方式。通过联动台主令控制器给PLC信号，相应切除各级电阻实现电动机调速。抓斗开闭通过联动台脚踏开关控制。PLC根据程序输出各信号，控制上升或下降速度。力矩限制器设定为100%额定负载（或力矩）时自动报警，110%额定负载则安全装置起作用，货物只能下降不能上升且旋转变幅机构不能动作。起升机构设有起升（下降）减速和终点2道独立限位。 3.3变幅机构变幅机构1台YZR225M－6型30kW电动机采用常规转子串电阻调速。通过联动台主令控制器给PLC信号来相应切除各级电阻实现电动机调速。变幅机构设有减幅（增幅）减速和终点2道独立限位。  3.4旋转机构旋转机构1台YZR225－8型22kW电动机，采用转子回路串电阻调速。旋转机构的静压缸制动器通过脚踏制动联锁开关，保证切断电动机电源，避免电动机在通电情况下抱闸引起过载。通过联动台主令控制器给PLC信号，相应切除各级电阻实现旋转转速的改变。  3.5PLC控制系统  <此处内容被屏蔽>1硬件组成和应用软件  整机控制系统采用欧姆龙公司C200H系列PLC，模块化结构，其中PLC的CPU选用CPU42－E1个，数字量输入模块IA2226个，数字量输出模块OC2252个。应用软件由Windows界面下的CX－P支持。 <此处内容被屏蔽>2主要结构功能  1）PLC输入接口除接受来自主令控制器、按钮旋钮（吊钩/抓斗转换、强迫增幅、能耗制动等各外部命令）、起升限位、变幅限位等控制信号外，还接受各断路器（起升主断路器、旋转主断路器、变幅主断路器等）、接触器（上升接触器、下降接触器、起升速度1接触器、起升速度2接触器等）以及超负荷限制器等辅助触点信号，作为故障诊断和联锁用途。 2）在PLC接入地址表中共有199个地址，其中序号1～73为PLC输入地址，序号74～102为PLC输出地址，序号103～153为故障继电器地址，序号154～194为内部变量地址，序号195～199为内部数据地址。  3）起升、变幅、旋转各机构通过PLC控制切转子电阻来实现调速。  4）PLC和触摸屏通过RS232C接口连接，按串口协议进行通讯。各机构的操作指令信号和检测指令信号，全部通过PLC统一处理。  5）触摸监视屏对PLC各种开关量实时监控功能，分主菜单起始画面、起升界面、开闭界面、旋转界面、变幅界面、PLC输入输出点状态、实时故障、历史故障、各机构回路状态、帮助等各个界面，进入各个界面可以获得各种需要的信息。 3.6PLC温控调节装置  考虑到码头露天工作夏季高温环境，对PLC控制柜实施风扇排气通风－空调器温控调节技术（控制原理见图1），即在控制柜顶部安装排气风扇，在PLC柜右侧面加装一个机柜空调器。在夏季环境气温下，将断路器1接通，机柜空调器得电运转，接触器线圈得电后使其串在风机回路的常闭点断开，柜内风机断电停止运转，控制柜处于空调降温工况。在其它季节环境气温下，将断路器1断开，机柜空调器失电不工作，柜内风机得电运行，控制柜处于风机降温工况。空调器的工作温度可以设定调节。 图1机柜空调—风机电路控制原理 3.7系统保护及照明  1）根据起重机械安全技术要求，系统设置的电气保护包括：过流、短路、缺相保护、欠压、过压、相序、主令零位、机构极限位、超载保护。其中欠压、过压、相序、主令零位、机构极限位、超载保护由PLC控制。  

2）照明系统由1台AC380V/AC220V变压器单独供电。照明系统独立于系统主回路，不受PLC控制。  3.8联动台主要功能  1）试灯按钮，用于检查联动台面板上所有指示灯是否损坏； 2）紧停按钮，保留直接连线，用于紧急情况下切断总断路器，断开整机工作电源，即使PLC功能失效也能实现紧急停机；  3）蜂鸣器，用于提示起重机电气部分发生故障或机构运行到达极限位置时报警；  4）故障复位按钮，使所有故障复位，同时存贮故障内容，并使故障监控系统保持一定容量，以便查询；  5）主令控制器带有机械连锁、自动回零功能用来控制各个机构的启动、调速与停止； 6）除了紧停按钮外，联动台的其它所有按钮、主令、旋钮信号进入PLC输入模块，各指示灯、蜂鸣器由PLC输出模块直接输出显示。 4两种控制方式比较 4.1原控制方式  该机原配电气系统采用常规继电器控制，以起升机构为例：起升允许功能就需要总电源通电、继电器通、起升控制电源开关通、起升制动器电源开关通、起升电机热继电器正常等信号分别串入，才允许工作。起升工作需要主令控制器发出上升命令，并在限位允许信号、超载允许信号、下降不工作信号、能耗不工作信号同时出现，上升接触器动作，电机才启动。加速时，主令控制器发出加速命令，一系列的中间继电器、时间继电器通过接触器分别将接入起升电机转子侧的外接电阻依次切除，使电机达到额定转速才达到加速的目的。整个过程需要多个中间继电器和时间继电器的辅助触点进行连接。 4.2PLC控制方式  改造后，PLC内部实现的逻辑控制将控制命令和目标继电器分离，对各控制点进行集中管理和显示屏显示。同样以起升机构为例：起升各个空气开关、热继电器、限位、接触器的辅助触点进入PLC输入模块，起升命令通过主令操作直接输入PLC，PLC内部进行逻辑运算后通过输出模块输出给起升或加速继电器，继电器控制接触器动作，电机便可实现启动和加速。正反转延时切换也不再采用时间继电器，而由PLC内部提供的软时间继电器通过程序对时间进行设定。 4.3PLC控制的优点 4.3.1元件减少结构简化  PLC控制相对于原机常规继电器控制，减少了所有的6个时间继电器，减少的中间继电器触点达149个（其中起升部分触点71个，旋转部分29个，变幅部分49个）。利用PLC内部无触点继电器的特点，使电控系统元件大幅减少，结构得以简化，为降低故障发生频率，提高运行可靠性提供了可靠的设备保证。 4.3.2动作可靠故障率降低  与原控制方式比较，PLC控制作为集成的逻辑器件，输入信号为各器件的单独信号，不与其它器件进行串并联，仅需必要的控制信号、反馈信号和保护信号，不需要其它中间继电器进行转接。同时反馈信号的输入可以实现PLC自动故障检测。输出信号直接到各接触器，因此动作可靠，其平均无故障时间远远高于继电器控制系统。 4.3.3控制简单操作灵敏调试方便  PLC作为可编程设备，逻辑控制完全由PLC的CPU完成，大大减少了逻辑控制的硬连线。工况更改时，仅需要改变程序，就可满足要求，尤其是在进行起升、变幅或旋转的复合工况操作时，机构反应灵敏，动作更为协调，使吊机作业效率得以大幅度提高。调试时，仅需要对程序进行调试，无需更改硬件回路，大大节省了调试时间，使系统控制更快捷。本项改造 

安装完成后的调试仅花了4h，且获得一次性成功。抓斗启闭、起升、变幅和旋转等各种作业动作，调试人员完全根据操作人员的要求，通过时间数字的调整变换得以实现。  4.3.4查找故障快捷方便系统一旦出现故障，只要看启动、停止和输出信号。其连接线路正常与否，可通过PLC模块上相应的信号状态就可确定，十分简单明了。通过采集到的信号进入PLC，可以清楚地在故障显示屏上看到该接触器的工作状态，也就是说只要是接入PLC的信号，就能很容易知道其状态，是在工作位还是在故障位，排除故障所需时间大大缩短。5主要元件选型  1）柜内低压元器件（断路器、接触器、中间继电器、热继电器、选择开关、信号指示灯、按钮等）采用施耐德产品，其它电器件选用合资或国产优质产品； 2）PLC选用OMRONC200HE系列产品；  3）端子排采用AZ1系列产品，端子排上接线端子采用O型冷压头； 4）触摸屏采用GP2301S彩色中文触摸屏。 6使用效果  1）该机于2007－12月底改造调试完成，经上海市特种设备监督检验技术研究院现场安全检验合格，正式投入生产运行。PLC控制的可靠性使电控系统原先频发的故障得到了消除，至目前为止，改造后的电控系统已连续无故障运行2年时间。较改造前相比，吊机可开动率提高5%左右，年创效益15万元以上。  2）PLC控制使起重机起升、变幅和旋转3种工况的复合操作更为灵敏可靠，装卸作业效率得到提高。  3）机柜空调温控平衡技术的应用，确保了PLC元件在夏季高温环境下的可靠运行，为改造方案的有效实施提供了可靠保证。  4）触摸屏应用使故障原因得到快速查找，2008年因电网电压波动引起的1次故障停机，在触摸屏准确的提示下通过设计人员的远程指导使故障很快得到确认并排除。  7结语该机改造后2年多时间的连续可靠运行表明，本项改造完全达到了预期目标，为今后另外2台同类起重机应用这一技术实施改造提供了切实可靠的依据。  

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改造后电气系统控制原理

3.1

电源控制电源电缆由接线箱通过起重机中心受电器引至总电源总断路器，再引至变幅

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旋转控制柜、起升

PLC

控制柜，向各工作机构及其它用电系统供电。

总电源断路器设置在电源

/

起升柜中，整机工作电源由总电源断路器出线端引出，向机上各

机构的主回路供电。

联动台上设有紧停按钮，

紧急情况下可用来分断总电源断路器，

切断整

机工作电源。

总电源部分设置了电流表、

电压表和电压表换相开关，

检测电源各相电压是否

平衡或缺相以及工作电流。

设置的相序检测功能在进线电源相序相反的情况下，

系统将会无

法启动并报故障。

电源柜中设置

AC380V/AC220V

的控制变压器和照明变压器各

1

个，

为紧停回路、

各工作机

构控制回路、

PLC

电路、系统信号和照明提供电源。

3.2起升机构  起升机构2台YZR280S－8型45kW电动机采用常规转子串电阻调速，能耗制动控制方式。通过联动台主令控制器给PLC信号，相应切除各级电阻实现电动机调速。抓斗开闭通过联动台脚踏开关控制。PLC根据程序输出各信号，控制上升或下降速度。力矩限制器设定为100%额定负载（或力矩）时自动报警，110%额定负载则安全装置起作用，货物只能下降不能上升且旋转变幅机构不能动作。起升机构设有起升（下降）减速和终点2道独立限位。 3.3变幅机构变幅机构1台YZR225M－6型30kW电动机采用常规转子串电阻调速。通过联动台主令控制器给PLC信号来相应切除各级电阻实现电动机调速。变幅机构设有减幅（增幅）减速和终点2道独立限位。  3.4旋转机构旋转机构1台YZR225－8型22kW电动机，采用转子回路串电阻调速。旋转机构的静压缸制动器通过脚踏制动联锁开关，保证切断电动机电源，避免电动机在通电情况下抱闸引起过载。通过联动台主令控制器给PLC信号，相应切除各级电阻实现旋转转速的改变。  3.5PLC控制系统  <此处内容被屏蔽>1硬件组成和应用软件  整机控制系统采用欧姆龙公司C200H系列PLC，模块化结构，其中PLC的CPU选用CPU42－E1个，数字量输入模块IA2226个，数字量输出模块OC2252个。应用软件由Windows界面下的CX－P支持。 <此处内容被屏蔽>2主要结构功能  1）PLC输入接口除接受来自主令控制器、按钮旋钮（吊钩/抓斗转换、强迫增幅、能耗制动等各外部命令）、起升限位、变幅限位等控制信号外，还接受各断路器（起升主断路器、旋转主断路器、变幅主断路器等）、接触器（上升接触器、下降接触器、起升速度1接触器、起升速度2接触器等）以及超负荷限制器等辅助触点信号，作为故障诊断和联锁用途。 2）在PLC接入地址表中共有199个地址，其中序号1～73为PLC输入地址，序号74～102为PLC输出地址，序号103～153为故障继电器地址，序号154～194为内部变量地址，序号195～199为内部数据地址。  3）起升、变幅、旋转各机构通过PLC控制切转子电阻来实现调速。  4）PLC和触摸屏通过RS232C接口连接，按串口协议进行通讯。各机构的操作指令信号和检测指令信号，全部通过PLC统一处理。  5）触摸监视屏对PLC各种开关量实时监控功能，分主菜单起始画面、起升界面、开闭界面、旋转界面、变幅界面、PLC输入输出点状态、实时故障、历史故障、各机构回路状态、帮助等各个界面，进入各个界面可以获得各种需要的信息。 3.6PLC温控调节装置  考虑到码头露天工作夏季高温环境，对PLC控制柜实施风扇排气通风－空调器温控调节技术（控制原理见图1），即在控制柜顶部安装排气风扇，在PLC柜右侧面加装一个机柜空调器。在夏季环境气温下，将断路器1接通，机柜空调器得电运转，接触器线圈得电后使其串在风机回路的常闭点断开，柜内风机断电停止运转，控制柜处于空调降温工况。在其它季节环境气温下，将断路器1断开，机柜空调器失电不工作，柜内风机得电运行，控制柜处于风机降温工况。空调器的工作温度可以设定调节。 图1机柜空调—风机电路控制原理 3.7系统保护及照明  1）根据起重机械安全技术要求，系统设置的电气保护包括：过流、短路、缺相保护、欠压、过压、相序、主令零位、机构极限位、超载保护。其中欠压、过压、相序、主令零位、机构极限位、超载保护由PLC控制。  

2）照明系统由1台AC380V/AC220V变压器单独供电。照明系统独立于系统主回路，不受PLC控制。  3.8联动台主要功能  1）试灯按钮，用于检查联动台面板上所有指示灯是否损坏； 2）紧停按钮，保留直接连线，用于紧急情况下切断总断路器，断开整机工作电源，即使PLC功能失效也能实现紧急停机；  3）蜂鸣器，用于提示起重机电气部分发生故障或机构运行到达极限位置时报警；  4）故障复位按钮，使所有故障复位，同时存贮故障内容，并使故障监控系统保持一定容量，以便查询；  5）主令控制器带有机械连锁、自动回零功能用来控制各个机构的启动、调速与停止； 6）除了紧停按钮外，联动台的其它所有按钮、主令、旋钮信号进入PLC输入模块，各指示灯、蜂鸣器由PLC输出模块直接输出显示。 4两种控制方式比较 4.1原控制方式  该机原配电气系统采用常规继电器控制，以起升机构为例：起升允许功能就需要总电源通电、继电器通、起升控制电源开关通、起升制动器电源开关通、起升电机热继电器正常等信号分别串入，才允许工作。起升工作需要主令控制器发出上升命令，并在限位允许信号、超载允许信号、下降不工作信号、能耗不工作信号同时出现，上升接触器动作，电机才启动。加速时，主令控制器发出加速命令，一系列的中间继电器、时间继电器通过接触器分别将接入起升电机转子侧的外接电阻依次切除，使电机达到额定转速才达到加速的目的。整个过程需要多个中间继电器和时间继电器的辅助触点进行连接。 4.2PLC控制方式  改造后，PLC内部实现的逻辑控制将控制命令和目标继电器分离，对各控制点进行集中管理和显示屏显示。同样以起升机构为例：起升各个空气开关、热继电器、限位、接触器的辅助触点进入PLC输入模块，起升命令通过主令操作直接输入PLC，PLC内部进行逻辑运算后通过输出模块输出给起升或加速继电器，继电器控制接触器动作，电机便可实现启动和加速。正反转延时切换也不再采用时间继电器，而由PLC内部提供的软时间继电器通过程序对时间进行设定。 4.3PLC控制的优点 4.3.1元件减少结构简化  PLC控制相对于原机常规继电器控制，减少了所有的6个时间继电器，减少的中间继电器触点达149个（其中起升部分触点71个，旋转部分29个，变幅部分49个）。利用PLC内部无触点继电器的特点，使电控系统元件大幅减少，结构得以简化，为降低故障发生频率，提高运行可靠性提供了可靠的设备保证。 4.3.2动作可靠故障率降低  与原控制方式比较，PLC控制作为集成的逻辑器件，输入信号为各器件的单独信号，不与其它器件进行串并联，仅需必要的控制信号、反馈信号和保护信号，不需要其它中间继电器进行转接。同时反馈信号的输入可以实现PLC自动故障检测。输出信号直接到各接触器，因此动作可靠，其平均无故障时间远远高于继电器控制系统。 4.3.3控制简单操作灵敏调试方便  PLC作为可编程设备，逻辑控制完全由PLC的CPU完成，大大减少了逻辑控制的硬连线。工况更改时，仅需要改变程序，就可满足要求，尤其是在进行起升、变幅或旋转的复合工况操作时，机构反应灵敏，动作更为协调，使吊机作业效率得以大幅度提高。调试时，仅需要对程序进行调试，无需更改硬件回路，大大节省了调试时间，使系统控制更快捷。本项改造 

安装完成后的调试仅花了4h，且获得一次性成功。抓斗启闭、起升、变幅和旋转等各种作业动作，调试人员完全根据操作人员的要求，通过时间数字的调整变换得以实现。  4.3.4查找故障快捷方便系统一旦出现故障，只要看启动、停止和输出信号。其连接线路正常与否，可通过PLC模块上相应的信号状态就可确定，十分简单明了。通过采集到的信号进入PLC，可以清楚地在故障显示屏上看到该接触器的工作状态，也就是说只要是接入PLC的信号，就能很容易知道其状态，是在工作位还是在故障位，排除故障所需时间大大缩短。5主要元件选型  1）柜内低压元器件（断路器、接触器、中间继电器、热继电器、选择开关、信号指示灯、按钮等）采用施耐德产品，其它电器件选用合资或国产优质产品； 2）PLC选用OMRONC200HE系列产品；  3）端子排采用AZ1系列产品，端子排上接线端子采用O型冷压头； 4）触摸屏采用GP2301S彩色中文触摸屏。 6使用效果  1）该机于2007－12月底改造调试完成，经上海市特种设备监督检验技术研究院现场安全检验合格，正式投入生产运行。PLC控制的可靠性使电控系统原先频发的故障得到了消除，至目前为止，改造后的电控系统已连续无故障运行2年时间。较改造前相比，吊机可开动率提高5%左右，年创效益15万元以上。  2）PLC控制使起重机起升、变幅和旋转3种工况的复合操作更为灵敏可靠，装卸作业效率得到提高。  3）机柜空调温控平衡技术的应用，确保了PLC元件在夏季高温环境下的可靠运行，为改造方案的有效实施提供了可靠保证。  4）触摸屏应用使故障原因得到快速查找，2008年因电网电压波动引起的1次故障停机，在触摸屏准确的提示下通过设计人员的远程指导使故障很快得到确认并排除。  7结语该机改造后2年多时间的连续可靠运行表明，本项改造完全达到了预期目标，为今后另外2台同类起重机应用这一技术实施改造提供了切实可靠的依据。