基于PLC小型矿用桥式起重机的设计

李盼盼

【摘 要】针对继电接触器控制的传统桥式起重机在复杂环境下的矿区持续高负荷运行时，具有能耗大、故障多、不灵敏等缺点，而变频器控制的新式桥式起重机成本较高且调速范围窄，本设计采用三菱PLC作为控制系统，应用双速变极调速模式，整合软硬件技术双重设置，确保此矿用桥式起重机在矿井上下安全高效地运作，同时较大的降低了其应用成本。

【关键词】PLC；桥式起重机；双速变极；矿用

【Abstract】Aiming at the problems of energy-wasting， multi-fault and insensitive on the traditional mining bridge crane controlled by relay contactor in the complex environmental mining areas when operating continuously with high load， and the cost of the new bridge crane controlled by VFD is very high with a narrow range of speed. In this design ，the mining bridge crane uses Mitsubishi PLC as bridge crane control system， it adopts the control mode of two-speed pole-changing， and integrates software and hardware technologies into dual set， which ensures that this kind of bridge crane can operate safely and efficiently in mining areas. At the same time， this design greatly reduces the cost of mining bridge crane.

【Key words】PLC； Bridge crane； Two-speed pole-changing； Mining

桥式起重机专用于近距离转移设备和物料，主要包括横向机构、进退机构和升降机构三部分。目前，小型矿区普遍采用的桥式起重机较为传统，其主要采用继电接触器和凸轮控制器进行控制和调速。由于矿区的工作环境较差，粉尘多，任务重，传统桥式起重机的电路和机械系统易受外围环境影响，表现出较高的故障率、较差的可靠性和极为复杂的维护保养；而近年来流行的变频器控制的桥式起重机价格昂贵，且变频调速的范围较窄，有一定的技术缺陷[2]。鉴于PLC的安全高效特性，现以高性价比和安全操作为出发点，应用三菱PLC对矿用桥式起重机的控制系统加以设计改造，提高矿用桥式起重机的操作精度，减小故障率；考虑到矿区机械需低速启动，高速作业的实际需求，通过改变电机内部电路优化其调速特性，避免电火花的产生，使其能够符合矿区复杂的生产要求和安全标准；此外，井下作业时，井下空间对桥式起重机有较为苛刻的限制，本设计通过缩减横向机构的机械体积，减少升降机构的数量等方式，有效的适应了井下复杂的作业条件。

1 硬件设计

为了简化操作流程，本设计采用单独主钩模式，主电路的主要功能包括主钩升降运行、小车进退运行、大车横向运行和电动机变极高低速运行。大车、小车和主钩的电动机均选择鼠笼型电机，其额定功率大小需分等级，大车的双电动机的额定功率最大，小车和主钩的单电动机的额定功率略小。异步电动机的转速n=60f（1-s）/p，改变其极对数就可以实现双速模式。主电路的内部和外部保护包括短路保护、过载保护和机械制动保护。短路保护和过载保护分别采用标准的熔断器和热继电器，机械制动设计模块应用电磁抱闸。改进设计的矿用桥式起重机的主电路图如图1所示。本矿用桥式起重机的PLC控制系统的整体设计需要分配17个输入点和14个输出点，综合考虑整体20%的裕量：需输入点数为： 17*（1+20%）=20.4；需输出点数为： 14*（1+20%）=16.8；考虑到桥式起重机在矿区需要有较低的运行频率和较大的运行电流，其PLC型号选择继电器输出方式的三菱FX2N-48MR。为防止PLC软硬件之间的响应速度发生冲突，本设计采用PLC软件和硬件双重互锁的方式来保障系统电路的安全。PLC接线图如图2所示。

2 软件设计

考虑同一运行机构的各部分或者不同运行机构同时运行时易发生安全事故，需要在软件中设置主运行机构的软件互锁，其包括升降互锁、进退互锁、左右行互锁以及其它必要的互锁；为了保证地面人员和物品的安全，矿用桥式起重机所吊物品需高于安全高度，大车和小车在运行前应该确保主钩上升到上限位，考虑井下作业的空间有限，横向机构尺寸缩减1/3，并且去掉副钩装置。

调速控制软件要求兼有双速互锁和单向短延时功能：直接低速运行命令时，正常响应运行；直接高速运转行命令时，软件作用电动机优先短时间低速运行后，再转向高速运行。暂停软件设计中应用线圈型特殊辅助继电器实现暂停功能；限位报警的软件设计要求起重机各部位触动限位开关时，对应的限位软件作用，停止当前运行，硬件响应具体对应的限位报警。桥式起重机的PLC控制梯形图如图3所示。

3 结论

传统矿用桥式起重机的控制系统故障率高，损耗较大，技术日趋落后；PLC联合变频器控制的桥式起重机成本非常高，且调速范围局限。本设计将三菱PLC应用于矿用桥式起重机的改进设计中，整合新老技术和软硬件资源，提高矿用桥式起重机的可靠性和灵活性，减小操作难度和能源损耗，简化整机的操作与维护难度。在综合考虑低成本和矿区实用性的前提下，采用双速电动机变极调速取代传统调速和变频调速，调速特性平稳的同时兼顾防爆性，场所针对性较强；此外，本设计优化机械装置，缩减体积和多余功能以适应其在井下特定空间作业。目前此种桥式起重机已在矿区得到初步测试。

【参考文献】

[1]王阿根.电气可编程控制原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2]王宇红.小型煤矿桥式起重机的PLC改造[J].煤矿机械，2012，33（6）：191-193.

[3]时蕾.基于S7-300PLC的起重机变频调速系统设计[J].2011，30（3）：59-61.

[4]强宝民.基于PLC与变频器的智能起重机系统设计[J].2012，6：787-791.

[5]王国强.基于PLC桥式起重机变频调速控制系统[J].仪器仪表用户，2010，17（6）：35-37.

[责任编辑：杨玉洁]