橋式起重機是橫架于車間、倉庫和料場上空進行物料吊運的起重設(shè)備。由于它的兩端坐落在高大的水泥柱或者金屬支架上，形狀似橋。本文主要針對變頻器及PLC在陸水電廠橋式起重機控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用進行了一些論述，文章是一篇工程師論文范文。
　　摘要： 陸水電廠現(xiàn)有一臺75t/20t橋式起重機，該起重機經(jīng)過40多年的運行，元器件存在磨損、老化等缺陷，電氣控制采用老式接觸器加變阻箱結(jié)構(gòu)，在橋機的使用過程中存在較大的安全隱患，為此我廠決定對橋機所有電氣設(shè)備進行更換，電控部分采用變頻器及PLC技術(shù)對傳統(tǒng)的繼電器-接觸器調(diào)速控制裝置進行了優(yōu)化設(shè)計。本文總結(jié)了優(yōu)化設(shè)計的整體思路和設(shè)計內(nèi)容，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，變頻器和PLC型號、配置等內(nèi)容。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，橋式起重機的調(diào)速更靈敏，故障率明顯下降，整體的工作性能更加穩(wěn)定。

　　Abstract： There is a 75t/20t bridge crane in Lushui Power Plant. This crane has operated more than 40 years， the components has abrasion， maturing and other defects. The electrical control of it uses medieval structure of contactor with variable resistance box. There is a big security hidden danger in the process of the use of the bridge machine. So， our plant decides to replace all the electrical equipment of the bridge machine. In the electric control part， the frequency converter and PLC technology are adopted to optimize and design the traditional relay-contactor speed control device. This paper summarizes the overall ideas and design content of the optimal design， including the system structure optimization， the model and configuration of frequency converter and PLC， etc. After optimization design， the speed control of bridge crane more sensitive， the failure rate is significantly decrease， the overall performance is more stable.

　　關(guān)鍵詞： PLC,變頻器,橋式起重機

　　Key words： PLC;transducer;bridge crane

　　0 引言

　　橋式起重機是電廠常用設(shè)備之一。傳統(tǒng)橋式起重機的電力拖動系統(tǒng)采用交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻的方式控制電動機啟動或調(diào)速，這種控制裝置叫做繼電器-接觸器控制。這種控制系統(tǒng)功能復(fù)雜，運行狀態(tài)不穩(wěn)定，噪音大，故障多發(fā)。轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，起動電流大，機械特性軟。轉(zhuǎn)速容易受負(fù)載變化的干擾，速度轉(zhuǎn)換靈活性差，調(diào)速不穩(wěn)定;所串電阻持續(xù)發(fā)熱，浪費電能。電阻過熱時還可能燒斷，引起電氣故障。陸水電廠75t/20t雙梁橋式起重機拖動系統(tǒng)依靠傳統(tǒng)交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機驅(qū)動，采用轉(zhuǎn)子串電阻的方式來控制電動機起停和變速。系統(tǒng)運行狀態(tài)不穩(wěn)定，運行速度和安全性更都已無法滿足當(dāng)前的工作需要，本文將在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入PLC變頻調(diào)速裝置，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能進行升級改造，以優(yōu)化控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，提高其運行效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

　　1 原拖動系統(tǒng)基本情況

　　陸水電廠原橋式起重機電氣拖動由大車系統(tǒng)、小車系統(tǒng)和主副鉤系統(tǒng)協(xié)同完成，由1臺交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機驅(qū)動整個系統(tǒng)的起停和速度轉(zhuǎn)換。速度轉(zhuǎn)換方式是：電動機轉(zhuǎn)子回路串入5段外接電阻 R1～ R5。由接觸器KM1～ KM4 的狀態(tài)來判斷串入電阻的阻值，并對電機進行調(diào)速控制。以電磁機械制動為主的原電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2 變頻調(diào)速改造基本思路

　　橋式起重機拖動由2臺大車電機、1臺小車、1臺主鉤和1臺副鉤組成的拖動系統(tǒng)來完成，除2臺大車電機共用1臺變頻器以外，其他拖動系統(tǒng)各自都有1臺變頻器進行調(diào)速控制。整個系統(tǒng)由5臺電動機驅(qū)動運行，PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速裝置來控制速度轉(zhuǎn)換，整個系統(tǒng)運行更加靈敏。傳統(tǒng)的異步電動機驅(qū)動模式下，主要依靠繼電器-接觸器機進行邏輯控制。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，用變頻器和PLC控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)異步電動機，PLC接收電動機轉(zhuǎn)向、調(diào)速等控制信號后，將至轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制指令發(fā)送給變頻器，電動機在變頻器的控制下迅速響應(yīng)并完成控制指令。系統(tǒng)改造后的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2.1 變頻器和PLC的概念

　　變頻器：主要是利用交―直―交方式(VVVF變頻或矢量控制變頻)，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給變頻電動機。

　　PLC：變頻電動機可編程邏輯控制器系統(tǒng)及保護。

　　2.2 大車拖動系統(tǒng)

　　大車拖動系統(tǒng)是由2臺YZP160M-6/5.5kW變頻電機組成的雙梁構(gòu)造。起重機在電機的拖動下，按照1：6的調(diào)速比，順著車間以42m/7m/min的速度橫向運行。

　　拖動方案：采用起重機專用的變頻交流電動機(濕熱型)，代替原繞線轉(zhuǎn)子異步電動機。大車為2臺交流變頻調(diào)速器分別控制2臺電動機驅(qū)動2個主動輪，采用電氣位置同步。兩臺電機由同一臺變頻器同步操控。采用 U /f開環(huán)控制模式，變頻器的容量PN應(yīng)該是一臺電動機容量PMN的2倍以上。(PN>>2PMN) 　　2.3 小車拖動系統(tǒng)

　　小車采用1臺交流變頻調(diào)速器控制1臺YZP132M1-6/4kw電動機驅(qū)動2個主動輪的方式(機械同步)，小車拖動吊鉤及重物順著橋架縱向移動。速度12.5/3m/min可調(diào)。調(diào)速比為1：4。

　　拖動方案：也采用起重機專用三相交流變頻電動機(濕熱型)，配容量等相同的變頻器)，采用U/f開環(huán)控制方式。

　　2.4 主鉤和副鉤拖動系統(tǒng)

　　主鉤和副鉤分別用YZP225S1-8/18.5kW和YZP225S2-8/22kW各一臺電動機單獨拖動。主鉤和副鉤拖動重物做吊起或放下的“上下”運動。主升起機構(gòu)的起升速度為0.15～1.5m/min，電機額定功率及額定速度按1.5m/min重載選擇，實現(xiàn)電機的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速控制，調(diào)速比為 1：10。副升起機構(gòu)的起升速度為0.6～6.0m/min，電機額定功率及額定速度按6.0m/min重載選擇。電機的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速控制，調(diào)速比 1：10。

　　拖動方案：選擇動態(tài)性能良好的主電動機驅(qū)動主、副鉤系統(tǒng)，用較大功率的變頻專用電動機取代繞線轉(zhuǎn)子異步電動機傳統(tǒng)的繞線轉(zhuǎn)子異步電動機進行調(diào)速控制。變頻電動機功率應(yīng)該比原電動機稍大，以確保力矩夠長。用一臺變頻器控制兩臺電動機，并為電動機配置光電編碼器， 采用帶 PG 卡速度反饋的閉環(huán)矢量控制方式。變頻電動機的轉(zhuǎn)速可以按從低到高5個檔速自由調(diào)控，充分滿足了主副鉤系統(tǒng)的運行需要。

　　2.5 電機制動方式

　　采取由變頻器外接的制動單元和制動電阻消耗掉的方式。改造后選用電力液壓塊式制動方式，其型號：(YMZ/300/45和YMZ/200/25)。采取再生制動、直流制動和電磁機械制動相結(jié)合的辦法。利用變頻調(diào)速系統(tǒng)的再生制動系統(tǒng)及直流制動系統(tǒng)，使運行中的拖動系統(tǒng)迅速停止。在起吊作業(yè)中，被吊起的重物有時需要在半空懸�；蚱揭埔欢螘r間，利用變頻調(diào)速裝置使重物懸停后，還應(yīng)該用電磁制動器進行機械制動，以防起重機受外界干擾或突然失電后中午下落引發(fā)安全事故。

　　3 變頻器的選用

　　市場上有很多起重機專用變頻器。我們選用上海施耐德ATV312HU40N4和ATV71HD30N4系列變頻器。這種全磁通矢量控制的變頻器，即使低頻運行，起動轉(zhuǎn)矩也能達到額定轉(zhuǎn)矩的1.5倍。并且，該變頻器具有速度反饋功能， 能實現(xiàn)零速控制，就是在零速下也能有150%額定轉(zhuǎn)矩輸出。它有四種控制方式，分別是：有 PGU/f閉環(huán)控制模式、有PG閉環(huán)矢量控制模式、無 PGU/f開環(huán)控制模式和無 PG開環(huán)矢量控制模式，具體采用哪一種要根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)的存取級別而定。大車、小車拖動系統(tǒng)慣量大，負(fù)載變化基本為阻力性負(fù)載，變化幅度較小，因此一般采用不帶光電編碼器的無 PGU/f開環(huán)控制方式。相比之下，主、幅鉤負(fù)載變化非常明顯，應(yīng)該采用有 PG- B2速度控制卡閉環(huán)矢量控制為主的有光電編碼器，以縮短動態(tài)響應(yīng)時間，使轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)更靈活、更迅速，確保起重機械更穩(wěn)定地運行。由于變頻控制系統(tǒng)具有速度反饋功能，能夠在零速下保持150%額定轉(zhuǎn)矩的輸出，因此，變頻器與PLC控制系統(tǒng)的整合，也能有效杜絕溜鉤現(xiàn)象。

　　對于橋式起重機來說，我們可根據(jù)調(diào)速要求來調(diào)節(jié)變頻機工作頻率。ATV312HU40N4和ATV71HD30N4，系統(tǒng)自帶 6個頻率指令和 1個點動頻率指令，有7段速可供選擇。在起重作業(yè)過程中，可對系統(tǒng)輸入頻率指令，設(shè)定多段速指令1～3和點動頻率進行頻率切換，由此實現(xiàn)快速調(diào)速。如圖3所示，接通端子1時電機正轉(zhuǎn)，接通端子2時電機反轉(zhuǎn)，分別接通1、2、3端子的多段速指令，或者同步接通其中兩、三對端子，就能獲得6個頻率指令，也就是說在正反方向上有5種速度可供調(diào)節(jié)。通過預(yù)設(shè)變頻器運行參數(shù)，可實現(xiàn)對電機加減速時間的調(diào)控。圖3為主鉤電機變頻器接線控制原理。

　　通常根據(jù)異步電動機的額定電流來選擇合適的變頻器，有時也根據(jù)異步電動機工作電流的最大值來判斷應(yīng)該使用哪一種變頻器。本文所選的變頻器均已配置外接式制動單元或制動電阻。在起吊作業(yè)過程中，電動機受重力加速度的影響，在放下重物后會恢復(fù)再生制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能直接反饋給變頻器直流電路，導(dǎo)致直流電壓升高，當(dāng)電壓上升到一定程度后會引發(fā)機械故障。為避免出現(xiàn)機械事故，起重機完成起吊任務(wù)后，應(yīng)該利用制動電阻徹底耗盡再生到直流電路中的電能，以確保直流電壓始終維持安全值。制動電阻所配置的制動單元應(yīng)該提高一檔，并且額定功率也要加大一倍，以確保制動單元能夠迅速制動。

　　4 PLC的選用

　　經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，橋式起重機控制系統(tǒng)的現(xiàn)場輸入，輸出信號的數(shù)量及作用，結(jié)合設(shè)計要求及應(yīng)用習(xí)慣選擇合適的PLC控制系統(tǒng)。本文采用西門子6ES7-300系列PLC控制系統(tǒng)展開研究。這種PLC由是多個模塊用不同形式整合為一體(主要由電源模塊、CPU模塊、I/O模塊等組成)的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)靈活，能夠迅速完成多種控制任務(wù)。橋機操作控制系統(tǒng)選用可編程控制器(PLC)作為控制核心。I/O點數(shù)按實際需要配置，并留有20%的裕量。指令和數(shù)據(jù)主存儲器容量不小于程序容量的2倍。同時按實際工程需要配置相應(yīng)的其他必需模塊。它的特點具有完善的各種自動保護功能和各種故障自診斷及顯示報警功能，包括：瞬時過電流保護，再生電壓保護，瞬時斷電失壓保護，接地過電流保護，冷卻風(fēng)機異常，超頻(超速)保護，失速過電流保護，失速再生過電壓保護，接觸器粘結(jié)、缺相、行程限位，主令控制器零位保護等功能。

　　橋式起重機拖動系統(tǒng)能夠通過PLC 對大、小車以及主、副鉤的運行狀態(tài)和速度轉(zhuǎn)換的無點控制，并且也能實現(xiàn)限位保護。5臺電動機負(fù)責(zé)系統(tǒng)驅(qū)動，4臺變頻器負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制。PLC包含若干個輸入輸出點數(shù)，它與4個變頻器的連接方式十分相似。本文將重點研究主鉤電機變頻器和PLC的連接方式。圖4即為主鉤PLC接線控制原理。

　　5 結(jié)束語

　　陸水電廠針對橋式起重機進行變頻調(diào)速改造，利用變頻器和PLC控制技術(shù)取代了傳統(tǒng)異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻控制方式，在原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上剔除了交流接觸器和串聯(lián)電阻，精簡了電氣控制元件和相關(guān)電控線，以此控制起重機的起停和速度轉(zhuǎn)換，減少了負(fù)載波動，系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，安全性更高。改造后，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了PLC無點控制，既降低了系統(tǒng)噪音，同時也減少了系統(tǒng)故障。改為PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)后，機械特性硬，檔速基本不受負(fù)載變化的干擾，輕載時也不會因操作不當(dāng)引起調(diào)速失控。除此以外，變頻器還能根據(jù)現(xiàn)場條件調(diào)節(jié)檔速以及加減速時間，系統(tǒng)響應(yīng)時間進一步縮短，運行更加靈活。采用變頻調(diào)速同時也實現(xiàn)了電機的軟起動，不僅提高了設(shè)備運行效率，而且能夠避免機械在大力矩沖擊下被損壞或出現(xiàn)機械故障，從而節(jié)省了一部分維修費用。實踐證明本次改造是成功的。

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　　工程師論文發(fā)表期刊推薦《建筑機械(上半月)》辦刊宗旨：面向建設(shè)施工和建筑工程機械行業(yè)，構(gòu)筑市場、技術(shù)和產(chǎn)品信息交流平臺，探析成功企業(yè)管理運作模式，推動新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工法、新思維的研究和應(yīng)用，促進建設(shè)施工和建筑工程機械行業(yè)發(fā)展。欄目設(shè)置(上半月刊)：獨家策劃獨立、獨到、獨家，理性解析宏觀經(jīng)濟政策，獨家視角剖析行業(yè)熱點。本刊特稿對行業(yè)普遍關(guān)注的熱點問題進行深入分析與探討，并預(yù)測行業(yè)發(fā)展走勢。

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