橋式起重機(jī)是橫架于車間、倉(cāng)庫(kù)和料場(chǎng)上空進(jìn)行物料吊運(yùn)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(duì)變頻器及PLC在陸水電廠橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用進(jìn)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(tái)75t/20t橋式起重機(jī)，該起重機(jī)經(jīng)過40多年的運(yùn)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(jī)的使用過程中存在較大的安全隱患，為此我廠決定對(duì)橋機(jī)所有電氣設(shè)備進(jìn)行更換，電控部分采用變頻器及PLC技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的繼電器-接觸器調(diào)速控制裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文總結(jié)了優(yōu)化設(shè)計(jì)的整體思路和設(shè)計(jì)內(nèi)容，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，變頻器和PLC型號(hào)、配置等內(nèi)容。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，橋式起重機(jī)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(jī)

　　Key words： PLC;transducer;bridge crane

　　0 引言

　　橋式起重機(jī)是電廠常用設(shè)備之一。傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)采用交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方式控制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)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(yùn)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(dòng)電流大，機(jī)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(fèi)電能。電阻過熱時(shí)還可能燒斷，引起電氣故障。陸水電廠75t/20t雙梁橋式起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)依靠傳統(tǒng)交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用轉(zhuǎn)子串電阻的方式來控制電動(dòng)機(jī)起停和變速。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，運(yùn)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(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行升級(jí)改造，以優(yōu)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，提高其運(yùn)行效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

　　1 原拖動(dòng)系統(tǒng)基本情況

　　陸水電廠原橋式起重機(jī)電氣拖動(dòng)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(tái)交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的起停和速度轉(zhuǎn)換。速度轉(zhuǎn)換方式是：電動(dòng)機(jī)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(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。以電磁機(jī)械制動(dòng)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(jī)拖動(dòng)由2臺(tái)大車電機(jī)、1臺(tái)小車、1臺(tái)主鉤和1臺(tái)副鉤組成的拖動(dòng)系統(tǒng)來完成，除2臺(tái)大車電機(jī)共用1臺(tái)變頻器以外，其他拖動(dòng)系統(tǒng)各自都有1臺(tái)變頻器進(jìn)行調(diào)速控制。整個(gè)系統(tǒng)由5臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速裝置來控制速度轉(zhuǎn)換，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行更加靈敏。傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式下，主要依靠繼電器-接觸器機(jī)進(jìn)行邏輯控制。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，用變頻器和PLC控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)，PLC接收電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向、調(diào)速等控制信號(hào)后，將至轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制指令發(fā)送給變頻器，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)。

　　PLC：變頻電動(dòng)機(jī)可編程邏輯控制器系統(tǒng)及保護(hù)。

　　2.2 大車拖動(dòng)系統(tǒng)

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

　　拖動(dòng)方案：采用起重機(jī)專用的變頻交流電動(dòng)機(jī)(濕熱型)，代替原繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。大車為2臺(tái)交流變頻調(diào)速器分別控制2臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)2個(gè)主動(dòng)輪，采用電氣位置同步。兩臺(tái)電機(jī)由同一臺(tái)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(tái)電動(dòng)機(jī)容量PMN的2倍以上。(PN>>2PMN) 　　2.3 小車拖動(dòng)系統(tǒng)

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

　　拖動(dòng)方案：也采用起重機(jī)專用三相交流變頻電動(dòng)機(jī)(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(dòng)系統(tǒng)

　　主鉤和副鉤分別用YZP225S1-8/18.5kW和YZP225S2-8/22kW各一臺(tái)電動(dòng)機(jī)單獨(dú)拖動(dòng)。主鉤和副鉤拖動(dòng)重物做吊起或放下的“上下”運(yùn)動(dòng)。主升起機(jī)構(gòu)的起升速度為0.15～1.5m/min，電機(jī)額定功率及額定速度按1.5m/min重載選擇，實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jī)構(gòu)的起升速度為0.6～6.0m/min，電機(jī)額定功率及額定速度按6.0m/min重載選擇。電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速控制，調(diào)速比 1：10。

　　拖動(dòng)方案：選擇動(dòng)態(tài)性能良好的主電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主、副鉤系統(tǒng)，用較大功率的變頻專用電動(dòng)機(jī)取代繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)的繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。變頻電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)該比原電動(dòng)機(jī)稍大，以確保力矩夠長(zhǎng)。用一臺(tái)變頻器控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，并為電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以按從低到高5個(gè)檔速自由調(diào)控，充分滿足了主副鉤系統(tǒng)的運(yùn)行需要。

　　2.5 電機(jī)制動(dòng)方式

　　采取由變頻器外接的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻消耗掉的方式。改造后選用電力液壓塊式制動(dòng)方式，其型號(hào)：(YMZ/300/45和YMZ/200/25)。采取再生制動(dòng)、直流制動(dòng)和電磁機(jī)械制動(dòng)相結(jié)合的辦法。利用變頻調(diào)速系統(tǒng)的再生制動(dòng)系統(tǒng)及直流制動(dòng)系統(tǒng)，使運(yùn)行中的拖動(dòng)系統(tǒng)迅速停止。在起吊作業(yè)中，被吊起的重物有時(shí)需要在半空懸停或平移一段時(shí)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(dòng)器進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)，以防起重機(jī)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(chǎng)上有很多起重機(jī)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(yùn)行，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也能達(dá)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(shí)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(jí)別而定。大車、小車拖動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，使轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)更靈活、更迅速，確保起重機(jī)械更穩(wěn)定地運(yùn)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(duì)于橋式起重機(jī)來說，我們可根據(jù)調(diào)速要求來調(diào)節(jié)變頻機(jī)工作頻率。ATV312HU40N4和ATV71HD30N4，系統(tǒng)自帶 6個(gè)頻率指令和 1個(gè)點(diǎn)動(dòng)頻率指令，有7段速可供選擇。在起重作業(yè)過程中，可對(duì)系統(tǒng)輸入頻率指令，設(shè)定多段速指令1～3和點(diǎn)動(dòng)頻率進(jìn)行頻率切換，由此實(shí)現(xiàn)快速調(diào)速。如圖3所示，接通端子1時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，接通端子2時(shí)電機(jī)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(duì)端子，就能獲得6個(gè)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(yùn)行參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)加減速時(shí)間的調(diào)控。圖3為主鉤電機(jī)變頻器接線控制原理。

　　通常根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的額定電流來選擇合適的變頻器，有時(shí)也根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)單元或制動(dòng)電阻。在起吊作業(yè)過程中，電動(dòng)機(jī)受重力加速度的影響，在放下重物后會(huì)恢復(fù)再生制動(dòng)狀態(tài)，拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(huì)引發(fā)機(jī)械故障。為避免出現(xiàn)機(jī)械事故，起重機(jī)完成起吊任務(wù)后，應(yīng)該利用制動(dòng)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(dòng)電阻所配置的制動(dòng)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(dòng)單元能夠迅速制動(dòng)。

　　4 PLC的選用

　　經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)輸入，輸出信號(hào)的數(shù)量及作用，結(jié)合設(shè)計(jì)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(gè)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(yùn)轉(zhuǎn)靈活，能夠迅速完成多種控制任務(wù)。橋機(jī)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(diǎn)數(shù)按實(shí)際需要配置，并留有20%的裕量。指令和數(shù)據(jù)主存儲(chǔ)器容量不小于程序容量的2倍。同時(shí)按實(shí)際工程需要配置相應(yīng)的其他必需模塊。它的特點(diǎn)具有完善的各種自動(dòng)保護(hù)功能和各種故障自診斷及顯示報(bào)警功能，包括：瞬時(shí)過電流保護(hù)，再生電壓保護(hù)，瞬時(shí)斷電失壓保護(hù)，接地過電流保護(hù)，冷卻風(fēng)機(jī)異常，超頻(超速)保護(hù)，失速過電流保護(hù)，失速再生過電壓保護(hù)，接觸器粘結(jié)、缺相、行程限位，主令控制器零位保護(hù)等功能。

　　橋式起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)能夠通過PLC 對(duì)大、小車以及主、副鉤的運(yùn)行狀態(tài)和速度轉(zhuǎn)換的無點(diǎn)控制，并且也能實(shí)現(xiàn)限位保護(hù)。5臺(tái)電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，4臺(tái)變頻器負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制。PLC包含若干個(gè)輸入輸出點(diǎn)數(shù)，它與4個(gè)變頻器的連接方式十分相似。本文將重點(diǎn)研究主鉤電機(jī)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(duì)橋式起重機(jī)進(jìn)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(dòng)機(jī)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(jiǎn)了電氣控制元件和相關(guān)電控線，以此控制起重機(jī)的起停和速度轉(zhuǎn)換，減少了負(fù)載波動(dòng)，系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，安全性更高。改造后，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了PLC無點(diǎn)控制，既降低了系統(tǒng)噪音，同時(shí)也減少了系統(tǒng)故障。改為PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)后，機(jī)械特性硬，檔速基本不受負(fù)載變化的干擾，輕載時(shí)也不會(huì)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(chǎng)條件調(diào)節(jié)檔速以及加減速時(shí)間，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)一步縮短，運(yùn)行更加靈活。采用變頻調(diào)速同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟起動(dòng)，不僅提高了設(shè)備運(yùn)行效率，而且能夠避免機(jī)械在大力矩沖擊下被損壞或出現(xiàn)機(jī)械故障，從而節(jié)省了一部分維修費(fèi)用。實(shí)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(jī)械(上半月)》辦刊宗旨：面向建設(shè)施工和建筑工程機(jī)械行業(yè)，構(gòu)筑市場(chǎng)、技術(shù)和產(chǎn)品信息交流平臺(tái)，探析成功企業(yè)管理運(yùn)作模式，推動(dòng)新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工法、新思維的研究和應(yīng)用，促進(jìn)建設(shè)施工和建筑工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展。欄目設(shè)置(上半月刊)：獨(dú)家策劃獨(dú)立、獨(dú)到、獨(dú)家，理性解析宏觀經(jīng)濟(jì)政策，獨(dú)家視角剖析行業(yè)熱點(diǎn)。本刊特稿對(duì)行業(yè)普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題進(jìn)行深入分析與探討，并預(yù)測(cè)行業(yè)發(fā)展走勢(shì)。

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