基于PLC、變頻器的橋式起重機的改造

羅 軍

（四川機電職業(yè)技術學院，四川 攀枝花 617000）

1 引言

隨著生產規(guī)模的擴大，作為物料搬運重要設備的橋式起重機在現(xiàn)代化生產過程中應用越來越廣，作用愈來愈大，對橋式起重機的要求也越來越高，是各類企業(yè)的工廠中不可缺少的起重設備之一。在某燒結廠橋式起重主要用來搬運原料，而現(xiàn)在大多數(shù)使用的是我國五六年代生產的串電阻調速橋式起重機，遠遠不能滿足生產需要。本文提出采用PLC、變頻器進行改造，實現(xiàn)橋式起重機電氣自動控制，它可以減輕大大的勞動強度，提高勞動生產率。

2 橋式起重機傳動控制存在的問題及解決方案

目前某燒結廠橋式起重機大車、小車、抓斗、卷揚、電動機均采用繞線型異步電動機，轉子二次側串電阻調速，由于反復短時運行，制動頻繁，現(xiàn)場灰塵大，環(huán)境差，電機碳刷磨損快、滑環(huán)間容易短路放跑。并且電動機正反轉的加速控制均采用交流接觸器和時間繼電器，交流接觸器線圈經常燒壞，吊車司機使用凸輪控制器進行操作時，由于長時間運行，控制器磨損大，操作極不方便，維護量大，電機壽命短，控制線路復雜，嚴重影響企業(yè)正常生產。因此，要從根本上解決某燒結廠橋式起重機故障率高的問題，只有徹底改變繞線轉子異步電動機二次側串電阻調速方式。

隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，變頻器+PLC控制技術日趨成熟，為在橋式起重機傳動系統(tǒng)中的應用提供了有利條件。

3 變頻器+PLC控制的優(yōu)點

控制系統(tǒng)設計運用PLC、變頻器進行改造，操作簡單，運行可靠，故障減少。目前生產的高性能矢量控制變頻器，具有可靠好，多功能，低噪音等優(yōu)點。通過對電機磁通電流和轉矩電流的解耦控制，實現(xiàn)了轉矩的快速響應和準確控制，能以很高的控制精度進行寬范圍的調速運行。

可編程序控制器是一種新型的具有極高可靠性的通用工業(yè)自動化控制裝置，它以微處理器為核心，有機地將微型計算機技術、自動控制枝術及通用技術融為一體，具有控制能力強、可靠性高、配置靈活、編程簡單、使用方便、易于擴展等優(yōu)點，是當今及今后工業(yè)控制的主要手段和重要的自動化控制設備。可以這樣說，到目前為止，無論從可靠性上，還是從應用領域的廣度和深度上，沒有任何一種控制設備能夠與PLC相媲美。

由于西門子 S7-300 PLC可編程控制器具有結構緊湊、防塵、集成度高等特性。富士系列變頻器具有無速度傳感器矢量控制技術，當變頻器有0.5Hz輸出時即有150%以上的高起動轉矩，保證懸空起動及低速運轉時的電機力矩。速度調速偏差小。在提升設備中對防止“滑落”有很好的效果，適合于橋式起重機控制系統(tǒng)。

根據某燒結廠生產要求，結合實際，將橋式起重機大車、小車，抓斗、卷揚的上升、下降操作回路改為PLC控制，電動機由富士系列變頻器控制，為了節(jié)約成本，大車、小車用原繞線型異步電動機二次側保留一段常用電阻，使得電機在速度變化起始階段變化較緩。橋式起重機抓斗、卷揚使用交流異步電動機。PLC電源塊為PS307；10A，CPU為CPU314；根據I/O地址分配表輸入點共有30點.所以選輸入模塊為SM 321（DI 8×120V/230V 共計4塊）；輸出點為20點，故選擇輸出模塊為SM 322（DO 16×DC24V/0.5A共計2塊）。

3.1 PLC的I/O分配表（如表1～3所示）

3.2 部份設備型號選擇（表4）

表1 3#槽及4#槽DI地址分配

表2 5#槽及6#槽DI地址分配

表3 7#槽及8#槽DO地址分配

表4

類型 型號 類別 數(shù)量大車：FRN45G11S-4 45kW 1富士變頻器（根據電機容量） 抓斗、卷揚FRN132G9S-4JE 132kW 2大車 與FRN45G11S-4配套小車BUIII220-4 與FRN18.5G11S-4配套 1小車：FRN18.5G11S-4 18.5kW 1變頻器制動單元 抓斗、卷揚 與FRN132G9S-4JE配套 2變頻器制動電阻 抓斗、卷揚 與FRN132G9S-4JE配套 2小車：DBIII220-4 與FRN18.5G11S-4配套 1大車：DB45-4C電阻 與FRN45G11S-4配套 1

3.3 變頻器參數(shù)設定（如表5所示）

部份參數(shù)設定如表5。

表5

3.4 PLC、變頻器外部接線圖（圖1）

3.5 PLC程序（略）

4 PLC、變頻器控制系統(tǒng)工作原理

4.1 系統(tǒng)調試

橋式起重機機大車走行電機變頻器選用富士FRN45G11S-4，小車走行電機變頻器選用富士FRN18.5G11S-4，抓斗、卷揚選用富士FRN132G9S-4JE。根據現(xiàn)場運行電機的實際速度測定，變頻器參數(shù)設為5～8s內完成0～50Hz的變速過程，但電機正反運行變相時，變頻器出現(xiàn)OU2（減速過電壓）故障跳閘現(xiàn)象。經分析原因是電機在正、反轉變相時，變頻器輸出也發(fā)生變化，即使在變頻器輸出為零時，電機因有慣性也在旋轉，這樣旋轉的電機就會產生感應電壓，將能量回饋到了變頻器上，使變頻器直流側電壓短時間內變化太快，產生過電壓，造成變頻器出現(xiàn) OU2 故障而跳閘。為了解決這一問題，在變頻器直流側加裝一個能耗制動單元，（進行制動時放電電阻請參照有關公式計算）。在運行過程中發(fā)現(xiàn)大車有晃動現(xiàn)象，通過多次實驗將原繞線型電動機二次側加裝一段常留電阻，使得電機在速度變化起始階段變化較緩，保證變頻器的正常工作。通過對改進后的電機啟動特性，滿足工藝要求。

圖1 I/O接線

圖2 變頻器接線圖

在對 PLC應用程序進行調試過程中出現(xiàn)了一些問題，經過反復修改，最終均得到了解決。變頻器功能參數(shù)的設置，直接關系到變頻器與設備運行工況是否配合恰當?shù)闹匾h(huán)節(jié)。比如電機參數(shù)、轉矩控制方式、輸出額定頻率、加速時間、減速時間等參數(shù)的設定，均需通過起重機在使用過程中不斷摸索修正。通過對參數(shù)的調整，使電機的起動電流、速度變化得到理想控制，完善系統(tǒng)的保護功能，達到動作可靠。

原凸輪控制器操作改為按鈕控制，卷揚提升極限（改為光電開關）、門極限、大小車極限點，過流繼電器上點等保護裝置，作為PLC的數(shù)字量開入信號，增強了系統(tǒng)保護功能。抓斗、卷揚提升、開閉電機運行指令，大小車電機運行指令等由PLC發(fā)出。

橋式起重機機大小車走行電機變頻器，從電機起動到穩(wěn)定運行的過度過程在 0.5s內完成（實際應用時可以根據需要進行調整），抓斗、卷揚，設定提升和開閉電機的起動及加、減速時間，電機從起動到穩(wěn)定運行的過度過程在 0.8s內完成（可以根據實際應用進行調整）。電機的起動和加、減速時間與生產操作工手動操作過程相近，保證電機運行的平穩(wěn)性，合理地選擇加減速方式。電機剛啟動時以較低速度運行一段時間，然后再以與加速時間相對應的加速度將電機速度提高。減速過程與加速過程類似，這種方式可有效地減小電機啟/停時的沖擊電流。

4.2 操作說明

橋式起重機機械部份未作改動，原刀閘開關改為電源自動開關，直接給變頻器供電，變頻器出線接電機。（拆出不用的電阻箱）

（1）控制：橋式起重機大小車運行，抓斗開閉、卷揚上升、下降控制回路，變頻器的啟/停皆由PLC控制。應操作人員的要求，第一臺操作臺末作改變，其它各臺由按鈕控制。

（2）報警： 如果 PLC出現(xiàn)故障時，由 PLC輸出指令 0.5秒內自動復位，也可在操作臺上手動復位。緊急情況，吊車司機也可按“急停”按鈕，切斷主電源。

（3）連鎖：起重機機上的各種極限正常，進出口的門關閉的狀態(tài)下，才允許操作；設備在運行中觸到某方向的極限時，設備自動停止；變頻器中任意一臺變頻器報故障時，均立即停止工作；橋式起重機處于安全停止狀態(tài)，同時抱閘合閘；在任何時刻斷電，系統(tǒng)將立即停車，抱閘合閘。

5 結論

控制系統(tǒng)運用PLC、變頻器改造以后，操作簡單，運行可靠，維護方便，減少了交流接觸器和時間繼電器等電氣元件，不僅節(jié)約了檢修費用，并且提高了設備安全穩(wěn)定可靠性。

實踐證明：PLC、變頻技術在橋式抓斗起重設備上的應用技術上是切實可行的，效果也較為顯著，基本達到預期目標。

羅 軍（1968-），大學本科，“雙師型”老師，1990-2005年在工廠從事電氣技術工作，2005年至今在四川機電職業(yè)技術學院從事電氣自動化控制教學和電氣自動控制研究。