PLC、變頻器及觸摸屏在門式起重機控制系統改造中的應用

陳文淼 上海鐵路局上海鐵路裝卸服務（集團）有限公司

隨著社會的發展，鐵路裝卸已實現機械化，機械作業比重達97%，而門式起重機又是裝卸機械的重要設備之一。隨著電力電子技術的發展，PLC、變頻調速控制技術日趨成熟。本文以鐵路裝卸貨場26 t 門吊電氣控制系統改造為例，分析改造原理、特點及使用效果。而采用PLC、變頻調速控制技術代替傳統的繼電器-接觸器控制方式，能克服傳統控制方式的弊端。

1 改造方案

1.1 系統主要設備配置

電動機：起升電動機采用變頻專用籠型異步電機1 臺（YZB280M-8，55 kW），大車電動機4 臺（YZ180L-8，11 kW），小車電動機2 臺（YZ132M-6，4 kW）。為節省費用，大小車電動機將繞線轉子短接使用，電刷去除。

變頻器、PLC：起升機構用變頻器采用日本安川CIMR-G7A4075 一臺，配制動單元CDBR4045 兩臺；大車采用日本安川CIMR-G7A4055 一臺，配制動單元CDBR4030 兩臺；小車采用日本安川CIMR-G7A4011 一臺（制動單元內置）。PLC 采用日本三菱FX2N-80MR 及擴展卡FX2N-16EX。

觸摸屏：中文顯示觸摸屏,PWS-1700。

系統主要設備配置如圖1 所示。

圖1 系統主要設備配置圖

1.2 變頻調速控制系統原理

變頻調速控制系統采用PLC 作為系統控制器，變頻器作為拖動系統變頻調速驅動器，PLC 采集凸輪（主令）開關指令、變頻器故障反饋、限位、超載、過熱及各類輔助觸頭等信號，經I/0 輸入、輸出模塊把外部信號輸入PLC，經嚴格的邏輯處理后進行可靠的控制。變頻器對電機進行變頻調速，接觸器、制動器等設備執行相關動作，完成各項指定動作。PLC 向司機室觸摸屏輸入信號，觸摸屏系統可在線監控設備運行狀態，根據故障信息指示故障原因并給出解決辦法。

圖2 為控制系統部分原理圖。

圖2 控制系統部分原理圖

(1) 大小車平移機構均為摩擦性負載，負載特性簡單。采用變頻調速系統主要是提高運行的操作平穩性，消除大小車頻繁行走時抱閘對機構的機械沖擊。

(2)起升機構拖動系統的負載屬于位能性恒轉矩負載。采用日本安川CIMRG7 系列變頻器，能在很寬范圍內無級調速，可以根據需要自由設定加、減速時間，具有很好的速度響應性能。良好的低速力矩特性使電機在起動和加速時可獲得足夠大且平滑的加速度；具有零速全轉矩功能，保證零速時吊鉤在空中暫時停住，直到液壓制動器抱閘，防止溜鉤。變頻器采用帶PG 矢量控制方式，與起升電機同軸連接的旋轉編碼器（HLE45-600L-3F.AC）將電機速度信號反饋給變頻器進行閉環控制。系統提供零位保護，失壓、欠壓、過壓保護，對過流、超速、接地、短路等有完善的保護功能，并具有通過軟件功能實現起升機構的防溜鉤、防下滑等保護功能。各檔速度、加速時間和制動減速時間都可根據現場情況由變頻器設置，調整方便。

(3)制動方式：預防溜鉤采用能耗制動和液壓機械制動相結合的方法。

起重機大小車減速及起升機構貨物下降時，電動機將處于再生制動狀態，拖動系統的動能要反饋到變頻器直流電路中，使直流電壓不斷上升，甚至達到危險的地步。因此，必須將再生到直流電路里的能量消耗掉，使直流電壓保持在允許范圍內。制動電阻就是用來消耗這部分能量的。

由于制動器從抱緊到松開，以及從松開到抱緊的動作過程需要時間（約0.5 s），而電動機轉矩的產生或消失，是在通電或斷電瞬間就立刻反應的。因此，制動器和電動機在動作的配合上極易出現問題。如電動機已經通電，而制動器尚未松開，將導致電動機的嚴重過載;反之，如電動機已經斷電，而制動器尚未抱緊，則重物必將下滑，即出現溜鉤現象，因此要有相應的防止措施。安川變頻器具有零速全轉矩功能（又稱零伺服功能，即零速時電動機仍能輸出150%的額定轉矩，使重物停在空中），但是若重物停在空中時出現電源瞬間停電等情況，就會有重物下滑的危險。因此，必須加裝制動器。為此，我們采用的是液壓制動器。

(4)可編程序控制器（PLC）采用日本三菱FX2N-80MR 作為控制器。根據現場生產及作業工序等特點，編制PLC 控制程序，實行PLC 無觸點控制。觸摸屏實現系統監視和各機構分散監視結合的方式，可在線監控設備運行狀態，根據故障信息指示故障原因并給出解決辦法。圖3 為起升控制部分程序。

圖3 起升控制部分程序

1.3 變頻調速控制主要特點

(1)PLC 根據控制操作指令、各類限位開關、變頻啟動/停止、故障反饋、繼電器接觸器觸頭等外部開關量輸入信號，經PLC 程序處理輸出控制變頻器的正反轉及各段速度與制動器、風機等開關量指令，完成各工況的協調控制，以達到最佳狀態。

(2)控制系統對操作人員違反操作規程進行反向操作不響應、不動作，各機構直接通過主令（凸輪）控制器開關手柄回零實現最快停車操作，電動機將以設置的加速度作減速/加速運行。運行平穩，無沖擊，減少貨物搖擺，提高裝卸作業貨物的穩定性和裝卸的安全。

(3)變頻器具備對電動機和變頻器本身的完善保護（如過熱、過載、過流、過壓、缺相、失速等）功能，能顯示故障代碼，根據故障代碼可查詢故障出現的原因及排除故障的對策，方便設備維修人員，一般故障按故障復位鍵便可解決。

(4)PLC 與觸摸屏系統可在線監控設備當前的運行狀態，監視各控制點的運行情況，顯示操作說明、故障記錄及出現故障解決的對策，方便維修。

(5)變頻調速控制系統無觸頭輸出控制，結構緊湊，控制回路簡單，控制精度高，易于維護，降低設備故障率，節省費用，提高穩定性。

(6)具有零速全轉矩功能，保證零速時吊鉤在空中暫時停住，直到液壓制動器抱閘，防止溜鉤，避免貨物和人員的損傷。

(7)安裝封閉的控制配電間，實現防腐、防潮、防塵，避免貨場焦炭粉塵的腐蝕，以適應鐵路貨場惡劣的工作環境。

(8)節能顯著。圖4 為異步電機變頻調速機械特性，圖5 為異步電機轉子串電阻調速機械特性。圖中曲線①為自然特性，曲線②為轉子串入電阻機械特性，曲線③為變頻調速機械特性。

圖4 變頻調速機械特性

圖5 串電阻調速機械特性

電動機理論損耗功率△P=KL×(n1-n01)= KL×△n1，式中KL =T/9550為比例常數。變頻調速損耗功率在不同頻率下運行時，轉差基本不變，所以功率損耗基本等于額定功率，△P2 = KL×△n2。轉子串電阻調速功率損耗隨轉速的下降而發生變化，與增加了的轉差成正比，△P3 =KL×△n3,變頻調速節能顯著。

2 改造后應用效果

改用PLC、變頻調速控制后，經過幾年的現場運行使用，取得了一定的效果。

⑴采用變頻調速，調速平滑，調速范圍寬，實現無級調速，工作效率高。起升及大小車在啟動、加速、停止等過程中更加平穩快速，降低貨物的擺動，提高裝卸過程的安全性。

⑵運行效率高，發熱損耗少。根據現場實際監測，節電率可達20%左右。

⑶控制回路簡單，實現了電動機的軟啟動，很好解決了啟動、停止時的沖擊電流，并有完善的短路、過載等保護功能。系統易于維護，避免了機械受大力矩沖擊的損傷和破壞，減少了機械維護及檢修費用，極大地提高了設備的可靠性與安全性，延長使用壽命。

3 結束語

經過幾年的現場實踐運行證明，變頻調速控制系統達到了改造的預期目標，效果非常顯著，在門式起重機上的應用是切實可行的。該系統具有結構緊湊、運行平穩、調速性能優異、操作維護簡單、安全可靠、節能顯著等特點，在鐵路裝卸機械中可推廣運用，在起重行業領域里具有廣泛的應用價值。