基于PLC和變頻器的橋式起重機電氣控制系統改造

曾 倩

（陵水縣職業中等專業學校，海南 陵水 572400）

0 前言

傳統橋式起重機的電力拖動系統，采用“繼電—接觸”式控制方式，利用交流繞線轉子異步電動機轉子串電阻的方法進行起動和調速，這種控制系統的主要缺點有：（1）工作環境惡劣，任務繁重，操作程序難以保證，沖擊電流大，觸頭消蝕嚴重，碳刷冒火，電機及轉子繞組所串電阻燒損、斷裂故障時有發生；（2）對生產影響較大轉子串電阻調速，機械特性軟，負載變化時，轉速也變化，調速效果差；（3）所串電阻長期發熱，電能浪費大，效率低。要從根本上解決這些問題，只有徹底改變傳統的控制方式。

近年來，隨著計算機技術和電力電子器件的迅猛發展，可編程控制器（PLC）和變頻器獲得了廣泛的應用，為PLC和變頻器調速技術在橋式起重機拖動控制系統中的應用提供了有利條件。

1 橋式起重機拖動系統的特點和要求

1.1 負荷特點

橋式起重機的拖動系統負載都屬于恒轉矩性質，且其起升機構為位能性負載，當起升機構起吊重物下降或者快速減速運行時，電動機處于再生發電制動狀態。需要將電能通過反饋裝置反送給電網或消耗在制動電阻上，以防止直流側的上升電壓影響制動效果。

1.2 控制要求

1）起升機構要求起動轉矩大，起動運行平穩。

2）要有相應的措施，防止起升機構在啟停過程中易出現溜鉤問題。

3）起升機構中要有機械制動器。

2 PLC和變頻器系統硬件構成

2.1 系統框圖

PLC控制的橋式起重機變頻調速系統框圖如圖1所示。

橋式起重機大車、小車、主鉤、副鉤電動機都需獨立運行，由各自的PLC控制；大車為兩臺電動機同時拖動。所以整個系統有5臺電動機，4臺變頻器傳動，并由4臺PLC分別加以控制。大車、小車、副鉤都運行在電動狀態，控制過程基本相似，變頻器與PLC之間控制關系在硬件組成以及軟件的實現基本相同。而主鉤電動機運行狀態處于電動、倒拉反接或再生制動狀態，變頻器與PLC之間控制關系在硬件組成以及軟件的實現方面，與其它三個部分有所區別。

圖1 系統原理方框圖

2.2 系統硬件配置

2.2.1 可編程控制器

PLC完成系統邏輯控制部分，是系統的核心。控制電動機的正、反轉、調速等信號進入PLC，經處理后，PLC向變頻器發出起停、調速等指令，使電動機工作。

2.2.2 變頻器

變頻器為電動機提供可變頻率的電源，實現電動機的調速。

橋式起重機的平移機構對拖動系統的性能要求不高，選用V/F控制方式的通用變頻器即可滿足要求。

主鉤起升機構要求有較高的起動轉矩和調速性能，選用帶速度反饋的矢量控制型變頻器。這種變頻器具有零速全轉矩功能，保證了吊鉤由運行狀態降為零速時，電動機能夠使重物在空中暫時停住，直到電磁制動器將電動機軸抱住為止，從而防止了溜鉤。

3 小車電氣控制系統

本部分只以小車電動機的控制為例來分析電氣控制系統的硬件構成和軟件設計，其它如大車、副鉤電動機的控制原理與此相同，只是電動機工作狀態和工作過程稍有區別，略作修改即可。

3.1 小車電氣控制系統圖

小車電動機的PLC和變頻器控制原理圖如圖2所示。PLC選擇三菱的FX2N一48MR，變頻器采用佳靈JP6C-T9。

圖2 小車控制系統圖

3.2 PLC輸入輸出分配和程序設計

PLC程序梯形如圖3所示。輸入輸出端子分配見圖2所示。

圖3 PLC梯形圖

3.3 小車電氣系統的控制原理

3.3.1 起動電源

在駕駛室門及橫梁欄桿門關好后，位置開關SQ3、SQ4、SQ5閉合，緊急開關SB2等符合要求的情況下，速度選擇開關置于零位，按下起動按鈕SB1，接觸器KM通電吸合，三相電源接通。

3.3.2 調速

一般橋式起重機正反向均有5檔速度，當速度選擇開關置于正轉速度1時，將三相交流電和電動機接通，1檔速度起動，速度選擇開關置于正轉速度2時，2檔速度運行；其余與此類似。

3.3.3 制動

速度選擇開關置于零位或由于停電，電動機停止運行。為防止因停電、變頻器跳閘等使拖動負載快速下降出現危險，仍設置有機械制動裝置。

3.3.4 緊急停止

當發生緊急情況時，可立即拉開緊急開關SB2，一方面機械制動將所有電動機制動，另一方面將變頻器緊急停機控制端EMS接通，變頻器將使電動機迅速停車。

當電動機過載時，可使熱繼電器的觸點FR接通變頻器的外接保護控制端THR，使變頻器停止工作。

3.3.5 終端位置控制

行程開關SQ1和SQ2裝在小車兩頭。當小車行走到終端時，兩端各有擋塊，撞上位置開關，切斷小車電路，小車電動機停車并制動。

3.3.6 復位

變頻器因發生故障而跳閘后，當故障已被排除、可以重新起動時，按下復位按鈕SB3，接通復位控制端RST，使變頻器恢復到運行狀態。

3.4 調速與變頻器輸入控制端的安排

一般橋式起重機有五檔速度，所以可用3個觸頭Y3、Y4、Y5來控制速度信號，達到調節速度的目的，觸頭與速度的對應關系如圖2所示。

4 主鉤電氣控制系統

4.1 主鉤電氣控制系統圖

主鉤電動機的PLC和變頻器控制系統圖如圖4所示。PLC選擇三菱的FX2N一32MR，變頻器采用安川VS一616G5。

圖4 主鉤控制系統圖

4.1.1 PLC端子及控制關系說明

上述系統中PLC為控制中心，它的輸人信號來自主令控制器（如圖4所示，用以控制主鉤電動機的正反轉和多段速及零位保護）和變頻器（故障輸出、制動器控制信號），以及超載、限位等檢測信號。它的輸出信號控制變頻器和主電路（制動器、風機、變頻器電源電路）的通斷。

4.1.2 變頻器的各端子說明如下

1：正轉；2：反轉；3：外部故障（制動電阻過熱保護）；4：故障復位；5：多段速 1；6：多段速 2；7：多段速 3；8：點動；11：多功能輸人端子（5～8）的公共端；25：零速信號；26：速度一致信號；27：多功能輸出公共端

4.1.3 PG一B2的作用

用檢出器（PG）檢出電機的回轉速度，可以實現反饋速度控制功能和位置控制功能的運轉；即使負載變動產生，電機的速度也可以保持恒定；可以實現加工機械等的定位置停止。

4.2 PLC程序

PLC程序的關鍵，是要把主令控制器的運行及速度指令邏輯轉換為三位二進制信號，輸出給變頻器多段速輸人端。程序及輸人輸出關系如圖5所示。

圖5 多速段PLC控制程序和輸入輸出關系

4.3 工作過程

通過主令控制器發出操作指令信號給PLC，PLC將內部程序的執行結果輸出給變頻器正反轉（1、2 端）和多段速輸人端（5、6、7 端），從而控制主鉤的升降運行和變速。

4.4 溜鉤的防止

VS-616G5變頻器具有零速全轉矩功能，可解決溜鉤問題。本例中可以利用集電極開路輸出端（25、26端）的“零速”、“速度一致”信號分別控制機械制動器的抱閘和松閘，或者用“頻率檢測信號”作為機械制動器的松合閘控制指令。

4.5 系統保護

本系統中，變頻器本身具有短路、過載、過壓、缺相、失速等多種保護和故障輸出功能。變頻器只驅動一臺電動機，所以變頻器的輸出可以直接連接電動機而不必接熱繼電器作過載保護；另外，線路中的各個接觸器兼有短路、過載、欠壓等多種保護功能。

4.6 制動電阻

起重機放下重物時，由于重力加速度的原因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。

5 結束語

利用PLC控制的變頻調速技術進行改造，橋式起重機拖動系統的性能可得到很大改善，例如：電器故障大幅減少；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；機械特性硬，負載變化時，各檔速度基本不變，調速性能好。起重機的操作更加靈活，反應迅速。

[1]傅德源.實用起重機電氣技術手冊[M].機械工業出版社,2011.

[2]朱朝寬,張勇.典型機床電氣控制解析與PLC改造實例[M].機械工業出版社,2011.

[3]蓋超會.三菱PLC與變頻器、觸摸屏綜合培訓教程[M].中國電力出版社,2011.