基于PLC-變頻控制的橋式起重機節能改造

李記葉，劉劍峰，張旭升

（山東省特種設備檢驗研究院泰安分院 271000）

0 引言

隨著新技術和控制設備的發展，現在人們普遍采用變頻器作為變頻調速電源，用籠形異步電動機取代原來的繞線異步電動機，用PLC 作為控制裝置進行無觸點控制。從而改善了調速性能，增加了系統的可靠性。本文通過一個實例分析變頻器和PLC 在系統中的具體應用。

1 傳統橋式起重機的特點及缺陷

線繞式異步電動機驅動是傳統的橋式起重機拖動系統，轉子回路在繼電-接觸器的控制下有級別調速多段電阻。該控制模式具有效率低、耗能大、線路易發故障、機械性軟、維修頻繁、低速啟動動力距小、調速穩定性能低等缺點。并且在運動中系統抱閘，較易損害制動器，嚴重磨損閘皮，使用期限縮短。所以，進一步的提升高橋式起重機的精確性與安全性，應該做好技術改造工作，比如采取變頻器改造法優化拖動系統。

接觸式繼電控制系統是橋式起重機的主要控制系統，具有接線量大、噪音大，控制邏輯更改困難等特點。并且，較低的能量轉換效率使得成本上升、能耗加大。工作中發出的噪音給周圍造成了環境困擾，以社會提倡的環境保護目標截然相反。所以，有必要做相應的節能改造，改善創痛起重機的運行效果。

2 傳統橋式起重機的PLC-變頻節能改造

隨著我國經濟的快速發展，國內各類起重機的需求量也隨之大大上升。同時隨著能源的枯竭和環境的惡化，節能和環保也被提到議事日程。國家鼓勵和支持節能技術的研究、開發、示范及推廣工作，促進節能技術創新與進步。對高耗能的設備進行改造，按照國務院的規定實行節能審查和監管。我國新修訂的《特種設備安全監察條例》明確規定：特種設備生產、使用單位和特種設備檢驗檢測機構應當保證必要的安全和節能投入。

本課題研究的橋式起重機是QD(25+25)-22.5A3，該起重機由金屬結構、運行機構、起升機構以及電氣控制設備等四個部分組成，其中起升機構雙主起升機構。

2.1 橋式起重機的節能改造設計方案

本課題中，對傳統的控制系統進行了改造，把傳統的繼電器控制改為PLC 控制，四大機構調速均采用矢量變頻調速。由于各機構的工作特點不同，對調速的精度要求，穩度要求等也各不相同，因此所選用的變頻器和控制方式也不同。

2.1.1 起升機構的PLC-變頻節能設計方案

本課題中的起升機構是由兩個主起升機構組成，兩者同時工作，分別用一臺變頻器驅動，同時為了加強控制精度，采用旋轉編碼器作為檢測裝置，來實現起升的準確度。

起升機構的控制方式采用帶PG 的矢量控制方式，編碼器的反饋信號傳送到PLC 后，通過程序來控制起升機構，避免吊鉤下滑。它具有穩定性好，對急加、減速負載變化有較好的響應特性。

此外，為了保證兩個主起升機構能同步工作，變頻器還具有DROOP 功能，該功能也能有效防止兩個機構失步的情況。

2.1.2 設計PLC-變頻節能的技術方案

一臺變頻器控制兩臺電動機是大車運行的機構，因為運行機構單一的工作頻率，在節省成本要求下，做了一臺變頻器共用于系統調速。兩臺電動機容量小于該變頻器容量，同時控制模式為V/F,矢量控制模式也不適用。這樣，電路被簡化，同時成本也一定程度降低。

啟動運行機構實際要與實際相符，做到平穩與迅速啟動。要著重考慮制動機構電氣的方式。針對工況的不同，強制制動與自由制動皆可選擇。在正常停止機構的運行時，自由停止方式是較為合理的選取方式，現實中的運行狀態決定了停止時間的決定，最大限度滿足司機對橋式起重機的操作需求。為了讓起動轉矩在起動起升機構時最大，可對機械制動器的電流運行、最低的變頻器運行頻率與打開時間三者關系做合理設定，以保證機構負載的現實需要。

2.1.3 總體節能設計方案

橋式起重機PLC-變頻節能調速系統主要由PLC、變頻器、編碼器等組成，其變頻調速節能系統的結構如圖1 所示：

圖1 變頻節能系統結構圖

圖2 PLC 的I/O 接線圖一

圖3 PLC 的I/O 接線圖二

通過上述的分析和實際的需求，該課題包括模擬量輸入點與輸出點、開關量輸入點與輸出點的個數，另外，反饋信號則由八路模擬量輸入，變頻器的控制端輸入則由四路模擬器輸入。另外，DI/DO 點應該是冗余狀態，因此，以CPU222 模塊為CPU 模塊，兩塊EM223 模塊為輸入數字量模塊，兩塊EM231 模塊為模擬量輸入模塊，兩塊EM232 為模擬量輸出模塊。

PLC-變頻節能系統的PLC 輸入輸出點配置及接線如圖2 和圖3 所示：

2.2 程序設計

在橋式起重機的各個機構中，起升機構是其最關鍵的部分，在此僅闡述起升機構的程序設計。

橋式起重機起升機構速度的控制，是一項很重要的技術指標，本系統通過旋轉編碼器測得電機速度，由數模轉換卡轉換成數字量，傳遞給變頻器，所以本系統起升機構控制方案為常規的數字PID 算法并結合PLC 中的PID 控制模塊來控制。其程序代碼如圖4 所示：

圖4 起升機構控制程序

3 能效測試

在負載條件相同情況下，將多種實驗樣品做能效對比的實驗，從而得出產品的節能等級，在評價能效時有充分的數據。對比實驗差異工作類別的樣品。可以對各種型號的產品最終得到的最優化能效工作級別做評判，挖掘節能潛力。

鑒于當前的試驗條件，選用四臺未采用PLC 變頻調速控制的同類型的通用橋式起重機、傳統門式起重機、32t 的電動單梁起重機以及32t 的鋼絲繩電動葫蘆作為對比試驗的對象，經過一段時期的測試，其能效測試結果如表1 所示：

表1 能效測試結果：

根據效能測試表分析，橋式起重機在變頻調速運行模式下其效能比大大的提升。主要是由于定子電源頻率因變頻調速而發生改變，進而同步轉速發生改變以及輸出轉矩也相應變動，也就是說電動機的容量被改變，負載情況變動帶動電動機容量變動，功率因數與效率得到提高，節能目的實現。

4 總結

通過對改造完成的起重機進行節能測試，已經驗證了該PLC-變頻的節能改造是成功的，達到了節能的目的，同時也提高了日常工作效率，減少了故障率，簡化了故障的排除難度。

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