PLC、變頻器在交流橋式起重機(jī)——主鉤控制電路中的改造

周榆峰

（廣東省嶺南工商第一技師學(xué)院，廣東 嶺南 510800）

0 前言

傳統(tǒng)的以繼電器、接觸器為基礎(chǔ)的橋式起重機(jī)電路是個(gè)十分成熟的電路，在計(jì)算機(jī)沒(méi)有用到工業(yè)設(shè)備之前，以凸輪控制器實(shí)現(xiàn)大車(chē)、小車(chē)及副鉤的操作，以主令控制器加繼電器實(shí)現(xiàn)主鉤的操作控制的確是科學(xué)的，并體現(xiàn)了工程的經(jīng)濟(jì)性。幾十年來(lái)，凸輪控制器及主令控制器雙向多檔位的操作方式在起重機(jī)中幾乎形成了固有的模式，但近幾年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與電力電子器件的迅猛發(fā)展，電氣傳動(dòng)和自動(dòng)控制領(lǐng)域也日新月異，其中代表性的是交流變頻器裝置和可編程控制器獲得了廣泛的應(yīng)用，為PLC控制的變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了有利條件。下面主要闡述利用PLC和變頻器對(duì)橋式起重機(jī)的主鉤電路進(jìn)行改造的一種方法。

橋式起重機(jī)是在廠礦企業(yè)、車(chē)站、港口、倉(cāng)庫(kù)、建筑工地等部門(mén)常用的起重設(shè)備，其結(jié)構(gòu)是由可前后移動(dòng)的橫梁大車(chē)、左右移動(dòng)的小車(chē)和固定在小車(chē)上可上下移動(dòng)的主、副吊鉤組成。工作時(shí)，主鉤或副鉤從一個(gè)地方將工件吊起，通過(guò)橫梁大車(chē)和小車(chē)的移動(dòng)將工件搬到另一個(gè)地方，再將工件放下。

傳統(tǒng)的交流橋式起重機(jī)（以15t/3t為例）分主電路、控制電路。主電路是由凸輪控制器和接觸器組成的。其中凸輪控制器QM1、QM2、QM3分別用來(lái)控制大車(chē)、小車(chē)、副鉤的正反轉(zhuǎn)和速度調(diào)節(jié)，主鉤是由接觸器經(jīng)控制線路中主令控制器來(lái)控制主鉤的正反轉(zhuǎn)，調(diào)速和制動(dòng)。控制電路上半部分為起重機(jī)的電源控制電路，主要為零位及限位保護(hù)，下半部分為主鉤主令控制器與接觸器的工作電路。使用凸輪控制器控制的各臺(tái)電動(dòng)機(jī)，在凸輪控制器的觸點(diǎn)上流過(guò)的是電動(dòng)機(jī)的工作電流。由主電路可知，交流380V電源經(jīng)隔離開(kāi)關(guān)SQ1進(jìn)入電源保護(hù)控制回路，需要開(kāi)動(dòng)起重機(jī)時(shí)，一定要將橫梁凸輪控制器QM1、小車(chē)凸輪控制器QM2、及副鉤凸輪控制器QM3置零位，還要把橫梁護(hù)欄、駕駛室艙口都關(guān)好，使欄桿行程開(kāi)關(guān)SQ1、SQ2、艙口安全開(kāi)關(guān)SQ3閉合，再按下起動(dòng)按鈕SB1，則接觸器KM1得電自鎖吸合，電動(dòng)機(jī)主回路和主鉤控制回路均供電。其后的操作由于電路在動(dòng)作上相對(duì)較為獨(dú)立，在此不再多加細(xì)說(shuō)了。

圖1 主鉤電機(jī)串電阻調(diào)速機(jī)械特性

橋式起重機(jī)的工作常是斷續(xù)式的，時(shí)開(kāi)時(shí)停，每小時(shí)接電次數(shù)多。因此，所用電動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)之中；負(fù)載很不規(guī)律，時(shí)輕時(shí)重，經(jīng)常承受大的過(guò)載和機(jī)械沖擊。同時(shí)，起重機(jī)還要具有一定的調(diào)速范圍，但其對(duì)調(diào)速平滑性一般要求不高。為此，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制造了起重機(jī)用電動(dòng)機(jī)，我國(guó)生產(chǎn)的起重機(jī)電動(dòng)機(jī)有JZR型和JZ型 （新系列為YZR與YZ），前者為繞線式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，后者為鼠籠感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)一般按反復(fù)短時(shí)工作制制造，具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)頻繁和重負(fù)荷下起動(dòng)、制動(dòng)、和正反轉(zhuǎn)，滿足減少起動(dòng)時(shí)間和經(jīng)常過(guò)載的要求。傳統(tǒng)的交流橋式起重機(jī)的電機(jī)一般采用繞線式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。

用主令電器配合接觸器控制主鉤電動(dòng)機(jī)在不同檔位轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性如圖1所示。

由于傳統(tǒng)的橋式起重機(jī)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)采用交流繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)和調(diào)速，采用繼電器、接觸器進(jìn)行控制，使該系統(tǒng)在使用中存在以下問(wèn)題：

1）橋式起重機(jī)工作環(huán)境惡劣，工作任務(wù)重，電動(dòng)機(jī)及所串電阻燒損和斷裂故障時(shí)有發(fā)生。

2）繼電器、接觸器控制系統(tǒng)可靠性差、操作復(fù)雜、故障率高。

3）轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速機(jī)械特性軟，負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)速效果不理想。

4）所串電阻長(zhǎng)期發(fā)熱，電能浪費(fèi)大，效率低。

為了節(jié)約能源，提高起重機(jī)的工作效率，可利用PLC、變頻器技術(shù)對(duì)交流橋式起重機(jī)的主要部位——主鉤控制進(jìn)行技術(shù)改造（以15t/3t橋式起重機(jī)為例）。其改造思路和具體方案為：

1 主鉤電機(jī)的特征分析及控制特點(diǎn)和要求

主鉤是橋式起重機(jī)的主要提升機(jī)構(gòu)，當(dāng)改用變頻器來(lái)控制主鉤電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作的機(jī)械特性：當(dāng)重物上升時(shí)，主鉤電動(dòng)機(jī)克服各種阻力（包括重物的重力、磨擦阻力等）而作功，屬于阻力負(fù)載，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。這時(shí)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)矩方向相同，處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，其機(jī)械特性在四象限中的第1象限，如下圖2中曲線所示：

圖2 主鉤電機(jī)吊重物上升時(shí)機(jī)械特性

當(dāng)重物下降時(shí)，由于重物本身有按重力加速度下降的能力。因此，當(dāng)重物的重力大于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的磨擦阻力時(shí)，重物本身的重力（位能）是下降的動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)成為了能量的接受者，故屬于動(dòng)力負(fù)載，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將超過(guò)同步轉(zhuǎn)速而進(jìn)入了再生制動(dòng)狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向是反轉(zhuǎn)（下降）的，但其轉(zhuǎn)矩的方向卻與旋轉(zhuǎn)方向相反，是正方向，這時(shí)其機(jī)械特性在第4象限，如下圖3曲線所示：

圖3 主鉤電機(jī)吊重物下降時(shí)機(jī)械特性

但當(dāng)重物的重力（輕載式空鉤）小于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的磨擦阻力時(shí)，重物自身是不能下降的，必須由電動(dòng)機(jī)反向運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都是負(fù)的，故機(jī)械特性曲線在第3象限，如下圖4曲線所示：

圖4 主鉤電機(jī)吊輕物下降時(shí)機(jī)械特性

根據(jù)主鉤電機(jī)的以上特征，主鉤電機(jī)的控制可采用具有機(jī)械互鎖和速度控制且能頻繁起停的主令控制器配合PLC、變頻器來(lái)完成主鉤的上下運(yùn)行、調(diào)速和制動(dòng)等 ，在控制時(shí)需要具有以下電氣控制要求：

1）可經(jīng)常帶負(fù)載起動(dòng)，且在重負(fù)載下時(shí)，主鉤在各檔速度下仍能平穩(wěn)工作；

2）在滿負(fù)載時(shí)，能在空中停止并重新啟動(dòng)不產(chǎn)生溜鉤的現(xiàn)象；

3）主鉤的負(fù)載力矩為位能性反抗力矩，因而電動(dòng)機(jī)可能運(yùn)轉(zhuǎn)在電動(dòng)狀態(tài)或制動(dòng)狀態(tài)，下放重物，電機(jī)工作于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，再生能量必須速迅釋放，停車(chē)時(shí)必須采用機(jī)械制動(dòng)；

4）除此這外，還要有必要的零位、失壓、短路、過(guò)載和行程終端保護(hù)等。

2 主令控制器的功能

主令控制器是一個(gè)具有機(jī)械互鎖的13檔位開(kāi)合狀態(tài)的開(kāi)關(guān)量控制器，它具有頻繁起停、上下速運(yùn)行、行程控制、零位保護(hù)等功能。主鉤的主令控制器在不同檔位開(kāi)合狀態(tài)信號(hào)，主令控制器的是將對(duì)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)、調(diào)速、零位保護(hù)、限位保護(hù)等命令開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸送給系統(tǒng)（PLC的輸入），作為主鉤系統(tǒng)的控制輸入信號(hào)。

3 變頻器的選擇

3.1 類(lèi)型的選擇

變頻器為電動(dòng)機(jī)提供頻率可調(diào)的交流電源，是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)速度調(diào)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備。根據(jù)控制功能分有三種類(lèi)型：即普通功能控制型、具有轉(zhuǎn)矩控制的高功能型、矢量控制高性能型；由于主鉤負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，可選用具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型變頻器，因?yàn)檫@種變頻器低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大，靜態(tài)機(jī)械性硬度大，不怕沖擊負(fù)載，具有挖士機(jī)的特性；同時(shí)其性能價(jià)格比還是相當(dāng)令人滿意的。故選用三菱FR—A240E系列高功能型變頻器。

3.2 容量的選擇

在起重機(jī)械中，因?yàn)樯邓贂r(shí)電流較大，同時(shí)在下放重物時(shí)，電機(jī)持續(xù)工作在制動(dòng)狀態(tài)，則變頻器的容量適當(dāng)予以放大。通常，起重機(jī)械用變頻器容量是按以下步驟求出的：

1）先求出負(fù)載的電機(jī)容量Pmn(kW),公式是Pmn≥Gn·ν/6120·η。式中Gn——額定重量（kg）,具體計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮須有125%的過(guò)載能力，v——額定線速度（m/min）,η——機(jī)械效率。

2）再根據(jù)負(fù)載電機(jī)容量計(jì)算變頻器的容量 （kVA）,公式是Pcn≥k·Pmn/η·cosφ。式中k——電流波形的修正系數(shù) （PWM方式取1.05-1.1），η——電動(dòng)機(jī)的效率(通常取0.75)。

3）變頻器的額定電流計(jì)算式：變頻器額定電流＞電動(dòng)機(jī)額定電流×（k1·k3/k2）,式中k1——所需最大轉(zhuǎn)矩與電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩之比值（一般取1.5-1.8）,k2——變頻器過(guò)載能力(一般取1.5),k3——裕量(取1.1)。

對(duì)于15/3t橋式起重機(jī)的主鉤電機(jī)容量已經(jīng)知道，為22 kW，則根據(jù)公式計(jì)算出變頻器的容量Pcn≥k·Pmn/η·cosφ≥38 kVA，故選用容量為40kVA的變頻器，且能滿足變頻器的額定電流的計(jì)算公式。

3.3 變頻器的速度控制與要求

變頻器具有可以預(yù)先設(shè)定多檔工作頻率（大多為7檔或8檔），頻率的檔次由外部控制模式中控制端子RH、RM、RL的不同狀態(tài)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)利用PLC的三點(diǎn)輸出信號(hào)來(lái)控制RH、RM、RL的不同狀態(tài)組合，實(shí)現(xiàn)變頻器對(duì)主鉤電機(jī)的不同速度控制，。由于主鉤上、下行速度控制具有六檔位速度控制，在改造時(shí)用了前面六擋不同組合來(lái)實(shí)現(xiàn)了速度的控制。在傳統(tǒng)的主鉤控制中，下行控制中的“J”檔是下降的準(zhǔn)備檔，是為將齒輪等傳動(dòng)部件咬合好，以防止下放重物時(shí)突然快速運(yùn)動(dòng)而使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受到劇烈的沖擊（防止溜鉤）而設(shè)計(jì)的，這時(shí)主鉤電動(dòng)機(jī)加上正向相序電壓，同時(shí)電磁抱閘末松開(kāi)制動(dòng)輪，因此，電機(jī)轉(zhuǎn)子不動(dòng)，因而在“J”檔中不允許停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，以免電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)而燒壞。在改用變頻器控制改造中取消了這個(gè)準(zhǔn)備檔，但是為了防止溜鉤現(xiàn)象，我們利用了變頻器的輸出頻率檢測(cè)功能信號(hào)輸出端子FU，配合PLC來(lái)控制主鉤的電磁抱閘的動(dòng)作。起動(dòng)時(shí)，頻率逐漸增加，電機(jī)繞組加上正向或反向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，但由于頻率未能增加至輸出頻率檢測(cè)功能的設(shè)定值，抱閘線圈不得電，抱閘不松開(kāi)，防止了溜鉤。同理，停止時(shí)，頻率逐漸減小，降至輸出頻率檢測(cè)功能的設(shè)定值，先使抱閘線圈失電，抱閘抱緊制動(dòng)輪，再使電機(jī)頻率逐漸減小至零，也防止了溜鉤。

此外，主鉤在下放重物時(shí)，由于重力作用，電動(dòng)機(jī)將處于再生制動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)的動(dòng)能將通過(guò)逆變器反饋到變頻器的直流回路中，使直流電壓升高，甚至達(dá)到危險(xiǎn)的地步。因必須配置專(zhuān)用的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，以保證足夠的轉(zhuǎn)矩。同時(shí)使直流回路電壓保持在允許范圍內(nèi)。制動(dòng)電阻的容量一般應(yīng)和電動(dòng)機(jī)的功率相等，制動(dòng)電阻值的大小計(jì)算公式為：

R=（Ud·Ud）/Pm，制動(dòng)單元的允許電流按電機(jī)的工作電流的兩倍考慮。

4 PLC的控制

PLC是主鉤系統(tǒng)的控制部分，接受來(lái)自主令控制器、按鈕、變頻器頻率檢測(cè)信號(hào)等，對(duì)主鉤的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，是主鉤的控制核心。根據(jù)主鉤的控制要求及點(diǎn)數(shù)要求，選用點(diǎn)數(shù)為48點(diǎn)的PLC基本單元，在主鉤改造中，我們選用了三菱系列中FX2N——48MR型PLC。其輸入/輸出(I/O)的接線圖5所示為：

圖5 PLC的I/O接線圖

由上面PLC的I/O接線圖各點(diǎn)的定義與主鉤原控制中的功能要求，編寫(xiě)了一套控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)主鉤的上下運(yùn)行、調(diào)速、制動(dòng)等的控制，在梯形圖中，Y1（KA0）是主令控制器的零位信號(hào)，用來(lái)控制外接電壓繼電器kV，對(duì)主鉤控制線路起失壓和零位起動(dòng)，保證每次起動(dòng)電機(jī)頻率從零逐漸增加；M0為變頻電源接通條件軟繼電器，由外部電壓繼電器kV控制，同時(shí)它也具有短路、過(guò)載、失壓、變頻器異常等保護(hù)功能；M4是主鉤電源接通軟繼電器；M1、M2是主令控制器的上、下行允許軟繼電器，作限位保護(hù)和上行超程控制；Y0(KM2)主鉤電源接觸器；Y2、Y3是變頻器的上、下行相序控制信號(hào)；Y5（KA5）、Y6(KA6)、Y7{KA7}是變頻器的檔位速度控制，對(duì)主鉤進(jìn)行速度調(diào)節(jié)控制；M3是變頻器頻率檢測(cè)軟繼電器，由變頻器頻率檢測(cè)輸出信號(hào)端FU(X04)控制；Y4(KM4)是主鉤制動(dòng)用電磁抱閘電源控制接觸器，它是采用失電制動(dòng)，由電機(jī)速度控制檔和頻率檢測(cè)信號(hào)(M3)配合控制抱閘電源；Y10(KA3)是變頻復(fù)位信號(hào)，對(duì)變頻器起復(fù)位作用。為了確保PLC控制的變頻器調(diào)速技術(shù)對(duì)橋式起重機(jī)主鉤拖動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到改造要求，進(jìn)行了主提升機(jī)構(gòu)模擬負(fù)載試驗(yàn)。其載荷分為：空鉤17%，負(fù)載為62.1%、106%、125%額定負(fù)荷，速度分為三擋：10%、60%、100%；副鉤為 3t，載荷分為：空鉤 30.6%，負(fù)載為62%、92%、123%，速度也分為三擋：10%、60%、100%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如附錄6所示：試驗(yàn)證明，采用PLC控制的變頻器調(diào)速改造方案的各項(xiàng)技術(shù)數(shù)據(jù)均優(yōu)于其他調(diào)速方案，可達(dá)到改造目標(biāo)。

5 方案實(shí)施

1）由于主鉤電動(dòng)機(jī)所用的是繞線式電機(jī)，因此要將該電機(jī)的轉(zhuǎn)子三相繞組在滑環(huán)處短接（原串電阻全部取消）；

2）根據(jù)主鉤主電路、控制電路接線原理圖對(duì)主令控制器、PLC、變頻器進(jìn)行改裝與接線；

3）變頻器的參數(shù)設(shè)定；

4）PLC程序編寫(xiě)與輸入；

5）整機(jī)調(diào)試與試運(yùn)行；

6）信息回饋。

6 結(jié)束語(yǔ)

由此可見(jiàn)，利用PLC控制的變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)橋式起重機(jī)主鉤電路進(jìn)行改造，系統(tǒng)的各擋速度、加速時(shí)間都可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況由變頻器設(shè)置，調(diào)整方便，增加了主鉤的靈活性和工作環(huán)境，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，各擋速度基本不變，調(diào)速性能好，并能迅速準(zhǔn)確地移動(dòng)和定位。良好的低速性能，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試運(yùn)行，不但提高了起重機(jī)的工作效率，而且節(jié)能效果明顯。同時(shí)，故障維修率大為減少，達(dá)到改造目的，具有一定的推廣價(jià)值。

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