電工新技術在橋式起重機上的應用

王光梅

摘要：橋式起重機廣泛應用于工業生產和設備檢修中，所以起重機運行正常與否將影響生產的順利進行和設備人身的安全。文章主要闡述了變頻器驅動技術及PLC控制系統在橋式起重機上的應用，淺析了橋式起重機的一種全新控制模式。

關鍵詞：橋式起重機；電工新技術；變頻器；Profibus-DP總線；PLC（可編程控制器） 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH215 文章編號：1009-2374（2015）18-0048-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.025

1 現有起重機的現狀

橋式起重機應用廣泛，在工業生產和設備檢修中起到重要作用，所以起重機運行正常與否將影響生產的順利進行和設備人身的安全。傳統的橋式起重機是采用繞線式交流異步電機拖動，利用轉子串電阻的方式進行調速，采用凸輪控制器-繼電器-接觸器進行系統控制，這種控制系統具有以下特點：（1）繼電接觸器控制系統在頻繁工作時故障率高，特別是在環境條件較差的情況下，設備維護成本較高；（2）轉子串電阻調速屬于能耗性調速，大量的轉差功率消耗在轉子電阻上，浪費能源，與現行環保節能要求相悖；（3）機械特性軟，調速范圍小，調速平滑性差，起制動不平穩，對機械沖擊較大，影響設備壽命，系統保護功能不夠完善，容易導致故障擴大。

針對這種情況，必須改進調速方式和控制設備，完善各項保護功能，提高設備運行可靠性，才能確保核心設備的穩定運行。隨著電力電子技術的發展，PLC（可編程控制器）及變頻調速技術普遍應用于電力拖動領域，在起制動頻繁的橋式起重機上可以充分發揮高效節能、故障率低、可靠性高的特點。

2 系統構成

變頻器調速橋式起重機電氣控制部分由核心部件變頻器、PLC及相關控制元件和保護元件組成。在本系統中，變頻器采用了Siemens公司的6SE70系列通用矢量變頻器，該系列變頻器集成度高、通用性強，具有矢量控制、恒磁通控制及恒功率通風機控制等多種控制模式，在有編碼器等反饋器件的閉環控制模式下，可以在0.2～400Hz之間實現無級平滑調速，特別是采用矢量控制模式后，變頻器控制性能及精度得到完美發揮，完全可以和直流調速傳動系統媲美。系統控制PLC采用了Siemens公司的S7-300CPU，處理器為CPU315-2DP，它具有強大的處理能力，并集成了2個Profibus-DP現場總線接口裝置，可通過總線接口直接連接外部設備。操作臺發出的控制指令，由司機室的ET200遠程機架通過通訊網絡將信號送入CPU，其他相關聯鎖信號和保護信號則直接送到PLC主機架，PLC采用Profibus-DP網絡與變頻器通訊，將控制信號通過網絡送給變頻器，變頻器的工作狀態也通過Profibus-DP網絡傳輸到PLC，形成一個控制上的閉環系統。為了提高系統控制精度，在起升機構中使用了速度編碼器構成速度閉環控制，PLC在檢測各種聯鎖信號及變頻器工作狀態后，向變頻器發送相應控制指令，因此系統的保護功能及相關安全聯鎖在相同硬件條件下，比繼電系統更加完善。

3 變頻器參數設置及調試

在變頻器調試過程中，利用Siemens驅動設備配套編程工具DriveMonitor進行參數的設置，可以在Windows操作界面下對變頻器的相應參數進行直觀快捷的設置。

3.1 恢復工廠設置值

恢復工廠設置值的方法此處不再詳述。

3.2 快速參數設置

在恢復變頻器參數到出廠設置值后，即可利用快速參數化進行變頻器控制參數的快速設置。在DriveMonitor中選擇相應參數菜單，所有相關參數全部顯示在主窗口中。

在選擇快速參數設置方式后，如果用DriveMonitor進行參數設置，則所有參數顯示在相應窗口中，直接進行設置即可；如果無相應軟件而直接利用變頻器簡易操作面板進行參數設置，則相關參數會隨著參數下移自動顯示出來，根據需要正確設置對應參數后，設置P370=1完成參數設置，變頻器進行其他相關參數的自動計算。

3.3 特殊參數調整

對于控制系統中使用到的一些特殊控制要求，還需對個別參數進行設置。例如在本系統中使用到的機械制動功能就需要激活制動功能控制塊和設置相應參數，其中開閘力矩和抱閘速度必須根據現場使用情況進行合理設置，以確保機械制動器動作時序正確可靠。并將開閘指令通過通訊網絡返回到PLC中對制動接觸器進行控制。抱閘控制輸出信號為B275，相應信號必須通過在通訊返回參數中設置后才能返回到PLC對機械抱閘進行

控制。

4 控制軟件設計

本系統采用Siemens配套編程工具STEP7完成硬件組態、參數設置、PLC程序編制、調試和文檔處理。

4.1 網絡硬件組態

由于整個系統采用Profibus-DP網絡通訊，在STEP7中必須進行相應硬件組態。在系統中，首先要對每個PLC本身進行硬件組態，如S7-300的機架、CPU模塊、電源模塊、輸入輸出模塊及ET200遠程站等，同時還要對各機構變頻器的網絡參數進行組態。

4.2 PLC控制程序設計

系統控制程序由組織塊（OB）、功能（FC）、功能塊（FB塊）及相應背景數據塊（DB）組成。在本控制系統程序編制過程中，利用模塊化程序設計方法，由于各個機構的控制接口及功能十分相似，只是具體參數不同，因此將高級語言中的面向對象程序設計方法應用到了本控制系統程序的設計中，實現了代碼重用，簡化了控制程序的設計、調試和維護。

PLC與變頻器之間的通訊通過直接調用系統功能塊SFC14和SFC15實現，只需簡單設置系統功能塊的參數即可完成，使系統通訊程序簡單可靠。各種操作聯鎖信號通過PLC在綜合信號屏上進行顯示，對操作維護人員具有很強的操作指導作用。

5 性能特點

采用先進的現代交流變頻調速和可編程控制技術，對傳統的橋式起重機的拖動系統進行技術改造，使橋式起重機能實現平穩操作，提高運行效率，改善超負荷作業，消除啟制動沖擊，降低電氣故障，降低電能消耗，提高功率因數。同時該系統還具有過電流、過電壓、欠電壓、接地和輸入缺相以及變頻器超溫、超載、超速、制動單元過熱、電動機過熱等保護。

新系統具有如下顯著特點：（1）PLC的應用可以有效解決電氣系統聯鎖和接線復雜的問題，由于采用網絡通訊控制方式，極大簡化了控制回路，減少了施工難度；（2）啟動和停車時降低了機械傳動沖擊，可明顯改善鋼結構的承載性能，延長了起重機的使用壽命；（3）制動器通過變頻器根據電機轉矩及轉速進行控制，只有當電機轉矩達到設定值時才打開制動器，即實現有力矩開閘，在起升機構中不會出現重物下滑，確保系統安全可靠，而關閉制動器是通過變頻器檢測電機轉速，當電機轉速低到設定值后發出關閉制動器指令，即實現低速抱閘，減少對機械的沖擊；（4）有超載限制器，過電流過轉矩等各種完善的保護功能，可以最大限度地避免重大設備事故發生；（5）系統所用變頻器，能較大提高系統的功率因數和整機工作效率，節能效果顯著，平均節電率可達20%以上；通過PLC將所有信號綜合檢查比較，并在綜合信號顯示屏上顯示，方便技術人員和操作人員的維護與現場監控，并縮短維修時間，提高了設備的可開動率；PLC可以通過自身通訊接口或擴展通訊模塊與上級監控網絡進行通訊，方便實現集中網絡控制和監控。

6 變頻器-PLC控制系統的要求及探討

第一，變頻器-PLC控制系統要求環境溫度控制在0℃～40℃；相對濕度5%～95%；環境溫度不能保證時，電氣室需安裝空調。

第二，對金屬粉塵要求較高，所以電氣室密封要好，平時維護保養過程中要注意除塵。

第三，電網電壓波動要求控制在±10%以內，確保變頻器可靠工作。

第四，由于采用通訊方式進行系統控制，當通訊部分出現故障時，可能造成系統失控現象，所以最好通過硬接線加入變頻器緊急停車信號，以確保在出現故障的情況下發出停車指令。

參考文獻

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（責任編輯：秦遜玉）