PLC和變頻器在橋式起重機中的應用

倪振峰

（江蘇熔盛重工有限公司，江蘇 南通 226532）

1 引言

橋式起重機在造船行業(yè)中起著舉足輕重的作用，傳統(tǒng)的橋式起重機采用交流凸輪控制器控制，調(diào)速方式為繞線式異步電動機轉子串電阻調(diào)速，因動作頻繁經(jīng)常會出現(xiàn)控制觸點燒壞現(xiàn)象，設備可靠性低。隨著新技術和控制設備的發(fā)展，PLC和變頻器控制系統(tǒng)在橋式起重機中得到廣泛運用，用鼠籠電機代替原繞線電機實現(xiàn)變頻調(diào)速，大大提高了起重機的控制性能和可靠性。

因橋式起重機起升機構是控制系統(tǒng)的重點，本文著重介紹PLC和變頻器在起升機構中的應用。

2 橋式起重機起升機構的特點及控制要求

2.1 起升機構特點

橋式起重機起升機構為位能性負載，當起吊重物下降或快速減速運行，電動機處于再生發(fā)電制動狀態(tài)，需將再生能量反饋給電網(wǎng)或用制動電阻進行耗能，其拖動系統(tǒng)屬恒轉矩性質(zhì)。

2.2 起升機構控制要求

（1）橋式起重機起升機構要求啟動力矩大，運行平穩(wěn)，且能正反轉運行；

（2）起升機構在起吊、停止時必須防止“溜鉤”；

起升機構制動器常采用電磁鐵制動器和液壓推動制動器，當制動器從抱閘到松開或從松開到抱閘需動作時間，但電機轉矩輸出在通電或斷電時是瞬間變化的，因此控制回路需考慮制動器與電動機在動作上嚴格配合，防止溜鉤。

（3）具有超載、限流、高度限位等保護功能。

3 PLC和變頻器的配置及應用

3.1 系統(tǒng)配置

（1）系統(tǒng)PLC采用S7-200 CPU 224，擴展模塊EM221、EM223。

（2）起升機構變頻器采用G7矢量控制型變頻器，此系列變頻器具有零速全轉矩控制功能，能滿足起升機構起動力矩大等控制要求，通過變頻器參數(shù)設置，控制制動器的開 /關順序，能有效地防止起升機構出現(xiàn)“溜鉤”現(xiàn)象。

（3）起升機構電機采用變頻電機。變頻器的選擇要比電動機容量大一個等級，如電動機功率為75kW（YZPF 315M-10），則需選用90kW的變頻器（CIMR-G7B4090）。

3.2 起升機構電氣原理圖

（1）主鉤回路電氣圖

如圖1所示為主鉤回路部分。制動部分說明如下：如90kW的變頻器，可選3只型號為CDBR-4045B的制動單元，每一制動單元接9600W13.6Ω的制動電阻，制動單元要注意主/輔設定（一主二輔）。

圖1 主鉤回路

（2）主鉤多段速控制回路

如圖2所示為主鉤多段速的PLC輸入輸出部分，輸入來自主令控制器，用于控制主鉤升降四速控制，輸出還包括變頻器故障復位及制動器控制（圖中未給出超載、限位等保護控制點）。

圖2 主鉤多段速控制

3.3 主鉤部分PLC程序及工作過程

（1）主鉤部分PLC控制程序

如圖3所示為主鉤部分PLC控制程序。

（2）對應輸入輸出信號表

表1所示為對應輸入輸出信號表。

表1 對應輸入輸出信號表

由圖3可知，當主令控制器在上升位，一檔時I0.0接通，Q0.1有輸出使1KA1動作，變頻器S1有輸入，變頻器以低段速d1-01設定的頻率工作。這里需進一步說明的是：三檔時，I0.2與I0.3接通，由梯形圖可知，Q0.3、Q0.4有輸出，使變頻器S5、S6有輸入，以d1-04設定的頻率工作，四檔則以d1-03設定的頻率工作。下降時類似。

另外，梯形圖中給出了相關的保護。

3.4 變頻器參數(shù)與制動器動作時序

起升機構變頻器控制模式可采用帶PG的矢量控制或無PG的矢量1控制方式。

（1）帶PG的矢量控制方式

圖3 主鉤部分PLC程序

帶PG的矢量控制在全速度設定范圍內(nèi)轉矩波動小，具有零速全轉矩功能，保證了電機速度降為零時，能使重物在空中暫停，直到機械制動器抱住電機軸，有效防止了溜鉤。

變頻器部分主要參數(shù)設定如表2所示。

表2 變頻器部分主要參數(shù)設定（帶PG的矢量控制）

電機參數(shù)：E1參數(shù)根據(jù)電機銘牌進行設定，E2參數(shù)在電機進行自學習時自動設定。

如圖4所示為帶PG的矢量控制的制動器開/關時序圖。

圖4 制動器開/關時序圖（帶PG的矢量控制）

利用變頻器多功能接點輸出端M1-M2信號送入PLC輸入點I5.4（主鉤變頻器零速），通過PLC程序控制輸出點Q0.6，使接觸器1KM1動作，從而控制制動器打開。停止時，以b2-01、b2-04設定值進行直流制動，直至制動器抱閘到位，實行零速控制功能。

（2）無PG的矢量1控制方式

無PG的矢量1控制方式控制性能比帶PG的矢量控制要差，但無需編碼器和變頻器PG卡，可用于要求不高的場合，通過變頻器控制制動器開/關順序，合理設定參數(shù)，也能有效防止溜鉤。

變頻器部分主要參數(shù)設定如表3所示。

電機參數(shù)：E1參數(shù)根據(jù)電機銘牌進行設定，E2參數(shù)在電機進行自學習時自動設定。

表3 變頻器部分主要參數(shù)設定（無PG的矢量控制）

如圖5所示為無PG的矢量1控制的制動器開/關時序圖。

圖5 制動器開/關時序圖（無PG的矢量1控制）

由圖5可知，在變頻器輸出頻率達L4-01設定值時，輸出端M1-M2輸出信號，控制制動器打開，停止時關閉制動器，并以b2-01、b2-02設定值進行直流制動，防止發(fā)生溜鉤。

4 控制系統(tǒng)的優(yōu)點及效果

（1）變頻器能實現(xiàn)平滑調(diào)速、效率高，吊鉤起動、加速、停止平穩(wěn)快速，調(diào)速范圍寬，能低速穩(wěn)定運行，重物落地時負載沖擊小，定位精度高。

（2）系統(tǒng)很好解決了電動機起動、停止時的沖擊電流，抑制了有害的機械沖擊，并對電動機有完善的短路、過載、缺相等保護功能，極大的提高了起重機的可靠性和安全性，延長了其使用壽命。

（3）變頻器通過頻率檢出，多功能接點輸出端（M1-M2）作為制動器的開/關信號使用，并與變頻器參數(shù)配合，有效防止了起升機構溜鉤。

（4）變頻器采用矢量控制方式，可以將電機定子電流分解成規(guī)定的磁場電流和轉矩電流，分別進行控制，通過轉矩控制，在電機靜止狀態(tài)，能控制它所產(chǎn)生的靜止轉矩。

（5）PLC和變頻器系統(tǒng)控制回路可靠、故障率低、易于維護，大大降低了維修費用。

（6）系統(tǒng)可配置觸摸屏或文本顯示器對主鉤載荷、運行狀態(tài)、故障情況等進行監(jiān)控。

5 結束語

本文介紹了橋式起重機起升機構的特點、控制要求、PLC和變頻器系統(tǒng)配置及應用實例，并對變頻器兩種矢量控制方式的制動器動作時序進行了說明，在起重機實踐應用中均取得了良好的控制效果。

［1］安川電機.Varispeed G7使用說明書，2009.

［2］姚錫祿.變頻器控制技術與應用［M］.福建科學技術出版社，2005.

［3］陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.機械工業(yè)出版社.1994.