PLC、變頻器及觸摸屏在門式起重機(jī)控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用

陳文淼 上海鐵路局上海鐵路裝卸服務(wù)（集團(tuán)）有限公司

隨著社會的發(fā)展，鐵路裝卸已實現(xiàn)機(jī)械化，機(jī)械作業(yè)比重達(dá)97%，而門式起重機(jī)又是裝卸機(jī)械的重要設(shè)備之一。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，PLC、變頻調(diào)速控制技術(shù)日趨成熟。本文以鐵路裝卸貨場26 t 門吊電氣控制系統(tǒng)改造為例，分析改造原理、特點及使用效果。而采用PLC、變頻調(diào)速控制技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器-接觸器控制方式，能克服傳統(tǒng)控制方式的弊端。

1 改造方案

1.1 系統(tǒng)主要設(shè)備配置

電動機(jī)：起升電動機(jī)采用變頻專用籠型異步電機(jī)1 臺（YZB280M-8，55 kW），大車電動機(jī)4 臺（YZ180L-8，11 kW），小車電動機(jī)2 臺（YZ132M-6，4 kW）。為節(jié)省費用，大小車電動機(jī)將繞線轉(zhuǎn)子短接使用，電刷去除。

變頻器、PLC：起升機(jī)構(gòu)用變頻器采用日本安川CIMR-G7A4075 一臺，配制動單元CDBR4045 兩臺；大車采用日本安川CIMR-G7A4055 一臺，配制動單元CDBR4030 兩臺；小車采用日本安川CIMR-G7A4011 一臺（制動單元內(nèi)置）。PLC 采用日本三菱FX2N-80MR 及擴(kuò)展卡FX2N-16EX。

觸摸屏：中文顯示觸摸屏,PWS-1700。

系統(tǒng)主要設(shè)備配置如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)主要設(shè)備配置圖

1.2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)原理

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)采用PLC 作為系統(tǒng)控制器，變頻器作為拖動系統(tǒng)變頻調(diào)速驅(qū)動器，PLC 采集凸輪（主令）開關(guān)指令、變頻器故障反饋、限位、超載、過熱及各類輔助觸頭等信號，經(jīng)I/0 輸入、輸出模塊把外部信號輸入PLC，經(jīng)嚴(yán)格的邏輯處理后進(jìn)行可靠的控制。變頻器對電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，接觸器、制動器等設(shè)備執(zhí)行相關(guān)動作，完成各項指定動作。PLC 向司機(jī)室觸摸屏輸入信號，觸摸屏系統(tǒng)可在線監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，根據(jù)故障信息指示故障原因并給出解決辦法。

圖2 為控制系統(tǒng)部分原理圖。

圖2 控制系統(tǒng)部分原理圖

(1) 大小車平移機(jī)構(gòu)均為摩擦性負(fù)載，負(fù)載特性簡單。采用變頻調(diào)速系統(tǒng)主要是提高運行的操作平穩(wěn)性，消除大小車頻繁行走時抱閘對機(jī)構(gòu)的機(jī)械沖擊。

(2)起升機(jī)構(gòu)拖動系統(tǒng)的負(fù)載屬于位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。采用日本安川CIMRG7 系列變頻器，能在很寬范圍內(nèi)無級調(diào)速，可以根據(jù)需要自由設(shè)定加、減速時間，具有很好的速度響應(yīng)性能。良好的低速力矩特性使電機(jī)在起動和加速時可獲得足夠大且平滑的加速度；具有零速全轉(zhuǎn)矩功能，保證零速時吊鉤在空中暫時停住，直到液壓制動器抱閘，防止溜鉤。變頻器采用帶PG 矢量控制方式，與起升電機(jī)同軸連接的旋轉(zhuǎn)編碼器（HLE45-600L-3F.AC）將電機(jī)速度信號反饋給變頻器進(jìn)行閉環(huán)控制。系統(tǒng)提供零位保護(hù)，失壓、欠壓、過壓保護(hù)，對過流、超速、接地、短路等有完善的保護(hù)功能，并具有通過軟件功能實現(xiàn)起升機(jī)構(gòu)的防溜鉤、防下滑等保護(hù)功能。各檔速度、加速時間和制動減速時間都可根據(jù)現(xiàn)場情況由變頻器設(shè)置，調(diào)整方便。

(3)制動方式：預(yù)防溜鉤采用能耗制動和液壓機(jī)械制動相結(jié)合的方法。

起重機(jī)大小車減速及起升機(jī)構(gòu)貨物下降時，電動機(jī)將處于再生制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)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(dá)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(nèi)。制動電阻就是用來消耗這部分能量的。

由于制動器從抱緊到松開，以及從松開到抱緊的動作過程需要時間（約0.5 s），而電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生或消失，是在通電或斷電瞬間就立刻反應(yīng)的。因此，制動器和電動機(jī)在動作的配合上極易出現(xiàn)問題。如電動機(jī)已經(jīng)通電，而制動器尚未松開，將導(dǎo)致電動機(jī)的嚴(yán)重過載;反之，如電動機(jī)已經(jīng)斷電，而制動器尚未抱緊，則重物必將下滑，即出現(xiàn)溜鉤現(xiàn)象，因此要有相應(yīng)的防止措施。安川變頻器具有零速全轉(zhuǎn)矩功能（又稱零伺服功能，即零速時電動機(jī)仍能輸出150%的額定轉(zhuǎn)矩，使重物停在空中），但是若重物停在空中時出現(xiàn)電源瞬間停電等情況，就會有重物下滑的危險。因此，必須加裝制動器。為此，我們采用的是液壓制動器。

(4)可編程序控制器（PLC）采用日本三菱FX2N-80MR 作為控制器。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)及作業(yè)工序等特點，編制PLC 控制程序，實行PLC 無觸點控制。觸摸屏實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)視和各機(jī)構(gòu)分散監(jiān)視結(jié)合的方式，可在線監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，根據(jù)故障信息指示故障原因并給出解決辦法。圖3 為起升控制部分程序。

圖3 起升控制部分程序

1.3 變頻調(diào)速控制主要特點

(1)PLC 根據(jù)控制操作指令、各類限位開關(guān)、變頻啟動/停止、故障反饋、繼電器接觸器觸頭等外部開關(guān)量輸入信號，經(jīng)PLC 程序處理輸出控制變頻器的正反轉(zhuǎn)及各段速度與制動器、風(fēng)機(jī)等開關(guān)量指令，完成各工況的協(xié)調(diào)控制，以達(dá)到最佳狀態(tài)。

(2)控制系統(tǒng)對操作人員違反操作規(guī)程進(jìn)行反向操作不響應(yīng)、不動作，各機(jī)構(gòu)直接通過主令（凸輪）控制器開關(guān)手柄回零實現(xiàn)最快停車操作，電動機(jī)將以設(shè)置的加速度作減速/加速運行。運行平穩(wěn)，無沖擊，減少貨物搖擺，提高裝卸作業(yè)貨物的穩(wěn)定性和裝卸的安全。

(3)變頻器具備對電動機(jī)和變頻器本身的完善保護(hù)（如過熱、過載、過流、過壓、缺相、失速等）功能，能顯示故障代碼，根據(jù)故障代碼可查詢故障出現(xiàn)的原因及排除故障的對策，方便設(shè)備維修人員，一般故障按故障復(fù)位鍵便可解決。

(4)PLC 與觸摸屏系統(tǒng)可在線監(jiān)控設(shè)備當(dāng)前的運行狀態(tài)，監(jiān)視各控制點的運行情況，顯示操作說明、故障記錄及出現(xiàn)故障解決的對策，方便維修。

(5)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)無觸頭輸出控制，結(jié)構(gòu)緊湊，控制回路簡單，控制精度高，易于維護(hù)，降低設(shè)備故障率，節(jié)省費用，提高穩(wěn)定性。

(6)具有零速全轉(zhuǎn)矩功能，保證零速時吊鉤在空中暫時停住，直到液壓制動器抱閘，防止溜鉤，避免貨物和人員的損傷。

(7)安裝封閉的控制配電間，實現(xiàn)防腐、防潮、防塵，避免貨場焦炭粉塵的腐蝕，以適應(yīng)鐵路貨場惡劣的工作環(huán)境。

(8)節(jié)能顯著。圖4 為異步電機(jī)變頻調(diào)速機(jī)械特性，圖5 為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速機(jī)械特性。圖中曲線①為自然特性，曲線②為轉(zhuǎn)子串入電阻機(jī)械特性，曲線③為變頻調(diào)速機(jī)械特性。

圖4 變頻調(diào)速機(jī)械特性

圖5 串電阻調(diào)速機(jī)械特性

電動機(jī)理論損耗功率△P=KL×(n1-n01)= KL×△n1，式中KL =T/9550為比例常數(shù)。變頻調(diào)速損耗功率在不同頻率下運行時，轉(zhuǎn)差基本不變，所以功率損耗基本等于額定功率，△P2 = KL×△n2。轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速功率損耗隨轉(zhuǎn)速的下降而發(fā)生變化，與增加了的轉(zhuǎn)差成正比，△P3 =KL×△n3,變頻調(diào)速節(jié)能顯著。

2 改造后應(yīng)用效果

改用PLC、變頻調(diào)速控制后，經(jīng)過幾年的現(xiàn)場運行使用，取得了一定的效果。

⑴采用變頻調(diào)速，調(diào)速平滑，調(diào)速范圍寬，實現(xiàn)無級調(diào)速，工作效率高。起升及大小車在啟動、加速、停止等過程中更加平穩(wěn)快速，降低貨物的擺動，提高裝卸過程的安全性。

⑵運行效率高，發(fā)熱損耗少。根據(jù)現(xiàn)場實際監(jiān)測，節(jié)電率可達(dá)20%左右。

⑶控制回路簡單，實現(xiàn)了電動機(jī)的軟啟動，很好解決了啟動、停止時的沖擊電流，并有完善的短路、過載等保護(hù)功能。系統(tǒng)易于維護(hù)，避免了機(jī)械受大力矩沖擊的損傷和破壞，減少了機(jī)械維護(hù)及檢修費用，極大地提高了設(shè)備的可靠性與安全性，延長使用壽命。

3 結(jié)束語

經(jīng)過幾年的現(xiàn)場實踐運行證明，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)達(dá)到了改造的預(yù)期目標(biāo)，效果非常顯著，在門式起重機(jī)上的應(yīng)用是切實可行的。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、運行平穩(wěn)、調(diào)速性能優(yōu)異、操作維護(hù)簡單、安全可靠、節(jié)能顯著等特點，在鐵路裝卸機(jī)械中可推廣運用，在起重行業(yè)領(lǐng)域里具有廣泛的應(yīng)用價值。