10t淬火橋式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)

劉 君，劉文濤，穆 巍，康 寧

大連神通電氣有限公司，遼寧大連 116113

0 引言

淬火橋式起重機(jī)是用在金屬熱處理的專用起重機(jī)械，主要用于對大型工件或細(xì)長桿件快速進(jìn)入淬火液中淬火。隨著對起重機(jī)的調(diào)速方式與精度的不斷提升,控制方式也越來越先進(jìn),如采用PLC 程序控制替代繼電器邏輯控制,變頻器替代傳統(tǒng)的三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)串電阻的調(diào)速方式等。本文以大連神通電氣有限公司有限公司為大連寶原核設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)的10t 電動(dòng)雙梁吊鉤淬火橋式起重機(jī) (以下簡稱“淬火橋機(jī)”)為例，對該淬火橋機(jī)的電氣控制系統(tǒng)與各機(jī)構(gòu)的控制方式作一介紹。

1 電氣控制系統(tǒng)簡介

大連寶原核設(shè)備有限公司的10t 淬火橋機(jī)采用雙梁單小車結(jié)構(gòu),小車上布置一個(gè)起升電動(dòng)機(jī),單鉤最大起重量為10t。起升機(jī)構(gòu)為變頻器調(diào)速，大車、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方案，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)有獨(dú)立的照明變壓器，為照明、維修插座及輔助電路提供AC220V,AC36V 電源?？刂品绞讲捎玫聡鳫BC-FST524M4 系列遙控器地面遙控。淬火橋機(jī)電氣系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、接觸器以及中間繼電器構(gòu)成。該系統(tǒng)的控制核心為歐姆龍CS1 系列PLC 構(gòu)成的CUP 機(jī)架,該系統(tǒng)一個(gè)CPU 機(jī)架由一個(gè)CUP 單元、電源單元、CPU 底板，基本I/O 輸入輸出單元構(gòu)成。輸入單元主要對操作指令、各機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)以及各限位開關(guān)的反饋信號(hào)進(jìn)行采集；輸出單元主要作為起升變頻器的輸入信號(hào)及控制平移機(jī)構(gòu)的方向和速度，該系統(tǒng)的CPU 機(jī)架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)CPU 機(jī)架

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 變頻器選型

淬火橋機(jī)起升機(jī)構(gòu)選用ABB 公司的ACS800 系列提升機(jī)專用的變頻器,主要由于該系列變頻器性能明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用型變頻器。

1）軟件升級(jí)

增加了提升機(jī)軟件，該軟件對起升機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制、電氣制動(dòng)及機(jī)構(gòu)工作安全性等方面做了升級(jí)。

2）故障檢測

具有變頻器故障輸出功能,指示變頻器的工作狀態(tài)，當(dāng)變頻器出現(xiàn)異常時(shí)通過轉(zhuǎn)換變頻器內(nèi)部輸出繼電器的輸出狀態(tài)，使機(jī)構(gòu)禁止運(yùn)行。

3）制動(dòng)器控制

為了防止溜鉤，在起升機(jī)構(gòu)提升前,變頻器先產(chǎn)生一個(gè)向上的轉(zhuǎn)矩并對該轉(zhuǎn)矩進(jìn)行驗(yàn)證； 在起升機(jī)構(gòu)停止前，為了減少剎車片的磨損，增加制動(dòng)器的使用壽命，可以設(shè)定在電機(jī)低速時(shí)抱閘，抱閘前變頻器自動(dòng)檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速,達(dá)到設(shè)定的低速時(shí)再抱閘。

2.2 起升機(jī)構(gòu)

由于淬火起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)要求具有下降速度快，準(zhǔn)確定位制動(dòng)，因此本機(jī)起升機(jī)構(gòu)使用變頻器調(diào)速方案，起升電機(jī)型號(hào)為YZP200L1-6/22KW 所采用的變頻器型號(hào)為ACS800-01-0050-3+P901+D150+N652，由于異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，轉(zhuǎn)速n=60f/p，因此變頻器通過改變輸出頻率調(diào)速具有調(diào)速范圍大，平滑性好的優(yōu)點(diǎn)，本機(jī)變頻器采用CRANE 應(yīng)用宏，起升機(jī)構(gòu)配備脈沖編碼器，通過對電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制模式（DTC），達(dá)到對起升電機(jī)進(jìn)行精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制。

2.3 平移機(jī)構(gòu)

本機(jī)大、小車機(jī)構(gòu)分別采用XQR3 與XQR1 標(biāo)準(zhǔn)線路，通過轉(zhuǎn)子串電阻方案進(jìn)行調(diào)速，轉(zhuǎn)子電阻由一級(jí)反接電阻，三級(jí)加速電阻和一級(jí)軟化電阻組成。加速電阻在起動(dòng)后逐級(jí)切除，使電機(jī)逐步加速；軟化電阻是不切除的，始終接在轉(zhuǎn)子回路中，使機(jī)械特性稍稍軟化。此線路由于采用了延時(shí)繼電器自動(dòng)切除加速電阻的環(huán)節(jié)，因此主令控制器的檔位少，提高了自動(dòng)化程度，同時(shí)避免了由于操作快而使電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子回路無電阻的情況下起動(dòng)的可能性，增加了系統(tǒng)的安全性。

2.4 起升制動(dòng)器的控制

本機(jī)起升機(jī)構(gòu)選用的ACS800 系列變頻器具有轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證功能,變頻器可以將驗(yàn)證結(jié)果反饋到控制系統(tǒng)，以此確保起升電機(jī)在開閘前已有一個(gè)預(yù)加力矩,力矩大小通過設(shè)定變頻器的67 組參數(shù)后由變頻器自動(dòng)給出。本機(jī)起升機(jī)構(gòu)的抱閘應(yīng)用ABB 變頻器速度監(jiān)控功能，制動(dòng)時(shí)變頻器先減速,當(dāng)達(dá)到設(shè)定的抱閘速度時(shí)給出抱閘信號(hào)，當(dāng)PLC 的輸入模塊采集到該狀態(tài)時(shí)才抱閘，從而實(shí)現(xiàn)低速制動(dòng),增加制動(dòng)時(shí)的安全性，提高制動(dòng)器的使用壽命。

3 PLC 選型及程序設(shè)計(jì)

3.1 PLC 選型

本機(jī)選用歐姆龍公司的CS1 系列PLC ,采用CX-One 編程軟件。CS1 系列PLC 是具有多種控制功能、適用于各種領(lǐng)域的控制器。具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）進(jìn)一步提升了作為PLC 核心的指令實(shí)效性能，實(shí)現(xiàn)過程時(shí)間和精度的最優(yōu)化；

2）CPU 采用CS1G-CPU43H 具有在線編輯、程序保護(hù)、出錯(cuò)檢查等功能；

3）PLC 具有多種特殊指令，使得操作與應(yīng)用更加匹配，無需進(jìn)行復(fù)雜的梯形圖編程即可簡單的完成高精度的編程,方便程序的編制。

3.2 PLC 程序設(shè)計(jì)

1）主回路程序設(shè)計(jì)

將主斷路器輔助點(diǎn)、起升重錘限位以及門開關(guān)串接在主回路中，當(dāng)起升機(jī)構(gòu)到達(dá)重錘限位或門打開時(shí)，主接觸器斷電，各機(jī)構(gòu)都不能動(dòng)作。梯形圖如圖2 所示。

圖2 主回路梯形圖

2）起升機(jī)構(gòu)控制

通過PLC 輸入模塊接收到的遙控器給出的控制指令，對起升機(jī)構(gòu)變頻器起動(dòng)/停止和方向、速度進(jìn)行控制。梯形圖如圖3 所示。

圖3 起升變頻器控制梯形圖

3）平移機(jī)構(gòu)控制

通過PLC 輸入模塊接收到的遙控器給出的控制指令，對平移機(jī)構(gòu)的起動(dòng)/停止和方向，速度進(jìn)行控制。以大車機(jī)構(gòu)為例，梯形圖如圖4 所示。

4 安全保護(hù)

4.1 配電部分

整個(gè)控制系統(tǒng)配有XJ3-D 系列電源保護(hù)器，在電源缺相，過壓時(shí)對系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù),在橋機(jī)兩側(cè)端梁設(shè)置門開關(guān)，當(dāng)門打開時(shí)，門開關(guān)將信號(hào)反饋到PLC 輸入模塊，橋機(jī)的各個(gè)機(jī)構(gòu)都不能開動(dòng)。

圖4 大車機(jī)構(gòu)梯形圖

4.2 變頻器部分

選用的ACS800 系列變頻器具有電動(dòng)機(jī)過載、缺相、接地、過流、直流母線過電壓等保護(hù)。

4.3 機(jī)構(gòu)保護(hù)

各機(jī)構(gòu)均設(shè)有行程限位保護(hù)，行走機(jī)構(gòu)在兩端設(shè)置終點(diǎn)限位開關(guān)作為終端限位安全保護(hù)；起升機(jī)構(gòu)具有上升兩級(jí)保護(hù)。第一級(jí)保護(hù)本機(jī)構(gòu)，第二級(jí)保護(hù)斷開總電源接觸器。起升電機(jī)中還裝有超速開關(guān)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過1.15 倍最高轉(zhuǎn)速時(shí)，采用緊急剎車制動(dòng)，起升機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行。

4.4 其他保護(hù)

平移機(jī)構(gòu)均有零位保護(hù)、過載保護(hù)等。起升機(jī)構(gòu)配有重量限制器，當(dāng)負(fù)載達(dá)到額定值的90%時(shí)，發(fā)出預(yù)警報(bào)信號(hào)，起升機(jī)構(gòu)只能以低速運(yùn)行，當(dāng)負(fù)載達(dá)到額定值的105%時(shí)，發(fā)出警報(bào)信號(hào)，起升機(jī)構(gòu)停止上升，只能下降。

5 結(jié)論

本機(jī)于2011 年11 月調(diào)試完成并投入使用。運(yùn)行至今 ,系統(tǒng)工作正常,各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)符合技術(shù)要求，因此可以驗(yàn)證系統(tǒng)中所選用的電器元件是達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的，電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是安全可靠的。

[1]ACS800提升機(jī)傳動(dòng)控制固件手冊.北京ABB電氣傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司出版，2008.

[2]SYSMAC CS1 可編程序控制器.歐姆龍（中國）有限公司出版，2008.

[3]張志文.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊.中國鐵道出版社，1998.