基于PLC-變頻控制的橋式起重機(jī)節(jié)能改造

李記葉，劉劍峰，張旭升

（山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院泰安分院 271000）

0 引言

隨著新技術(shù)和控制設(shè)備的發(fā)展，現(xiàn)在人們普遍采用變頻器作為變頻調(diào)速電源，用籠形異步電動(dòng)機(jī)取代原來(lái)的繞線(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)，用PLC 作為控制裝置進(jìn)行無(wú)觸點(diǎn)控制。從而改善了調(diào)速性能，增加了系統(tǒng)的可靠性。本文通過(guò)一個(gè)實(shí)例分析變頻器和PLC 在系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。

1 傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的特點(diǎn)及缺陷

線(xiàn)繞式異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)是傳統(tǒng)的橋式起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子回路在繼電-接觸器的控制下有級(jí)別調(diào)速多段電阻。該控制模式具有效率低、耗能大、線(xiàn)路易發(fā)故障、機(jī)械性軟、維修頻繁、低速啟動(dòng)動(dòng)力距小、調(diào)速穩(wěn)定性能低等缺點(diǎn)。并且在運(yùn)動(dòng)中系統(tǒng)抱閘，較易損害制動(dòng)器，嚴(yán)重磨損閘皮，使用期限縮短。所以，進(jìn)一步的提升高橋式起重機(jī)的精確性與安全性，應(yīng)該做好技術(shù)改造工作，比如采取變頻器改造法優(yōu)化拖動(dòng)系統(tǒng)。

接觸式繼電控制系統(tǒng)是橋式起重機(jī)的主要控制系統(tǒng)，具有接線(xiàn)量大、噪音大，控制邏輯更改困難等特點(diǎn)。并且，較低的能量轉(zhuǎn)換效率使得成本上升、能耗加大。工作中發(fā)出的噪音給周?chē)斐闪谁h(huán)境困擾，以社會(huì)提倡的環(huán)境保護(hù)目標(biāo)截然相反。所以，有必要做相應(yīng)的節(jié)能改造，改善創(chuàng)痛起重機(jī)的運(yùn)行效果。

2 傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的PLC-變頻節(jié)能改造

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)各類(lèi)起重機(jī)的需求量也隨之大大上升。同時(shí)隨著能源的枯竭和環(huán)境的惡化，節(jié)能和環(huán)保也被提到議事日程。國(guó)家鼓勵(lì)和支持節(jié)能技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)、示范及推廣工作，促進(jìn)節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新與進(jìn)步。對(duì)高耗能的設(shè)備進(jìn)行改造，按照國(guó)務(wù)院的規(guī)定實(shí)行節(jié)能審查和監(jiān)管。我國(guó)新修訂的《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》明確規(guī)定：特種設(shè)備生產(chǎn)、使用單位和特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)保證必要的安全和節(jié)能投入。

本課題研究的橋式起重機(jī)是QD(25+25)-22.5A3，該起重機(jī)由金屬結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)以及電氣控制設(shè)備等四個(gè)部分組成，其中起升機(jī)構(gòu)雙主起升機(jī)構(gòu)。

2.1 橋式起重機(jī)的節(jié)能改造設(shè)計(jì)方案

本課題中，對(duì)傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，把傳統(tǒng)的繼電器控制改為PLC 控制，四大機(jī)構(gòu)調(diào)速均采用矢量變頻調(diào)速。由于各機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn)不同，對(duì)調(diào)速的精度要求，穩(wěn)度要求等也各不相同，因此所選用的變頻器和控制方式也不同。

2.1.1 起升機(jī)構(gòu)的PLC-變頻節(jié)能設(shè)計(jì)方案

本課題中的起升機(jī)構(gòu)是由兩個(gè)主起升機(jī)構(gòu)組成，兩者同時(shí)工作，分別用一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)，同時(shí)為了加強(qiáng)控制精度，采用旋轉(zhuǎn)編碼器作為檢測(cè)裝置，來(lái)實(shí)現(xiàn)起升的準(zhǔn)確度。

起升機(jī)構(gòu)的控制方式采用帶PG 的矢量控制方式，編碼器的反饋信號(hào)傳送到PLC 后，通過(guò)程序來(lái)控制起升機(jī)構(gòu)，避免吊鉤下滑。它具有穩(wěn)定性好，對(duì)急加、減速負(fù)載變化有較好的響應(yīng)特性。

此外，為了保證兩個(gè)主起升機(jī)構(gòu)能同步工作，變頻器還具有DROOP 功能，該功能也能有效防止兩個(gè)機(jī)構(gòu)失步的情況。

2.1.2 設(shè)計(jì)PLC-變頻節(jié)能的技術(shù)方案

一臺(tái)變頻器控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)是大車(chē)運(yùn)行的機(jī)構(gòu)，因?yàn)檫\(yùn)行機(jī)構(gòu)單一的工作頻率，在節(jié)省成本要求下，做了一臺(tái)變頻器共用于系統(tǒng)調(diào)速。兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)容量小于該變頻器容量，同時(shí)控制模式為V/F,矢量控制模式也不適用。這樣，電路被簡(jiǎn)化，同時(shí)成本也一定程度降低。

啟動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)實(shí)際要與實(shí)際相符，做到平穩(wěn)與迅速啟動(dòng)。要著重考慮制動(dòng)機(jī)構(gòu)電氣的方式。針對(duì)工況的不同，強(qiáng)制制動(dòng)與自由制動(dòng)皆可選擇。在正常停止機(jī)構(gòu)的運(yùn)行時(shí)，自由停止方式是較為合理的選取方式，現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)行狀態(tài)決定了停止時(shí)間的決定，最大限度滿(mǎn)足司機(jī)對(duì)橋式起重機(jī)的操作需求。為了讓起動(dòng)轉(zhuǎn)矩在起動(dòng)起升機(jī)構(gòu)時(shí)最大，可對(duì)機(jī)械制動(dòng)器的電流運(yùn)行、最低的變頻器運(yùn)行頻率與打開(kāi)時(shí)間三者關(guān)系做合理設(shè)定，以保證機(jī)構(gòu)負(fù)載的現(xiàn)實(shí)需要。

2.1.3 總體節(jié)能設(shè)計(jì)方案

橋式起重機(jī)PLC-變頻節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、編碼器等組成，其變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示：

圖1 變頻節(jié)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 PLC 的I/O 接線(xiàn)圖一

圖3 PLC 的I/O 接線(xiàn)圖二

通過(guò)上述的分析和實(shí)際的需求，該課題包括模擬量輸入點(diǎn)與輸出點(diǎn)、開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)與輸出點(diǎn)的個(gè)數(shù)，另外，反饋信號(hào)則由八路模擬量輸入，變頻器的控制端輸入則由四路模擬器輸入。另外，DI/DO 點(diǎn)應(yīng)該是冗余狀態(tài)，因此，以CPU222 模塊為CPU 模塊，兩塊EM223 模塊為輸入數(shù)字量模塊，兩塊EM231 模塊為模擬量輸入模塊，兩塊EM232 為模擬量輸出模塊。

PLC-變頻節(jié)能系統(tǒng)的PLC 輸入輸出點(diǎn)配置及接線(xiàn)如圖2 和圖3 所示：

2.2 程序設(shè)計(jì)

在橋式起重機(jī)的各個(gè)機(jī)構(gòu)中，起升機(jī)構(gòu)是其最關(guān)鍵的部分，在此僅闡述起升機(jī)構(gòu)的程序設(shè)計(jì)。

橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)速度的控制，是一項(xiàng)很重要的技術(shù)指標(biāo)，本系統(tǒng)通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)得電機(jī)速度，由數(shù)模轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，傳遞給變頻器，所以本系統(tǒng)起升機(jī)構(gòu)控制方案為常規(guī)的數(shù)字PID 算法并結(jié)合PLC 中的PID 控制模塊來(lái)控制。其程序代碼如圖4 所示：

圖4 起升機(jī)構(gòu)控制程序

3 能效測(cè)試

在負(fù)載條件相同情況下，將多種實(shí)驗(yàn)樣品做能效對(duì)比的實(shí)驗(yàn)，從而得出產(chǎn)品的節(jié)能等級(jí)，在評(píng)價(jià)能效時(shí)有充分的數(shù)據(jù)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)差異工作類(lèi)別的樣品。可以對(duì)各種型號(hào)的產(chǎn)品最終得到的最優(yōu)化能效工作級(jí)別做評(píng)判，挖掘節(jié)能潛力。

鑒于當(dāng)前的試驗(yàn)條件，選用四臺(tái)未采用PLC 變頻調(diào)速控制的同類(lèi)型的通用橋式起重機(jī)、傳統(tǒng)門(mén)式起重機(jī)、32t 的電動(dòng)單梁起重機(jī)以及32t 的鋼絲繩電動(dòng)葫蘆作為對(duì)比試驗(yàn)的對(duì)象，經(jīng)過(guò)一段時(shí)期的測(cè)試，其能效測(cè)試結(jié)果如表1 所示：

表1 能效測(cè)試結(jié)果：

根據(jù)效能測(cè)試表分析，橋式起重機(jī)在變頻調(diào)速運(yùn)行模式下其效能比大大的提升。主要是由于定子電源頻率因變頻調(diào)速而發(fā)生改變，進(jìn)而同步轉(zhuǎn)速發(fā)生改變以及輸出轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)變動(dòng)，也就是說(shuō)電動(dòng)機(jī)的容量被改變，負(fù)載情況變動(dòng)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)容量變動(dòng)，功率因數(shù)與效率得到提高，節(jié)能目的實(shí)現(xiàn)。

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)改造完成的起重機(jī)進(jìn)行節(jié)能測(cè)試，已經(jīng)驗(yàn)證了該P(yáng)LC-變頻的節(jié)能改造是成功的，達(dá)到了節(jié)能的目的，同時(shí)也提高了日常工作效率，減少了故障率，簡(jiǎn)化了故障的排除難度。

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