變頻器和PLC在大型起重機(jī)控制中的應(yīng)用

魏焱焱

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院江陰分院，江蘇 江陰 214400）

變頻器和PLC在大型起重機(jī)控制中的應(yīng)用

魏焱焱

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院江陰分院，江蘇 江陰 214400）

目前起重機(jī)性能和質(zhì)量都得到了顯著改善，并向未來研究提出嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)，既要保證設(shè)備穩(wěn)定，也應(yīng)強(qiáng)化系統(tǒng)維護(hù)，提升節(jié)能效果。本文將依照理論及實踐，對大型起重機(jī)展開探討，首先介紹起重機(jī)控制系統(tǒng)、基本要求、變頻器和PLC，然后探討變頻率與PLC的具體應(yīng)用，最后剖析系統(tǒng)運行問題與應(yīng)用效果。

變頻器；PLC；大型起重機(jī)；控制；系統(tǒng)運行

起重機(jī)械是特種設(shè)備，隸屬八大特種設(shè)備。在起重機(jī)械層面，對于大型起重機(jī)，無論是在用設(shè)備數(shù)量，還是年新增設(shè)備均較低，然而，其所帶來的經(jīng)濟(jì)效益卻非常顯著。它主要應(yīng)用在港口碼頭和物流運輸中，起重機(jī)較為繁忙，且作業(yè)環(huán)境不理想，并對作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量具有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。基于這一背景可知，大型起重機(jī)應(yīng)具備一套控制優(yōu)良、維護(hù)成本少和可靠穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。以往利用接觸器和繼電器充當(dāng)控制元件的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)無法再滿足實際需求。

1 起重機(jī)控制系統(tǒng)簡析和基本要求

1.1 控制系統(tǒng)

對于起重機(jī)而言，其電氣控制系統(tǒng)具體通過變頻器與PLC完成控制，在實際運行過程，一般通過制動單元配置完成制動能耗吸收消耗，借此維護(hù)電器元件。從整個控制層面而言，系統(tǒng)啟動具體是借助凸輪控制，面向PLC傳送上升和下降等特定指令，同時，調(diào)用PLC時選用提前編制的程序，基本流程見圖1。

1.2 基本要求

起重機(jī)相關(guān)設(shè)計規(guī)范明確指出起重機(jī)處于110%額定載荷時可正常工作，有序可靠。當(dāng)供電系統(tǒng)波動是10%額定值時便提升額定載荷，不管荷載處于何種位置，要求控制系統(tǒng)均應(yīng)保障機(jī)構(gòu)順利工作，同時，還不會發(fā)生溜鉤問題。如果控制方案許可，不管控制手柄處在何種位置，在正常工作時都要求額定載荷下降不大于120%額定速度。能夠利用變頻器參數(shù)布設(shè)和光電編碼器之間的連接進(jìn)行保護(hù)。

制動器線路發(fā)生故障時需能馬上切斷電動機(jī)與制動器電源，為此，在制動器線路中應(yīng)配備安全保護(hù)裝置。通過變頻器與PLC控制系統(tǒng)能夠完成多點控制，每一個控制點存在一種連鎖反應(yīng)，無論哪個時刻僅僅有一個工作點工作，同時，每一個控制點均存在緊急斷電裝配。

當(dāng)意外斷電時，則控制系統(tǒng)需采取有效措施保障制動器，進(jìn)行安全動作，以免對機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生不良影響。

圖1 體系工作圖

2 變頻器與PLC介紹

PLC是可編程序控制器，包含電源、CPU與輸入輸出等不同部分。主要循環(huán)執(zhí)行具體如下：采樣輸入信號、執(zhí)行用戶程度和控制輸出，面向外部設(shè)備實施自動控制，并在自動化層面得到了大面積應(yīng)用，能夠應(yīng)用在控制變頻器。其包含豐富指令，例如邏輯運算，屬于智能化系統(tǒng)。

PLC不僅可靠，而且具有一定的抗干擾能力，但應(yīng)用在大型起重機(jī)內(nèi)部的控制系統(tǒng)，實際上是把硬件電路變成軟件程序。如果執(zhí)行過程程序發(fā)生異常，則將出現(xiàn)意外，特別是某些關(guān)乎安全的功能。另外，對應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)提出了具體的要求，起重機(jī)自身的急停功能和安全保護(hù)聯(lián)鎖信號需通過硬件線路達(dá)成，但不依賴PLC。為此，把PLC應(yīng)用在大型起重機(jī)內(nèi)部的控制系統(tǒng)，應(yīng)針對關(guān)鍵控制點實施雙重互鎖設(shè)計，以此來增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。變頻器僅僅是控制元件，能夠把工頻轉(zhuǎn)換成其他頻率，以此來調(diào)控電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。在應(yīng)用變頻器前，需要設(shè)置輸出頻率等常規(guī)參數(shù)，不用編程。其輸出頻率能夠設(shè)定成固定值，并可通過PLC進(jìn)行動態(tài)控制。

3 變頻器與PLC的具體應(yīng)用

3.1 變頻器的具體應(yīng)用

對于大型起重機(jī)，其控制系統(tǒng)應(yīng)科學(xué)挑選變頻器，主要應(yīng)包含下述內(nèi)容．其一，為實現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷，完成外部通信控制，應(yīng)在變頻器中提供標(biāo)準(zhǔn)接口，另外，還應(yīng)選取制動斷續(xù)器，在內(nèi)外部之間做好有機(jī)聯(lián)系，合理制動電阻，讓系統(tǒng)具有動態(tài)制動特性，并可減小減速時間；變頻器應(yīng)具備不同的保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)接地故障問題時，能夠借助系統(tǒng)內(nèi)部的保護(hù)功能實現(xiàn)整體保護(hù)；變頻器也應(yīng)具有一定的抗沖擊力，當(dāng)系統(tǒng)運行時，借助起動轉(zhuǎn)矩，聯(lián)系閉環(huán)矢量控制這一功能，能夠面向起重機(jī)進(jìn)行多段控制，從而達(dá)到起重標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 PLC的具體應(yīng)用

對于起重機(jī)而言，電動機(jī)應(yīng)用最關(guān)鍵的便是科學(xué)挑取電動機(jī)容量，一般經(jīng)由特定公式進(jìn)行計算。同時，電動機(jī)選擇也應(yīng)思量下述因素：其一，電動機(jī)極限輸出轉(zhuǎn)矩值超出2倍負(fù)載力矩，并可承擔(dān)國標(biāo)要求的電壓波動；其二，額定負(fù)載。

3.3 制動單元

在系統(tǒng)的實際運行與常規(guī)提升過程，因電動機(jī)運行會出現(xiàn)一定負(fù)載，且此負(fù)載在特定條件可能會變成機(jī)械能，但若想處理上述機(jī)械能，則應(yīng)通過制動單元來實現(xiàn)。常規(guī)條件下，整個系統(tǒng)如果想處理上述能量，具體包含兩種方式：其一，直流線回饋，把能量轉(zhuǎn)化并回饋至電網(wǎng)，然而，此種處理對電網(wǎng)提出了較高標(biāo)準(zhǔn)，同時，回饋裝置造價偏高，不符合經(jīng)濟(jì)性原則；其二，經(jīng)由制動電阻與制動單元，吸收并處理能量，通過實踐驗證得出此種方式較為可行。

4 系統(tǒng)運行

4.1 變頻器

對于起重機(jī)系統(tǒng)而言，變頻器應(yīng)用具體如下：借助DTC技術(shù)，在不利用測速發(fā)電機(jī)與光碼盤的條件下，完成零轉(zhuǎn)速滿轉(zhuǎn)矩，通過低電流實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩，有效反饋。基于這一過程，最大轉(zhuǎn)矩至少能夠上升至200%額定轉(zhuǎn)矩，這不僅達(dá)到了電動機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，而且符合電動機(jī)負(fù)載條件下提出的力矩標(biāo)準(zhǔn)；系統(tǒng)電動機(jī)經(jīng)由磁通優(yōu)化，全面降低了起重機(jī)噪聲，同時，滿足電動機(jī)負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)，切實提升了運行效率。另外，系統(tǒng)經(jīng)由不同負(fù)載作用還能夠提升運行效率，大約可提升5%左右；面向變頻器和電動機(jī)裝設(shè)濾波器，這能夠全面保障絕緣件，主要因為電動機(jī)內(nèi)部軸承轉(zhuǎn)動時可能會產(chǎn)生電流脈沖，且可利用磁通制動完成速度控制。

4.2 定期檢修

定期維修系統(tǒng)時，應(yīng)開展電阻試驗，主要涵蓋各個開關(guān)觸頭，同時，也應(yīng)實施直阻測試，該試驗主要面向變壓器與電動機(jī)開展。在具體的測試過程，如果發(fā)現(xiàn)接頭溫度大于80℃，且直阻也不在標(biāo)準(zhǔn)范圍，則一定要開展分解檢測，系統(tǒng)思量各個因素，嚴(yán)格檢查，全面分析，有效處理，再繼續(xù)測試，待檢測達(dá)標(biāo)方可。

4.3 綜合管理

起重機(jī)運行具體是參照電控系統(tǒng)完成控制，但電控系統(tǒng)則應(yīng)用PLC，因具有突出的性能與顯著的功能，不僅能夠判別外部電子元件，而且能夠增加操作直觀性，有利于人工操作。此外，還可在較大層面完成設(shè)備的全面控制，并經(jīng)由操作室內(nèi)部的觸摸屏，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，便能夠在第一時間馬上顯示，另外，也可完整展現(xiàn)系統(tǒng)的基本運行狀態(tài)。

5 應(yīng)用效果

綜上可知，變頻器與PLC的具體應(yīng)用具有顯著效果，主要體現(xiàn)在以下層面。

環(huán)境效益。以往的起重機(jī)系統(tǒng)會消耗較多電能，外加轉(zhuǎn)子回路選擇電阻串接，這在某一層面造成了能源的不必要浪費，而變頻器與PLC可全面規(guī)避上述問題。變頻器可利用電源頻率調(diào)整來變更轉(zhuǎn)速，且無需把電能應(yīng)用于外界電阻中，促使電能利用率得到提升，當(dāng)運行減速制動，或者重物下降時，電動機(jī)大多處在發(fā)電狀態(tài)，在此環(huán)節(jié)變頻器能夠借助外界能量來回饋裝置，進(jìn)而把電能反饋至電網(wǎng)。

經(jīng)濟(jì)效益。變頻器與PLC的具體應(yīng)用可減小維修成本，讓系統(tǒng)的每一項設(shè)備的實際使用壽命都能有所延長，特別是在接觸器上，原有的系統(tǒng)因頻繁接觸，且觸頭極有可能燒傷，進(jìn)而增加了設(shè)備利用成本，然而，變頻器與PLC卻可攻克這一問題，創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益。另外，機(jī)械能還不會重新回饋至電網(wǎng)，讓電網(wǎng)功率始終處于正常水平，無需額外對供電線路和變壓器進(jìn)行投資。

6 結(jié)語

對起重機(jī)控制來說，變頻器與PLC應(yīng)用具有理想的效果。尤其在經(jīng)濟(jì)效益中，變頻器與PLC能夠降低維修成本，改善設(shè)備利用效果，且主要體現(xiàn)在接觸器方面，另外，還不會發(fā)生機(jī)械能再次流入電網(wǎng)的問題，將其維持在正常功率。但在環(huán)境效益方面，由于以往的起重機(jī)系統(tǒng)大多會消耗較多的電能，基于轉(zhuǎn)子回路，會出現(xiàn)能源浪費現(xiàn)象，但變頻率與PLC能夠應(yīng)對能源浪費。

[1]樊良旺．解析變頻器和PLC在大型起重機(jī)控制中的應(yīng)用[J]．中國化工貿(mào)易,2015,7(33):430．

[2]王磊．解析變頻器和PLC在大型起重機(jī)控制中的應(yīng)用[J]．中國科技縱橫,2016,(11):65．

[3]謝南煊．解析變頻器和PLC在大型起重機(jī)控制中的應(yīng)用[J]．化工管理,2016,(3):44-44．

[4]曹夏,黃玉麟,胡丞熙等．解析變頻器和PLC在大型起重機(jī)控制中的應(yīng)用[J]．化工管理,2016,(10):200．

[5]孟愛姣．變頻器和PLC在大型起重機(jī)控制中的應(yīng)用[J]．軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品,2015,(6):93．

[6]周志勇．大型起重機(jī)控制中如何應(yīng)用變頻器和PLC[J]．湖南農(nóng)機(jī),2016,39(11):124-125．

[7]李海洋．起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)及上車布局優(yōu)化的設(shè)計與實現(xiàn)[D]．大連海事大學(xué),2016．

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1671-0711（2017）08（下）-0097-02