1、0PLC 及变频器在桥式起重机控制系统改造中的应用摘要：某厂有一日常工作量较大的 10 吨双梁抓斗式桥式起重机的大修过程中，采用了日本三菱公司的 FX2N 型 PLC 可编程控制器对 10 吨双梁抓斗式桥式起重机的电力拖动系统进行改造设计。通过对这台 10 吨双梁吊钩桥式起重机电力拖动系统硬件结构和控制功能的改造及其系统的软件设计，使其解决了这台 10 吨双梁抓斗式桥式起重机在实际使用中出现的一些问题，从而提高了这台起重机使用效率和产品生产的效率，同时对节约能源也起到积极的作用。关键词：PLC；变频器；起重机1.引言1.1 起重机的工作原理桥式起重机是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重机，又
2、称天车。桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围，就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。桥式起重机广泛地应用在室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等处。桥式起重机一般由起重小车、桥架运行机构、桥架金属结构组成。起重小车又由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成。起升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组。电动机通过减速器，带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物。小车架是支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架，通常为焊接结构。起重机运行机构的驱动方式可分为两大类：一类为集中驱动，即
3、用一台电动机带动长传动轴驱动两边的主动车轮；另一类为分别驱动、即两边的主动车轮各用一台电动机驱动。中、小型桥式起重机较多采用制动器、减速器和电动机组合成一体的“三合一”驱动方式，大起重量的普通桥式起重机为便于安装和调整，驱动装置常采用万向联轴器。起重机运行机构一般只用四个主动和从动车轮，如果起重量很大，常用增加车轮的办法来降低轮压。当车轮超过四个时，必须采用铰接均衡车架装置，使起重机的载荷均匀地分布在各车轮上。桥架的金属结构由主梁和端梁组成，分为单主梁桥架和双梁桥架两类。单主梁桥架由单根主梁和位于跨度两边的端梁组成，双梁桥架由两根主梁和端梁组成。1主梁与端梁刚性连接，端梁两端装有车轮，用以支承
4、桥架在高架上运行。主梁上焊有轨道，供起重小车运行。桥式起重机是使用最广泛、拥有量最大的一种轨道运行式起重机，其额定起重量从几吨到几百吨。最基本的形式是通用吊钩桥式起重机，其他形式的桥式起重机基本上都是在通用吊钩桥式的基础上派生发展出来的。1.2 桥式起重机早期运行存在的问题桥式起重机是工矿企业一种常用的工业设备。传统桥式起重机的电力拖动系统采用交流绕线转子异步电动机转子串电阻的方法进行起动和调速 , 继电器 - 接触器控制。这种控制系统可靠性差, 操作复杂, 故障率高。转子串电阻调速, 起动电流大、机械特性软。负载变化时转速也变化, 调速不理想。 且所串电阻长期发热 , 电能浪费大 , 电阻烧
5、损和断裂故障时有发生。某重型机械有限公司的 10 吨双梁抓斗式桥式起重机拖动系统采用传统的交流绕线转子异步电动机, 转子串电阻的方法进行起动和调速 , 继电器 -接触器控制。该控制系统已不能适应快速、安全、高效的生产和工作需要。 2 .原拖动系统基本情况及运行状况桥式起重机电气拖动有大车电机 2 台, 小车、抓斗起升、开闭电机各 1 台。电动机为交流绕线转子异步电动机。采用转子串电阻的方法启动和调速。调速方法为电动机转子回路串入 5 段外接电阻 R1 R5 。由接触器 KM 1 KM 4 的状态来决定串入电阻的多少, 从而调整电机的运行速度。 小车原电路图主回路见图 1。 制动方式为液压推杆制
6、动器制动。图 1 原拖动系统小车主电路图22.1 现运行状况运行状况：由于这台 10 吨双梁抓斗式桥式起重机已经使用了 5 年以上，任务繁重工作环境恶劣，致使该台起重机的电力拖动系统的稳定性、可靠性、安全性比较差。如：2.1.1 绕线式异步电动机的转子串接电阻易烧损、断裂会造成接地故障，但电阻发生接地故障严重时会造成绕线式异步电动机烧损，而电阻断裂没有发生接地故障时，又会造成运行机构控制系统中失去一档速度或只有一个最快档的速度。2.1.2 凸轮控制器的触头常因开闭时发生强烈火花而烧灼，致使凸轮控制器的触点接触不良，又由于凸轮控制器长期的使用，造成凸轮控制器自身内部机械的磨损，致使凸轮转动不灵活
7、凸轮控制器触点接触不良，造成绕线式异步电动机缺相烧毁。2.1.3 绕线式异步电动机转子串接电阻调速，机械特性炊弱，负载变化时运行不平稳，过流继电器时常会发生过流保护，但是过流继电器发生过流保护后常闭辅助触点有时恢复不到原始状态，而又在运行中电阻长期发热，造成能源严重浪费。为解决上述问题，经过调研论证，认为采用 PLC 可编程控制器对 10 吨双梁抓斗式桥式起重机的电力拖动系统进行改造是一个比较好的方案，可解决该起重机产生的上述问题。3 起重机电力拖动系统改造的结构和功能3.1 起重机电力拖动系统改造的硬件结构介绍10 吨双梁抓斗式桥式起重机由大车运行机构、小车运行机构和抓斗运行机构所组成。小车
8、运行机构为一台电动机驱动，大车运行机构和抓斗运行机构为两台电动机驱动，整个起重机电力拖动系统共有 5 台电动机驱动运行。为了保证各机构运行互不影响，提高起重机电力拖动系统的稳定性、可靠性和安全性，保证起重机在吊运时正常工作，采用 5 台变频器拖动，并由 1 台 PLC 分别加以控制的硬件结构，其控制示意图如图 2。3大车 1 大车 2 小车 抓斗升降 抓斗开闭图 2 PLC 对起重机改造的控制示意图3.2 起重机电力拖动系统改造的硬件功能介绍3.2.1 可编程控制器 PLC 的功能通过对各种 PLC 的功能对比，选用由日本三菱公司生产的 FX2N 型 PLC 作为控制起重机各机构的运行，可编程
9、控制器 PLC 接受主令控制器的速度控制信号，该信号为数字控制信号，信号电平为 AC 、220V。这些控制信号包括：主令控制器发出的正、反转及调速控制信号、电动机过热保护信号、安全限位器信号及启动、急停、复位、零锁等信号，全部信号采用汇点式输入。可编程控制器 PLC 针对这些信号完成系统的逻辑控制功能，并向变频器发出启动、急停、正、反转及调速等控制信号，使电动机处于所需工作状态。3.2.2 变频器的功能接收可编程控制器 PLC 提供的控制信号，并按设定向电动机输出可变压、变频的电源，从而实现电动机的调速。3.2.3 电抗器的功能变频器 2 变频器 3M1 M2 M3 M4变 频 器 1 变频器
10、 4主令控制器 3 主令控制器 4主令控制器 2PLC主令控制器 1M5变频器 54在变频器电源输入端和输出端分别安装电源侧交流电抗器和噪声抑制交流电抗器。使用电抗器以后可以减小高次谐波对电源、功率因数、无线电设备等干扰。3.2.4 主令控制器的功能去掉凸轮控制器改用主令控制器，起重机操作者可按要求通过主令控制器向可编程控制器 PLC 发出各种控制信号操作起重机。2.2.5 泄能电阻（制动电阻）的功能10 吨双梁抓斗式你桥式起重机电动机正、反转时，由于重力加速度的原因，电动机处于再生制动状态，拖动系统的机械转化为电能，并存储到电压型变频器的滤波器电容器的两端，使直流电压不断上升甚至能够击穿电器
11、绝缘，当电压升高到设定值时，接入泄能电阻来消耗直流电路这部分能量，保证电器安全运行。4.起重机电力拖动系统改造的软件设计及应用10 吨双梁抓斗式桥式起重机大车运行机构、小车运行机构及升降运行机构的电动机分别由不同的变频器和一个可编程控制器 PLC 控制。大车运行机构、小车运行机构及升降运行机构之间变频器和可编程控制器 PLC 控制结构和软、硬件设计基本相同。在这里介绍以小车运行机构电力拖动系统经改造后的电控系统为例来说明。如图 3、图 4、5图 3 PLC 系统的 I/O 接线图6kA1 kA2 kA3 kA4 kA5 kA6 kA7 kA8制动电阻KM图 4 变频器系统原理图4.1 PLC
12、控制小车运行机构电力变频拖动系统工作及软件设计4.1.1 10 吨双梁吊钩桥式起重机的工作过程通向桥架的门上、司机室的平台门上和横梁的栏杠门上均装有安全装置。上述各门关好后 1#、2#、3#、4#安全装置开关常闭触点打开，急停开关断开，三个主令控制器置于零位，此时才能按下启动按钮，接通电源。当主令控制器置于前进控制档位时，电动机正转，通过调节速度档位，控制变频器输出不同频率的电源，达到调速的目的。主令控制器共分5 档，从慢速到快速依次为前进（后退）控制 5 和前进（后退）控制 1，第 5 档为前进（后退）控制 1 且电动机满负荷运行。在运行中，不论何种原因电动机停止运转，继续采用原来的三相液压
13、制动器。在紧急情况下，可按下急停按钮，一方面机械制动器动作，另一方面，将变频器紧急停机控制端 EMS 接通，变频器停止工作。在实际中，变频器因故障跳闸、电动机过载或热元件动作，在故障排除以后，才可以按下复位按钮，接通变频器复位控制端 RST，使变频器恢复到运行状态。4.1.2 PLC 控制小车运行机构变频拖动系统的软件设计要实现 PLC 对变频器控制满足运行要求，必须从这台 10 吨双梁抓斗式桥式起重机设备的工作过程、设备特点、安全要求出发，结合 PLC 控制特点，编制 PLC 控制程序。小车运行机构 PLC 控制系统的梯形图，如图 5 所示。COM FWD REV X1 X2 X3 RST
14、EMS THRR US VT W电抗器电抗器M 7图 5 PLC 系统梯形图正转反转1 档2 档3 档4 档5 档复位过载电源正转反转1 档2 档3 档4 档5 档复位过载电源急停84.2 PLC 控制小车运行机构变频拖动系统的速度设定为了使起重机能够稳定安全运行，实际使用中用了 3 个中间继电器来控制速度档位，分别向变频器 X1、X2、X3 端子提供不同速度控制信号，通过变频器设定不同的对应速度，共可以提供 8 档速度。而 10 吨双梁吊钩桥式起重机实际只有 5 档速度，中间继电器的状态、变频器的控制端子 X1、X2、X3 的状态与对应速度设定频率值如表 1 所示。其中“0”表示继电器失电，
15、 “1”表示继电器得电。从表中看出，1 至 5 档为均匀调速，设备运行中不存在明显的机械冲击，设备运行平稳。小车运行速度在这里设定为从低频到高频的顺序控制。表 1 速度频率档次设定及继电器状态对照表 速度档次 0 1 2 3 4 5频率设定/HZ 0 25 25 20 15 10K03/X1 0 1 0 1 0 1K04/X2 0 0 0 1 1 0K05/X3 0 1 1 0 0 05.结束语采用变频器及 PLC 对桥式起重机进行了改造。起重机控制系统由于省去了切换转子电阻的交流接触器、串联电阻等电气元件, 电气控制线路大为简化。起重机启动、制动、加速、减速等过程更加平稳快速, 减少了负载波
16、动 , 安全性大幅提高。 采用 PLC 代替原来复杂的接触器、继电器控制系统, 电路实现了无触点化 , 故障率大大降低。采用变频调速, 机械特性硬, 负载变化时各档速度基本不变。 轻载时也不会因操作不当而出现失控现象。变频器还可根据现场情况, 很方便地调整各档速度和加减速时间, 使吊车操作更加灵活迅速。采用变频调速同时也实现了电机的软起动, 避免了机械受大力矩冲击的损伤和破坏, 减少了机械维护及检修费用 , 提高了设备的运行效率。实践证明本次改造是成功的。参考文献:1张燕彬宾 变频调速应用实践.M.北京：机械工业出版社.2000.2ABB 变频器使用手册Z.ABB 电气(北京)传动系统有限公司.2009.3日本三菱公司 FX 系列可编程控制器 PLC 控制器使用手册Z.三菱电机（北京）公司.92006.4电动通用桥式起重机使用说明书z.常州振华起重机械有限公司.2008.4姜国勇，原韶坤，臧小惠 国内外起重机的特点和发展趋势.内江科技：2008 年 9 月:1245刘远娟 三菱 PLC 在桥式起重机中的应用.（J）机电工程技术.2011.40(6):103-104.6陈柏林 电力拖动自动控制系统M.上海工业大学出版社.2014(12).
