PLC及變頻器在橋式起重機控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用..

1、1PLC 及變頻器在橋式起重機控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用摘要：某廠有一日常工作量較大的 1010 噸雙梁抓斗式橋式起重機的大修過程中，采用了日本三菱公司的FX2FX2N N型PLPLC C可編程控制器對1 10 0噸雙梁抓斗式橋式起重機的電力拖動系統(tǒng) 進行改造設(shè)計。通過對這臺 1010 噸雙梁吊鉤橋式起重機電力拖動系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和控制功能的 改造及其系統(tǒng)的軟件設(shè)計，使其解決了這臺1010 噸雙梁抓斗式橋式起重機在實際使用中出現(xiàn)的一些問題，從而提高了這臺起重機使用效率和產(chǎn)品生產(chǎn)的效率，同時對節(jié)約能源也起到 積極的作用。關(guān)鍵詞：PLCPLC 變頻器；起重機1.引言1.1 起重機的工作原理橋式起重機是橋架在

2、高架軌道上運行的一種橋架型起重機，又稱天車。橋式起重機的 橋架沿鋪設(shè)在兩側(cè)高架上的軌道縱向運行，起重小車沿鋪設(shè)在橋架上的軌道橫向運行，構(gòu) 成一矩形的工作范圍，就可以充分利用橋架下面的空間吊運物料，不受地面設(shè)備的阻礙。橋式起重機廣泛地應(yīng)用在室內(nèi)外倉庫、廠房、碼頭和露天貯料場等處。橋式起重機一 般由起重小車、橋架運行機構(gòu)、橋架金屬結(jié)構(gòu)組成。起重小車又由起升機構(gòu)、小車運行機 構(gòu)和小車架三部分組成。起升機構(gòu)包括電動機、制動器、減速器、卷筒和滑輪組。電動機通過減速器，帶動卷 筒轉(zhuǎn)動，使鋼絲繩繞上卷筒或從卷筒放下，以升降重物。小車架是支托和安裝起升機構(gòu)和 小車運行機構(gòu)等部件的機架，通常為焊接結(jié)構(gòu)。起重機運

3、行機構(gòu)的驅(qū)動方式可分為兩大類：一類為集中驅(qū)動，即用一臺電動機帶動長 傳動軸驅(qū)動兩邊的主動車輪；另一類為分別驅(qū)動、即兩邊的主動車輪各用一臺電動機驅(qū)動。 中、小型橋式起重機較多采用制動器、減速器和電動機組合成一體的“三合一”驅(qū)動方式, 大起重量的普通橋式起重機為便于安裝和調(diào)整，驅(qū)動裝置常采用萬向聯(lián)軸器。起重機運行機構(gòu)一般只用四個主動和從動車輪，如果起重量很大，常用增加車輪的辦 法來降低輪壓。當車輪超過四個時，必須采用鉸接均衡車架裝置，使起重機的載荷均勻地 分布在各車輪上。橋架的金屬結(jié)構(gòu)由主梁和端梁組成，分為單主梁橋架和雙梁橋架兩類。單主梁橋架由 單根主梁和位于跨度兩邊的端梁組成，雙梁橋架由兩根主梁

4、和端梁組成。主梁與端梁剛性連接，端梁兩端裝有車輪，用以支承橋架在高架上運行。主梁上焊有 軌道，供起重小車運行。橋式起重機是使用最廣泛、擁有量最大的一種軌道運行式起重機，其額定起重量從幾 噸到幾百噸。2最基本的形式是通用吊鉤橋式起重機，其他形式的橋式起重機基本上都是在 通用吊鉤橋式的基礎(chǔ)上派生發(fā)展出來的。1.2 橋式起重機早期運行存在的問題橋式起重機是工礦企業(yè)一種常用的工業(yè)設(shè)備。傳統(tǒng)橋式起重機的電力拖動系統(tǒng)采用交 流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻的方法進行起動和調(diào)速，繼電器- -接觸器控制。這種控制系統(tǒng)可靠性差，操作復(fù)雜，故障率高。轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，起動電流大、機械特性軟。 負載變化時轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)

5、速不理想。且所串電阻長期發(fā)熱，電能浪費大，電阻燒損和 斷裂故障時有發(fā)生。某重型機械有限公司的 1010 噸雙梁抓斗式橋式起重機拖動系統(tǒng)采用傳統(tǒng) 的交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，轉(zhuǎn)子串電阻的方法進行起動和調(diào)速，繼電器- -接觸器控制。 該控制系統(tǒng)已不能適應(yīng)快速、安全、高效的生產(chǎn)和工作需要。2 .原拖動系統(tǒng)基本情況及運行狀況橋式起重機電氣拖動有大車電機 2 2 臺，小車、抓斗起升、開閉電機各 1 1 臺。電動機為 交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機。采用轉(zhuǎn)子串電阻的方法啟動和調(diào)速。調(diào)速方法為電動機轉(zhuǎn)子回 路串入 5 5 段外接電阻 R1R1R5R5。由接觸器 KMKM 1 1KMKM 4 4 的狀態(tài)來決定串入電阻的

6、多少,從而調(diào)整電機的運行速度。小車原電路圖主回路見圖 1 1。制動方式為液壓推桿制動器制 動。圖 1 1 原拖動系統(tǒng)小車主電路圖2.1 現(xiàn)運行狀況運行狀況：由于這臺 1010 噸雙梁抓斗式橋式起重機已經(jīng)使用了 5 5 年以上，任務(wù)繁重工作 環(huán)境惡劣，致使該臺起重機的電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、安全性比較差。如：2.1.12.1.1繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子串接電阻易燒損、斷裂會造成接地故障，但電阻發(fā)生 接地故障3嚴重時會造成繞線式異步電動機燒損，而電阻斷裂沒有發(fā)生接地故障時，又會造 成運行機構(gòu)控制系統(tǒng)中失去一檔速度或只有一個最快檔的速度。2.1.22.1.2凸輪控制器的觸頭常因開閉時發(fā)生強烈火花

7、而燒灼，致使凸輪控制器的觸點接 觸不良，又由于凸輪控制器長期的使用，造成凸輪控制器自身內(nèi)部機械的磨損，致使凸輪 轉(zhuǎn)動不靈活凸輪控制器觸點接觸不良，造成繞線式異步電動機缺相燒毀。2.1.32.1.3繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串接電阻調(diào)速， 機械特性炊弱， 負載變化時運行不平穩(wěn)， 過流繼電器時常會發(fā)生過流保護，但是過流繼電器發(fā)生過流保護后常閉輔助觸點有時恢復(fù) 不到原始狀態(tài)，而又在運行中電阻長期發(fā)熱，造成能源嚴重浪費。為解決上述問題，經(jīng)過調(diào)研論證，認為采用 PLCPLC 可編程控制器對 1010 噸雙梁抓斗式橋式 起重機的電力拖動系統(tǒng)進行改造是一個比較好的方案，可解決該起重機產(chǎn)生的上述問題。3 起重機電力

8、拖動系統(tǒng)改造的結(jié)構(gòu)和功能3.1起重機電力拖動系統(tǒng)改造的硬件結(jié)構(gòu)介紹1010 噸雙梁抓斗式橋式起重機由大車運行機構(gòu)、小車運行機構(gòu)和抓斗運行機構(gòu)所組成。 小車運行機構(gòu)為一臺電動機驅(qū)動，大車運行機構(gòu)和抓斗運行機構(gòu)為兩臺電動機驅(qū)動，整個 起重機電力拖動系統(tǒng)共有5 5 臺電動機驅(qū)動運行。為了保證各機構(gòu)運行互不影響，提高起重 機電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，保證起重機在吊運時正常工作，采用 5 5 臺變 頻器拖動，并由 1 1 臺 PLCPLC 分別加以控制的硬件結(jié)構(gòu)，其控制示意圖如圖 2 2。4主令控制器 1 1主令控制器 2 2主令控制器 3 3主令控制器 4 4圖 2 2 PLCPLC 對起

9、重機改造的控制示意圖3.2起重機電力拖動系統(tǒng)改造的硬件功能介紹3.2.13.2.1可編程控制器 PLCPLC 的功能通過對各種 PLCPLC 的功能對比，選用由日本三菱公司生產(chǎn)的 FX2NFX2N 型 PLCPLC 作為控制起重機 各機構(gòu)的運行，可編程控制器 PLCPLC 接受主令控制器的速度控制信號，該信號為數(shù)字控制信 號，信號電平為 ACAC、220V220V。這些控制信號包括：主令控制器發(fā)出的正、反轉(zhuǎn)及調(diào)速控制信 號、電動機過熱保護信號、安全限位器信號及啟動、急停、復(fù)位、零鎖等信號，全部信號 采用匯點式輸入?？删幊炭刂破?PLCPLC 針對這些信號完成系統(tǒng)的邏輯控制功能，并向變頻器發(fā)出啟

10、動、急停、正、反轉(zhuǎn)及調(diào)速等控制信號，使電動機處于所需工作狀態(tài)。3.2.23.2.2變頻器的功能接收可編程控制器 PLCPLC 提供的控制信號，并按設(shè)定向電動機輸出可變壓、變頻的電源， 從而實現(xiàn)電動機的調(diào)速。3.2.33.2.3電抗器的功能大車 1 1大車 2 2小車抓斗升降抓斗開閉5在變頻器電源輸入端和輸出端分別安裝電源側(cè)交流電抗器和噪聲抑制交流電抗器。使用電抗器以后可以減小高次諧波對電源、功率因數(shù)、無線電設(shè)備等干擾。3.2.43.2.4 主令控制器的功能去掉凸輪控制器改用主令控制器，起重機操作者可按要求通過主令控制器向可編程控 制器 PLPLC C發(fā)出各種控制信號操作起重機。2.2.52.2

11、.5 泄能電阻（制動電阻）的功能1010 噸雙梁抓斗式你橋式起重機電動機正、反轉(zhuǎn)時，由于重力加速度的原因，電動機處 于再生制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)化為電能，并存儲到電壓型變頻器的濾波器電容器的 兩端，使直流電壓不斷上升甚至能夠擊穿電器絕緣，當電壓升高到設(shè)定值時，接入泄能電 阻來消耗直流電路這部分能量，保證電器安全運行。4. 起重機電力拖動系統(tǒng)改造的軟件設(shè)計及應(yīng)用1010 噸雙梁抓斗式橋式起重機大車運行機構(gòu)、 小車運行機構(gòu)及升降運行機構(gòu)的電動機分 別由不同的變頻器和一個可編程控制器 PLCPLC 控制。大車運行機構(gòu)、小車運行機構(gòu)及升降運 行機構(gòu)之間變頻器和可編程控制器 PLCPLC 控制結(jié)構(gòu)和

12、軟、硬件設(shè)計基本相同。在這里介紹以 小車運行機構(gòu)電力拖動系統(tǒng)經(jīng)改造后的電控系統(tǒng)為例來說明。如圖 3 3、圖 4 4、6J進審控創(chuàng) 2?rs，j3旬 r 整割 5瓏紐4=詡到3=后控毗T 施T?-!t蛙開熱蛙二去3PLCI0c：y：3!XJMXM1YX：X002S003XW4IvClX0C5XOMS007iv32X010S3：X0：2TOM二二X0：4X015TOMX01G3017S020YM5X021X022X023YOKX024XO25X02W3027T010LX圖 3 3 PLCPLC 系統(tǒng)的 I/OI/O 接線圖7圖 4 4 變頻器系統(tǒng)原理圖4.1PLC 控制小車運行機構(gòu)電力變頻拖動系統(tǒng)

13、工作及軟件設(shè)計4.1.14.1.1 1010 噸雙梁吊鉤橋式起重機的工作過程通向橋架的門上、司機室的平臺門上和橫梁的欄杠門上均裝有安全裝置。上述各門關(guān) 好后 1#1#、2#2#、3#3#、4#4#安全裝置開關(guān)常閉觸點打開，急停開關(guān)斷開，三個主令控制器置于零 位，此時才能按下啟動按鈕，接通電源。當主令控制器置于前進控制檔位時，電動機正轉(zhuǎn)， 通過調(diào)節(jié)速度檔位，控制變頻器輸出不同頻率的電源，達到調(diào)速的目的。主令控制器共分5 5檔，從慢速到快速依次為前進（后退）控制 5 5 和前進（后退）控制 1 1,第 5 5 檔為前進（后退） 控制 1 1 且電動機滿負荷運行。在運行中，不論何種原因電動機停止運轉(zhuǎn)

14、，繼續(xù)采用原來的 三相液壓制動器。在緊急情況下，可按下急停按鈕，一方面機械制動器動作，另一方面， 將變頻器緊急停機控制端 EMSEMS 接通，變頻器停止工作。在實際中，變頻器因故障跳閘、電 動機過載或熱元件動作，在故障排除以后，才可以按下復(fù)位按鈕，接通變頻器復(fù)位控制端 RSTRST 使變頻器恢復(fù)到運行狀態(tài)。4.1.24.1.2 PLCPLC 控制小車運行機構(gòu)變頻拖動系統(tǒng)的軟件設(shè)計要實現(xiàn) PLCPLC 對變頻器控制滿足運行要求，必須從這臺 1010 噸雙梁抓斗式橋式起重機設(shè)備 的工作過程、設(shè)備特點、安全要求出發(fā)，結(jié)合 PLCPLC 控制特點，編制 PLCPLC 控制程序。小車運 行機構(gòu) PLCP

15、LC 控制系統(tǒng)的梯形圖，如圖 5 5 所示。8MO2-IMS彳一=T-MH彳 T-XMC 10C2 WJ MSI UQS &HHM-)lk MO*曲HT1LWK(Fwojr*ioYDO4fI 卜1DHHHXtt6N 1U：+Fif-急停復(fù) 一復(fù)位過載過載 電= 電源正轉(zhuǎn)V7T1T1winTD6 Mtl HDLIIIIit-反轉(zhuǎn)一反轉(zhuǎn)檔一2 檔圖 5 5 PLCPLC 系統(tǒng)梯形圖94.2 PLC 控制小車運行機構(gòu)變頻拖動系統(tǒng)的速度設(shè)定為了使起重機能夠穩(wěn)定安全運行，實際使用中用了3 3 個中間繼電器來控制速度檔位，分別向變頻器 XIXI、X2X2、X3X3 端子提供不同速度控制信號，通過變

16、頻器設(shè)定不同的對應(yīng)速度， 共可以提供8 8 檔速度。而 1010 噸雙梁吊鉤橋式起重機實際只有 5 5 檔速度，中間繼電器的狀態(tài)、變頻器的控制端子 XIXI、X2X2、X3X3 的狀態(tài)與對應(yīng)速度設(shè)定頻率值如表 1 1 所示。其中“ 0 0”表示 繼電器失電，“1 1”表示繼電器得電。從表中看出，1 1 至 5 5 檔為均勻調(diào)速，設(shè)備運行中不存在 明顯的機械沖擊，設(shè)備運行平穩(wěn)。小車運行速度在這里設(shè)定為從低頻到高頻的順序控制。表 1速度一頻率檔次設(shè)定及繼電器狀態(tài)對照表速度檔次012345頻率設(shè)定/HZ02525201510K03/X1010101K04/X2000110K05/X30110005.

17、 結(jié)束語采用變頻器及 PLCPLC 對橋式起重機進行了改造。起重機控制系統(tǒng)由于省去了切換轉(zhuǎn)子電 阻的交流接觸器、串聯(lián)電阻等電氣元件，電氣控制線路大為簡化。起重機啟動、制動、加 速、減速等過程更加平穩(wěn)快速，減少了負載波動，安全性大幅提高。 采用 PLCPLC 代替原來 復(fù)雜的接觸器、繼電器控制系統(tǒng)，電路實現(xiàn)了無觸點化，故障率大大降低。采用變頻調(diào)速, , 機械特性硬，負載變化時各檔速度基本不變。輕載時也不會因操作不當而出現(xiàn)失控現(xiàn)象。變頻器還可根據(jù)現(xiàn)場情況，很方便地調(diào)整各檔速度和加減速時間，使吊車操作更加靈活迅 速。采用變頻調(diào)速同時也實現(xiàn)了電機的軟起動，避免了機械受大力矩沖擊的損傷和破壞 ，減少了機械維護及檢修費用，提高了設(shè)備的運行效率。實踐證明本次改造是成功的。參考文獻：11張燕彬賓 變頻調(diào)速應(yīng)用實踐.M.M.北京：機械工業(yè)出版社.2000.2000.22ABBABB 變頻器使用手冊Z.ABBZ.ABB 電氣（北京）傳動系統(tǒng)有限公司.2009.2009.33 日本三菱公司FXFX 系列可編程控制器 PLC