PLC及變頻器在橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用..

1、1PLC 及變頻器在橋式起重機(jī)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(jī)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(duì)1 10 0噸雙梁抓斗式橋式起重機(jī)的電力拖動(dòng)系統(tǒng) 進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。通過對(duì)這臺(tái) 1010 噸雙梁吊鉤橋式起重機(jī)電力拖動(dòng)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(jì)，使其解決了這臺(tái)1010 噸雙梁抓斗式橋式起重機(jī)在實(shí)際使用中出現(xiàn)的一些問題，從而提高了這臺(tái)起重機(jī)使用效率和產(chǎn)品生產(chǎn)的效率，同時(shí)對(duì)節(jié)約能源也起到 積極的作用。關(guān)鍵詞：PLCPLC 變頻器；起重機(jī)1.引言1.1 起重機(jī)的工作原理橋式起重機(jī)是橋架在

2、高架軌道上運(yùn)行的一種橋架型起重機(jī)，又稱天車。橋式起重機(jī)的 橋架沿鋪設(shè)在兩側(cè)高架上的軌道縱向運(yùn)行，起重小車沿鋪設(shè)在橋架上的軌道橫向運(yùn)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(yùn)物料，不受地面設(shè)備的阻礙。橋式起重機(jī)廣泛地應(yīng)用在室內(nèi)外倉(cāng)庫(kù)、廠房、碼頭和露天貯料場(chǎng)等處。橋式起重機(jī)一 般由起重小車、橋架運(yùn)行機(jī)構(gòu)、橋架金屬結(jié)構(gòu)組成。起重小車又由起升機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī) 構(gòu)和小車架三部分組成。起升機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、減速器、卷筒和滑輪組。電動(dòng)機(jī)通過減速器，帶動(dòng)卷 筒轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jī)構(gòu)和 小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)等部件的機(jī)架，通常為焊接結(jié)構(gòu)。起重機(jī)運(yùn)

3、行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式可分為兩大類：一類為集中驅(qū)動(dòng)，即用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)長(zhǎng) 傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)兩邊的主動(dòng)車輪；另一類為分別驅(qū)動(dòng)、即兩邊的主動(dòng)車輪各用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 中、小型橋式起重機(jī)較多采用制動(dòng)器、減速器和電動(dòng)機(jī)組合成一體的“三合一”驅(qū)動(dòng)方式, 大起重量的普通橋式起重機(jī)為便于安裝和調(diào)整，驅(qū)動(dòng)裝置常采用萬向聯(lián)軸器。起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)一般只用四個(gè)主動(dòng)和從動(dòng)車輪，如果起重量很大，常用增加車輪的辦 法來降低輪壓。當(dāng)車輪超過四個(gè)時(shí)，必須采用鉸接均衡車架裝置，使起重機(jī)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(yùn)行。主梁上焊有 軌道，供起重小車運(yùn)行。橋式起重機(jī)是使用最廣泛、擁有量最大的一種軌道運(yùn)行式起重機(jī)，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(jī)，其他形式的橋式起重機(jī)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(jī)早期運(yùn)行存在的問題橋式起重機(jī)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(jī)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)采用交 流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行起動(dòng)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(dòng)電流大、機(jī)械特性軟。 負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)

5、速不理想。且所串電阻長(zhǎng)期發(fā)熱，電能浪費(fèi)大，電阻燒損和 斷裂故障時(shí)有發(fā)生。某重型機(jī)械有限公司的 1010 噸雙梁抓斗式橋式起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)采用傳統(tǒng) 的交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行起動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)基本情況及運(yùn)行狀況橋式起重機(jī)電氣拖動(dòng)有大車電機(jī) 2 2 臺(tái)，小車、抓斗起升、開閉電機(jī)各 1 1 臺(tái)。電動(dòng)機(jī)為 交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。采用轉(zhuǎn)子串電阻的方法啟動(dòng)和調(diào)速。調(diào)速方法為電動(dòng)機(jī)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(jī)的運(yùn)行速度。小車原電路圖主回路見圖 1 1。制動(dòng)方式為液壓推桿制動(dòng)器制 動(dòng)。圖 1 1 原拖動(dòng)系統(tǒng)小車主電路圖2.1 現(xiàn)運(yùn)行狀況運(yùn)行狀況：由于這臺(tái) 1010 噸雙梁抓斗式橋式起重機(jī)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(tái)起重機(jī)的電力拖動(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串接電阻易燒損、斷裂會(huì)造成接地故障，但電阻發(fā)生 接地故障3嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成繞線式異步電動(dòng)機(jī)燒損，而電阻斷裂沒有發(fā)生接地故障時(shí)，又會(huì)造 成運(yùn)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)中失去一檔速度或只有一個(gè)最快檔的速度。2.1.22.1.2凸輪控制器的觸頭常因開閉時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈火花

7、而燒灼，致使凸輪控制器的觸點(diǎn)接 觸不良，又由于凸輪控制器長(zhǎng)期的使用，造成凸輪控制器自身內(nèi)部機(jī)械的磨損，致使凸輪 轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活凸輪控制器觸點(diǎn)接觸不良，造成繞線式異步電動(dòng)機(jī)缺相燒毀。2.1.32.1.3繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串接電阻調(diào)速， 機(jī)械特性炊弱， 負(fù)載變化時(shí)運(yùn)行不平穩(wěn)， 過流繼電器時(shí)常會(huì)發(fā)生過流保護(hù)，但是過流繼電器發(fā)生過流保護(hù)后常閉輔助觸點(diǎn)有時(shí)恢復(fù) 不到原始狀態(tài)，而又在運(yùn)行中電阻長(zhǎng)期發(fā)熱，造成能源嚴(yán)重浪費(fèi)。為解決上述問題，經(jīng)過調(diào)研論證，認(rèn)為采用 PLCPLC 可編程控制器對(duì) 1010 噸雙梁抓斗式橋式 起重機(jī)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造是一個(gè)比較好的方案，可解決該起重機(jī)產(chǎn)生的上述問題。3 起重機(jī)電力

8、拖動(dòng)系統(tǒng)改造的結(jié)構(gòu)和功能3.1起重機(jī)電力拖動(dòng)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(jī)由大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和抓斗運(yùn)行機(jī)構(gòu)所組成。 小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)為一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和抓斗運(yùn)行機(jī)構(gòu)為兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，整個(gè) 起重機(jī)電力拖動(dòng)系統(tǒng)共有5 5 臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。為了保證各機(jī)構(gòu)運(yùn)行互不影響，提高起重 機(jī)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，保證起重機(jī)在吊運(yùn)時(shí)正常工作，采用 5 5 臺(tái)變 頻器拖動(dòng)，并由 1 1 臺(tái) 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(duì)起

9、重機(jī)改造的控制示意圖3.2起重機(jī)電力拖動(dòng)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(duì)各種 PLCPLC 的功能對(duì)比，選用由日本三菱公司生產(chǎn)的 FX2NFX2N 型 PLCPLC 作為控制起重機(jī) 各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，可編程控制器 PLCPLC 接受主令控制器的速度控制信號(hào)，該信號(hào)為數(shù)字控制信 號(hào)，信號(hào)電平為 ACAC、220V220V。這些控制信號(hào)包括：主令控制器發(fā)出的正、反轉(zhuǎn)及調(diào)速控制信 號(hào)、電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)信號(hào)、安全限位器信號(hào)及啟動(dòng)、急停、復(fù)位、零鎖等信號(hào)，全部信號(hào) 采用匯點(diǎn)式輸入。可編程控制器 PLCPLC 針對(duì)這些信號(hào)完成系統(tǒng)的邏輯控制功能，并向變頻器發(fā)出啟

10、動(dòng)、急停、正、反轉(zhuǎn)及調(diào)速等控制信號(hào)，使電動(dòng)機(jī)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(hào)，并按設(shè)定向電動(dòng)機(jī)輸出可變壓、變頻的電源， 從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)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(duì)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(jī)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(hào)操作起重機(jī)。2.2.52.2

11、.5 泄能電阻（制動(dòng)電阻）的功能1010 噸雙梁抓斗式你橋式起重機(jī)電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)時(shí)，由于重力加速度的原因，電動(dòng)機(jī)處 于再生制動(dòng)狀態(tài)，拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)化為電能，并存儲(chǔ)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(dāng)電壓升高到設(shè)定值時(shí)，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(yùn)行。4. 起重機(jī)電力拖動(dòng)系統(tǒng)改造的軟件設(shè)計(jì)及應(yīng)用1010 噸雙梁抓斗式橋式起重機(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、 小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)及升降運(yùn)行機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)分 別由不同的變頻器和一個(gè)可編程控制器 PLCPLC 控制。大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)及升降運(yùn) 行機(jī)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(jì)基本相同。在這里介紹以 小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)電力拖動(dòng)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(jìn)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(yùn)行機(jī)構(gòu)電力變頻拖動(dòng)系統(tǒng)

13、工作及軟件設(shè)計(jì)4.1.14.1.1 1010 噸雙梁吊鉤橋式起重機(jī)的工作過程通向橋架的門上、司機(jī)室的平臺(tái)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(diǎn)打開，急停開關(guān)斷開，三個(gè)主令控制器置于零 位，此時(shí)才能按下啟動(dòng)按鈕，接通電源。當(dāng)主令控制器置于前進(jìn)控制檔位時(shí)，電動(dòng)機(jī)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(dá)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(jìn)（后退）控制 5 5 和前進(jìn)（后退）控制 1 1,第 5 5 檔為前進(jìn)（后退） 控制 1 1 且電動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行。在運(yùn)行中，不論何種原因電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)

14、，繼續(xù)采用原來的 三相液壓制動(dòng)器。在緊急情況下，可按下急停按鈕，一方面機(jī)械制動(dòng)器動(dòng)作，另一方面， 將變頻器緊急停機(jī)控制端 EMSEMS 接通，變頻器停止工作。在實(shí)際中，變頻器因故障跳閘、電 動(dòng)機(jī)過載或熱元件動(dòng)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(yùn)行狀態(tài)。4.1.24.1.2 PLCPLC 控制小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)變頻拖動(dòng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn) PLCPLC 對(duì)變頻器控制滿足運(yùn)行要求，必須從這臺(tái) 1010 噸雙梁抓斗式橋式起重機(jī)設(shè)備 的工作過程、設(shè)備特點(diǎn)、安全要求出發(fā)，結(jié)合 PLCPLC 控制特點(diǎn)，編制 PLCPLC 控制程序。小車運(yùn) 行機(jī)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(yùn)行機(jī)構(gòu)變頻拖動(dòng)系統(tǒng)的速度設(shè)定為了使起重機(jī)能夠穩(wěn)定安全運(yùn)行，實(shí)際使用中用了3 3 個(gè)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(hào)，通過變

16、頻器設(shè)定不同的對(duì)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(jī)實(shí)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(duì)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(yùn)行中不存在 明顯的機(jī)械沖擊，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)。小車運(yùn)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(duì)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(duì)橋式起重機(jī)進(jìn)行了改造。起重機(jī)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(jiǎn)化。起重機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)、加 速、減速等過程更加平穩(wěn)快速，減少了負(fù)載波動(dòng)，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(shí)現(xiàn)了無觸點(diǎn)化，故障率大大降低。采用變頻調(diào)速, , 機(jī)械特性硬，負(fù)載變化時(shí)各檔速度基本不變。輕載時(shí)也不會(huì)因操作不當(dāng)而出現(xiàn)失控現(xiàn)象。變頻器還可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，很方便地調(diào)整各檔速度和加減速時(shí)間，使吊車操作更加靈活迅 速。采用變頻調(diào)速同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟起動(dòng)，避免了機(jī)械受大力矩沖擊的損傷和破壞 ，減少了機(jī)械維護(hù)及檢修費(fèi)用，提高了設(shè)備的運(yùn)行效率。實(shí)踐證明本次改造是成功的。參考文獻(xiàn)：11張燕彬賓 變頻調(diào)速應(yīng)用實(shí)踐.M.M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2000.2000.22ABBABB 變頻器使用手冊(cè)Z.ABBZ.ABB 電氣（北京）傳動(dòng)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