PLC 和變頻器在橋式起重機中的應用

1 概述

橋式起重機是工礦企業(yè)中應用十分廣泛的一種起重機械，我廠(chǎng)輸煤系統現有多臺橋式起重機，工作量大，使用頻繁。橋式起重機電力拖動(dòng)系統多采用繞線(xiàn)式交流異步電機，轉子回路內串入多段外接電阻調速，采用凸輪控制器、繼電器、接觸器控制。這種控制系統主要缺點(diǎn)是:

1)大車(chē)、小車(chē)、吊鉤升降、開(kāi)閉拖動(dòng)運行系統采用變阻調速，運行性能差，而且電阻元件使用普通康銅材質(zhì)，性脆易斷裂，故電阻燒損和斷裂故障時(shí)有發(fā)生，又制成柵狀，高溫時(shí)易彎曲變形造成短路事故。

2)電機轉子串電阻調速屬能耗型轉差調速，能耗大，機械特性軟，調速范圍小，平滑性差。

3)由于現場(chǎng)環(huán)境中粉塵、有害氣體對電動(dòng)機集電環(huán)、繼電器的腐蝕，再加上繼電器、接觸器控制系統切換頻繁，起動(dòng)時(shí)，沖擊電流大，因此觸頭燒損、電刷冒火、電動(dòng)機燒損故障時(shí)有發(fā)生，故障率高。

4)調速平滑性差，對減速機、連軸器、鋼絲繩的機械沖擊大，影響使用壽命。

5)系統抱閘是在運動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行的，對制動(dòng)器損害很大，閘皮磨損嚴重。

隨著(zhù)電力電子技術(shù)的飛快發(fā)展和軟件技術(shù)的成熟，變頻器的性能和可靠性都有了很大的提高。因此，在橋式起重機上應用PLC和變頻調速技術(shù)，可實(shí)現橋式起重機的抓斗的升降、開(kāi)閉，小車(chē)和大車(chē)機構的無(wú)級調速，從而極大地提高了系統運行的安全性和精確性。

2 變頻調速改造方案

對擔負我廠(chǎng)9臺鍋爐和6臺造氣爐原料煤上料工作的3#吊車(chē)(10 t 橋式起重機)的大、小車(chē)電力拖動(dòng)系統，吊鉤升降、開(kāi)閉電力拖動(dòng)系統進(jìn)行變頻調速技術(shù)改造，以改善其操作性能、降低故障率。橋式起重機的電氣傳動(dòng)系統工作原理框圖如圖1所示。

2.1 變頻調速改造方案設計

10 t橋式起重機的電氣傳動(dòng)系統為：大車(chē)電動(dòng)機2 臺，額定功率2×11 kW;小車(chē)電動(dòng)機1 臺，額定功率15 kW;提升電動(dòng)機1臺，額定功率37 kW;開(kāi)閉電動(dòng)機1臺，額定功率37 kW。改造的具體設計方案是:

1)電動(dòng)機采用原有的，即大車(chē)的鼠籠式異步電動(dòng)機，其他的繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機保持不變。

2)用4 臺變頻器來(lái)控制5 臺電機，實(shí)現重載啟動(dòng)與變頻調速，主電路電氣原理框圖如圖1所示。

3)電氣控制系統中原各電氣控制柜和繼電器、接觸器一律取消，更換為新電氣控制柜，變頻器采用的是日本安川CIMR-G7A、CIMR-G7B、CIMR-F7B 系列起重專(zhuān)用變頻器。

4)調速方式采用具有矢量控制功能的變頻調速系統，轉速分擋調節。

5)制動(dòng)方式采用再生制動(dòng)、直流制動(dòng)和電磁機械制動(dòng)相結合的方式。運行(重物下降)時(shí)，采取在變頻器直流回路內接入制動(dòng)電阻的方式消耗掉再生的電能，把運行的大、小車(chē)和吊鉤迅速而準確地停止住(速降為0)。吊鉤作業(yè)時(shí)，常常有將重物在半空中停留一段時(shí)間的現象(如重物在空中平移或突然停電時(shí))，變頻調速系統雖然能使重物停住，但因容易受到外界因素的干擾(如平移時(shí)常出現斷電)，可靠性差。因此，還必須同時(shí)采取電磁制動(dòng)器進(jìn)行機械制動(dòng)以配合可靠完成作業(yè)。

2.2 電氣工作原理

1)吊鉤升降、開(kāi)閉機構電氣拖動(dòng)系統吊鉤升降、開(kāi)閉機構拖動(dòng)系統各有一臺電機，由于吊鉤升降、開(kāi)閉機構拖動(dòng)系統電機同時(shí)工作，因此兩套機構不能共用一套變頻器。在司機操作室聯(lián)動(dòng)臺上分別設有吊鉤升降、開(kāi)閉機構主令控制器Ks、Kf。系統的控制指令，由司機室聯(lián)動(dòng)臺主令控制器Ks、Kf 給出，經(jīng)PLC 運算后給出控制變頻指令：上升、下降、打開(kāi)、關(guān)閉、加速、減速。吊鉤升降、開(kāi)閉機構制動(dòng)打開(kāi)由變頻器輸出繼電器經(jīng)PLC 邏輯運算后驅動(dòng)制動(dòng)器控制接觸器Cs、Cf，使制動(dòng)器動(dòng)作。

變頻器有短路、過(guò)壓、缺相、失壓、過(guò)流、超速、接地等各種保護功能和故障自診斷及顯示報警功能。當變頻器出現短路、過(guò)流等故障時(shí)，變頻器給出故障信號輸入PLC，并停止輸出，PLC接到故障信號后，切斷變頻器電源，控制制動(dòng)器抱閘，并發(fā)出報警信號。

吊鉤升降、開(kāi)閉機構除了變頻器內部有保護功能外，還設置了線(xiàn)路保護：

(1)零位保護，由主令控制器零位觸點(diǎn)實(shí)現此功能;

(2)限位保護，由高度限制器實(shí)現;

(3)線(xiàn)路設有低壓斷路器作為短路保護。

2)小車(chē)運行機構電氣拖動(dòng)系統小車(chē)運行機構由一臺變頻電機驅動(dòng)，采用1 臺變頻器控制，系統控制方法與起升機構電氣傳動(dòng)系統類(lèi)似。

3)大車(chē)運行機構電氣拖動(dòng)系統大車(chē)運行機構由兩臺變頻電機驅動(dòng)，采用1臺變頻器控制，系統控制方法與小車(chē)運行機構電氣傳動(dòng)系統類(lèi)似。

3 變頻器與PLC的選擇

3.1 變頻器的選擇

變頻器采用日本安川CIMR-G7A、CIMR-G7B、CIMR-F7B系列起重專(zhuān)用變頻器。

3.1.1 變頻器控制方式的選擇

由于起重機機構多為恒轉矩負載，故選用帶低速轉矩提升功能的電壓型變頻器。

平移機構慣量較大，負載變化相對小，屬于阻力性負載，故大車(chē)、小車(chē)選用U/f 開(kāi)環(huán)控制方式的安川CIMR-F7B4045 型變頻器;起升機構慣量較小，負載變化大，屬于位能性負載，為獲得快速的動(dòng)態(tài)響應，實(shí)現對轉矩的快速調節，獲得理想的動(dòng)態(tài)性能，通常采用矢量控制方式，故抓斗升降、開(kāi)閉機械分別選用安川CIMR-G7B4055、安川CIMR-G7A4055 型變頻器，采用閉環(huán)矢量控制方式可獲得穩定的工作狀態(tài)和良好的機械特性。

3.1.2 變頻器容量的選擇

變頻器容量的選擇是以電動(dòng)機的額定功率為依據的。由于繞線(xiàn)轉子異步電動(dòng)機與通用鼠籠異步電動(dòng)機相比，其繞組的阻抗較小，因此使用變頻器調速時(shí)應考慮紋波電流引起的過(guò)電流跳閘情況，同樣功率下的電動(dòng)機，繞線(xiàn)轉子異步電動(dòng)機額定電流往往較大，所以選擇時(shí)應考慮一定余量。雖然起重機升降機構的轉動(dòng)慣量很小，加速時(shí)間較短，但考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)的因素，以及安全勞動(dòng)部門(mén)對起重機1.25倍額定靜載荷檢測要求等因素來(lái)選擇起升機構電動(dòng)機的變頻器容量。大車(chē)、小車(chē)運行機構屬于大慣量負載，其加減時(shí)間一般不超過(guò)20 s，變頻器的短時(shí)過(guò)載能力為150%，不同的加速時(shí)間對變頻器容量的計算不同，當加速時(shí)間>2 min時(shí)，變頻器功率選擇應放大些，以此來(lái)選擇大車(chē)、小車(chē)運行機構電動(dòng)機的變頻器容量。

3.1.3 制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的選擇

當電動(dòng)機處于反接制動(dòng)或再生制動(dòng)狀態(tài)，變頻器內直流電路儲能電容兩端的電壓將升高，為避免電壓過(guò)高而使直流過(guò)壓保護動(dòng)作，必須將這部分能量回饋至電網(wǎng)或增設制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻以釋放這部分能量。廠(chǎng)商已提供與變頻器容量相配套的標準外接制動(dòng)單元。大車(chē)、小車(chē)、升降、開(kāi)閉制動(dòng)單元均選用日本安川CDBR-4045 型與變頻器容量相配套的標準外接制動(dòng)單元。大車(chē)、小車(chē)、升降、開(kāi)閉制動(dòng)電阻均選用上海永前ZX25Y2-4045/2H型制動(dòng)電阻器。

3.2 PLC的選擇

本系統中選用日本歐姆龍CPM2AE-60CDR-A型PLC 來(lái)實(shí)現整個(gè)系統的邏輯控制，接線(xiàn)簡(jiǎn)化，電源功率損耗減少。設置回路故障診斷功能和有效的電氣保護功能使系統具有一定的智能性和更高的可靠性。橋式起重機PLC 邏輯控制梯形圖如圖2所示。其主要功能如下：

1)變頻器運行、停止控制;

2)控制制動(dòng)器，保證電動(dòng)機停止時(shí)能夠及時(shí)制動(dòng)，既不提前，也不延后;

3)升降變頻器控制方式切換;

4)電氣閉鎖保護控制;

5)升降、開(kāi)閉變頻器中任意一臺變頻器報警故障時(shí)，兩臺變頻器均能夠立即停止輸出，并同時(shí)制動(dòng);

6)任何時(shí)刻斷電，系統將會(huì )立即停止運行，制動(dòng)器制動(dòng)。