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，我廠輸煤系統(tǒng)現(xiàn)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系統(tǒng)多采用繞線式交流異步電機，轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串入多段外接電阻調(diào)速，采用凸輪控制器、繼電器、接觸器控制。這種控制系統(tǒng)主要缺點是:

1)大車、小車、吊鉤升降、開閉拖動運行系統(tǒng)采用變阻調(diào)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有發(fā)生，又制成柵狀，高溫時易彎曲變形造成短路事故。

2)電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速屬能耗型轉(zhuǎn)差調(diào)速，能耗大，機械特性軟，調(diào)速范圍小，平滑性差。

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

4)調(diào)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(tǒng)抱閘是在運動狀態(tài)下進行的，對制動器損害很大，閘皮磨損嚴重。

隨著電力電子技術的飛快發(fā)展和軟件技術的成熟，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(diào)速技術，可實現(xiàn)橋式起重機的抓斗的升降、開閉，小車和大車機構(gòu)的無級調(diào)速，從而極大地提高了系統(tǒng)運行的安全性和精確性。

2 變頻調(diào)速改造方案

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

2.1 變頻調(diào)速改造方案設計

10 t橋式起重機的電氣傳動系統(tǒng)為：大車電動機2 臺，額定功率2×11 kW;小車電動機1 臺，額定功率15 kW;提升電動機1臺，額定功率37 kW;開閉電動機1臺，額定功率37 kW。改造的具體設計方案是:

1)電動機采用原有的，即大車的鼠籠式異步電動機，其他的繞線式異步電動機保持不變。

2)用4 臺變頻器來控制5 臺電機，實現(xiàn)重載啟動與變頻調(diào)速，主電路電氣原理框圖如圖1所示。

3)電氣控制系統(tǒng)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 系列起重專用變頻器。

4)調(diào)速方式采用具有矢量控制功能的變頻調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速分擋調(diào)節(jié)。

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

2.2 電氣工作原理

1)吊鉤升降、開閉機構(gòu)電氣拖動系統(tǒng)吊鉤升降、開閉機構(gòu)拖動系統(tǒng)各有一臺電機，由于吊鉤升降、開閉機構(gòu)拖動系統(tǒng)電機同時工作，因此兩套機構(gòu)不能共用一套變頻器。在司機操作室聯(lián)動臺上分別設有吊鉤升降、開閉機構(gòu)主令控制器Ks、Kf。系統(tǒng)的控制指令，由司機室聯(lián)動臺主令控制器Ks、Kf 給出，經(jīng)PLC 運算后給出控制變頻指令：上升、下降、打開、關閉、加速、減速。吊鉤升降、開閉機構(gòu)制動打開由變頻器輸出繼電器經(jīng)PLC 邏輯運算后驅(qū)動制動器控制接觸器Cs、Cf，使制動器動作。

變頻器有短路、過壓、缺相、失壓、過流、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(xiàn)短路、過流等故障時，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，控制制動器抱閘，并發(fā)出報警信號。

吊鉤升降、開閉機構(gòu)除了變頻器內(nèi)部有保護功能外，還設置了線路保護：

(1)零位保護，由主令控制器零位觸點實現(xiàn)此功能;

(2)限位保護，由高度限制器實現(xiàn);

(3)線路設有低壓斷路器作為短路保護。

2)小車運行機構(gòu)電氣拖動系統(tǒng)小車運行機構(gòu)由一臺變頻電機驅(qū)動，采用1 臺變頻器控制，系統(tǒng)控制方法與起升機構(gòu)電氣傳動系統(tǒng)類似。

3)大車運行機構(gòu)電氣拖動系統(tǒng)大車運行機構(gòu)由兩臺變頻電機驅(qū)動，采用1臺變頻器控制，系統(tǒng)控制方法與小車運行機構(gòu)電氣傳動系統(tǒng)類似。

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系列起重專用變頻器。

3.1.1 變頻器控制方式的選擇

由于起重機機構(gòu)多為恒轉(zhuǎn)矩負載，故選用帶低速轉(zhuǎn)矩提升功能的電壓型變頻器。

平移機構(gòu)慣量較大，負載變化相對小，屬于阻力性負載，故大車、小車選用U/f 開環(huán)控制方式的安川CIMR-F7B4045 型變頻器;起升機構(gòu)慣量較小，負載變化大，屬于位能性負載，為獲得快速的動態(tài)響應，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)節(jié)，獲得理想的動態(tài)性能，通常采用矢量控制方式，故抓斗升降、開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(wěn)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機的額定功率為依據(jù)的。由于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機與通用鼠籠異步電動機相比，其繞組的阻抗較小，因此使用變頻器調(diào)速時應考慮紋波電流引起的過電流跳閘情況，同樣功率下的電動機，繞線轉(zhuǎn)子異步電動機額定電流往往較大，所以選擇時應考慮一定余量。雖然起重機升降機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量很小，加速時間較短，但考慮到電網(wǎng)電壓波動的因素，以及安全勞動部門對起重機1.25倍額定靜載荷檢測要求等因素來選擇起升機構(gòu)電動機的變頻器容量。大車、小車運行機構(gòu)屬于大慣量負載，其加減時間一般不超過20 s，變頻器的短時過載能力為150%，不同的加速時間對變頻器容量的計算不同，當加速時間>2 min時，變頻器功率選擇應放大些，以此來選擇大車、小車運行機構(gòu)電動機的變頻器容量。

3.1.3 制動單元和制動電阻的選擇

當電動機處于反接制動或再生制動狀態(tài)，變頻器內(nèi)直流電路儲能電容兩端的電壓將升高，為避免電壓過高而使直流過壓保護動作，必須將這部分能量回饋至電網(wǎng)或增設制動單元及制動電阻以釋放這部分能量。廠商已提供與變頻器容量相配套的標準外接制動單元。大車、小車、升降、開閉制動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單元。大車、小車、升降、開閉制動電阻均選用上海永前ZX25Y2-4045/2H型制動電阻器。

3.2 PLC的選擇

本系統(tǒng)中選用日本歐姆龍CPM2AE-60CDR-A型PLC 來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的邏輯控制，接線簡化，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(tǒng)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)控制制動器，保證電動機停止時能夠及時制動，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、開閉變頻器中任意一臺變頻器報警故障時，兩臺變頻器均能夠立即停止輸出，并同時制動;

6)任何時刻斷電，系統(tǒng)將會立即停止運行，制動器制動。