倪振峰

（江蘇熔盛重工有限公司，江蘇 南通 226532）

1 引言

橋式起重機(jī)在造船行業(yè)中起著舉足輕重的作用，傳統(tǒng)的橋式起重機(jī)采用交流凸輪控制器控制，調(diào)速方式為繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，因動(dòng)作頻繁經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)控制觸點(diǎn)燒壞現(xiàn)象，設(shè)備可靠性低。隨著新技術(shù)和控制設(shè)備的發(fā)展，PLC和變頻器控制系統(tǒng)在橋式起重機(jī)中得到廣泛運(yùn)用，用鼠籠電機(jī)代替原繞線電機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，大大提高了起重機(jī)的控制性能和可靠性。

因橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)是控制系統(tǒng)的重點(diǎn)，本文著重介紹PLC和變頻器在起升機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用。

2 橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及控制要求

2.1 起升機(jī)構(gòu)特點(diǎn)

橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)為位能性負(fù)載，當(dāng)起吊重物下降或快速減速運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，需將再生能量反饋給電網(wǎng)或用制動(dòng)電阻進(jìn)行耗能，其拖動(dòng)系統(tǒng)屬恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)。

2.2 起升機(jī)構(gòu)控制要求

（1）橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)要求啟動(dòng)力矩大，運(yùn)行平穩(wěn)，且能正反轉(zhuǎn)運(yùn)行；

（2）起升機(jī)構(gòu)在起吊、停止時(shí)必須防止“溜鉤”；

起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器常采用電磁鐵制動(dòng)器和液壓推動(dòng)制動(dòng)器，當(dāng)制動(dòng)器從抱閘到松開(kāi)或從松開(kāi)到抱閘需動(dòng)作時(shí)間，但電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出在通電或斷電時(shí)是瞬間變化的，因此控制回路需考慮制動(dòng)器與電動(dòng)機(jī)在動(dòng)作上嚴(yán)格配合，防止溜鉤。

（3）具有超載、限流、高度限位等保護(hù)功能。

3 PLC和變頻器的配置及應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)配置

（1）系統(tǒng)PLC采用S7-200 CPU 224，擴(kuò)展模塊EM221、EM223。

（2）起升機(jī)構(gòu)變頻器采用G7矢量控制型變頻器，此系列變頻器具有零速全轉(zhuǎn)矩控制功能，能滿足起升機(jī)構(gòu)起動(dòng)力矩大等控制要求，通過(guò)變頻器參數(shù)設(shè)置，控制制動(dòng)器的開(kāi) /關(guān)順序，能有效地防止起升機(jī)構(gòu)出現(xiàn)“溜鉤”現(xiàn)象。

（3）起升機(jī)構(gòu)電機(jī)采用變頻電機(jī)。變頻器的選擇要比電動(dòng)機(jī)容量大一個(gè)等級(jí)，如電動(dòng)機(jī)功率為75kW（YZPF 315M-10），則需選用90kW的變頻器（CIMR-G7B4090）。

3.2 起升機(jī)構(gòu)電氣原理圖

（1）主鉤回路電氣圖

如圖1所示為主鉤回路部分。制動(dòng)部分說(shuō)明如下：如90kW的變頻器，可選3只型號(hào)為CDBR-4045B的制動(dòng)單元，每一制動(dòng)單元接9600W13.6Ω的制動(dòng)電阻，制動(dòng)單元要注意主/輔設(shè)定（一主二輔）。

圖1 主鉤回路

（2）主鉤多段速控制回路

如圖2所示為主鉤多段速的PLC輸入輸出部分，輸入來(lái)自主令控制器，用于控制主鉤升降四速控制，輸出還包括變頻器故障復(fù)位及制動(dòng)器控制（圖中未給出超載、限位等保護(hù)控制點(diǎn)）。

圖2 主鉤多段速控制

3.3 主鉤部分PLC程序及工作過(guò)程

（1）主鉤部分PLC控制程序

如圖3所示為主鉤部分PLC控制程序。

（2）對(duì)應(yīng)輸入輸出信號(hào)表

表1所示為對(duì)應(yīng)輸入輸出信號(hào)表。

表1 對(duì)應(yīng)輸入輸出信號(hào)表

由圖3可知，當(dāng)主令控制器在上升位，一檔時(shí)I0.0接通，Q0.1有輸出使1KA1動(dòng)作，變頻器S1有輸入，變頻器以低段速d1-01設(shè)定的頻率工作。這里需進(jìn)一步說(shuō)明的是：三檔時(shí)，I0.2與I0.3接通，由梯形圖可知，Q0.3、Q0.4有輸出，使變頻器S5、S6有輸入，以d1-04設(shè)定的頻率工作，四檔則以d1-03設(shè)定的頻率工作。下降時(shí)類似。

另外，梯形圖中給出了相關(guān)的保護(hù)。

3.4 變頻器參數(shù)與制動(dòng)器動(dòng)作時(shí)序

起升機(jī)構(gòu)變頻器控制模式可采用帶PG的矢量控制或無(wú)PG的矢量1控制方式。

（1）帶PG的矢量控制方式

圖3 主鉤部分PLC程序

帶PG的矢量控制在全速度設(shè)定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，具有零速全轉(zhuǎn)矩功能，保證了電機(jī)速度降為零時(shí)，能使重物在空中暫停，直到機(jī)械制動(dòng)器抱住電機(jī)軸，有效防止了溜鉤。

變頻器部分主要參數(shù)設(shè)定如表2所示。

表2 變頻器部分主要參數(shù)設(shè)定（帶PG的矢量控制）

電機(jī)參數(shù)：E1參數(shù)根據(jù)電機(jī)銘牌進(jìn)行設(shè)定，E2參數(shù)在電機(jī)進(jìn)行自學(xué)習(xí)時(shí)自動(dòng)設(shè)定。

如圖4所示為帶PG的矢量控制的制動(dòng)器開(kāi)/關(guān)時(shí)序圖。

圖4 制動(dòng)器開(kāi)/關(guān)時(shí)序圖（帶PG的矢量控制）

利用變頻器多功能接點(diǎn)輸出端M1-M2信號(hào)送入PLC輸入點(diǎn)I5.4（主鉤變頻器零速），通過(guò)PLC程序控制輸出點(diǎn)Q0.6，使接觸器1KM1動(dòng)作，從而控制制動(dòng)器打開(kāi)。停止時(shí)，以b2-01、b2-04設(shè)定值進(jìn)行直流制動(dòng)，直至制動(dòng)器抱閘到位，實(shí)行零速控制功能。

（2）無(wú)PG的矢量1控制方式

無(wú)PG的矢量1控制方式控制性能比帶PG的矢量控制要差，但無(wú)需編碼器和變頻器PG卡，可用于要求不高的場(chǎng)合，通過(guò)變頻器控制制動(dòng)器開(kāi)/關(guān)順序，合理設(shè)定參數(shù)，也能有效防止溜鉤。

變頻器部分主要參數(shù)設(shè)定如表3所示。

電機(jī)參數(shù)：E1參數(shù)根據(jù)電機(jī)銘牌進(jìn)行設(shè)定，E2參數(shù)在電機(jī)進(jìn)行自學(xué)習(xí)時(shí)自動(dòng)設(shè)定。

表3 變頻器部分主要參數(shù)設(shè)定（無(wú)PG的矢量控制）

如圖5所示為無(wú)PG的矢量1控制的制動(dòng)器開(kāi)/關(guān)時(shí)序圖。

圖5 制動(dòng)器開(kāi)/關(guān)時(shí)序圖（無(wú)PG的矢量1控制）

由圖5可知，在變頻器輸出頻率達(dá)L4-01設(shè)定值時(shí)，輸出端M1-M2輸出信號(hào)，控制制動(dòng)器打開(kāi)，停止時(shí)關(guān)閉制動(dòng)器，并以b2-01、b2-02設(shè)定值進(jìn)行直流制動(dòng)，防止發(fā)生溜鉤。

4 控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及效果

（1）變頻器能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速、效率高，吊鉤起動(dòng)、加速、停止平穩(wěn)快速，調(diào)速范圍寬，能低速穩(wěn)定運(yùn)行，重物落地時(shí)負(fù)載沖擊小，定位精度高。

（2）系統(tǒng)很好解決了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、停止時(shí)的沖擊電流，抑制了有害的機(jī)械沖擊，并對(duì)電動(dòng)機(jī)有完善的短路、過(guò)載、缺相等保護(hù)功能，極大的提高了起重機(jī)的可靠性和安全性，延長(zhǎng)了其使用壽命。

（3）變頻器通過(guò)頻率檢出，多功能接點(diǎn)輸出端（M1-M2）作為制動(dòng)器的開(kāi)/關(guān)信號(hào)使用，并與變頻器參數(shù)配合，有效防止了起升機(jī)構(gòu)溜鉤。

（4）變頻器采用矢量控制方式，可以將電機(jī)定子電流分解成規(guī)定的磁場(chǎng)電流和轉(zhuǎn)矩電流，分別進(jìn)行控制，通過(guò)轉(zhuǎn)矩控制，在電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)，能控制它所產(chǎn)生的靜止轉(zhuǎn)矩。

（5）PLC和變頻器系統(tǒng)控制回路可靠、故障率低、易于維護(hù)，大大降低了維修費(fèi)用。

（6）系統(tǒng)可配置觸摸屏或文本顯示器對(duì)主鉤載荷、運(yùn)行狀態(tài)、故障情況等進(jìn)行監(jiān)控。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)、控制要求、PLC和變頻器系統(tǒng)配置及應(yīng)用實(shí)例，并對(duì)變頻器兩種矢量控制方式的制動(dòng)器動(dòng)作時(shí)序進(jìn)行了說(shuō)明，在起重機(jī)實(shí)踐應(yīng)用中均取得了良好的控制效果。

［1］安川電機(jī).Varispeed G7使用說(shuō)明書(shū)，2009.

［2］姚錫祿.變頻器控制技術(shù)與應(yīng)用［M］.福建科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

［3］陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社.1994.