PLC與變頻器在橋式起重機電氣改造中的應用

隨著工業自動化的發展，PLC、變頻器在設備改造中得到了廣泛應用。橋式起重機是工礦企業中應用十分廣泛的一種起重機械，我公司鑄管車間擁有多臺橋式起重機，每天使用頻繁，工作量很大。橋式起重機能否正常工作直接影響車間生產、設備檢修等任務的完成以及人身、設備的安全。
      由于橋式起重機在鑄造廠房內，其工作環境相當惡劣，而且重載下頻繁起動、制動、反轉、變速等操作，還要求有一定的調速范圍，所以傳統的繼電控制和串電阻調速已呈現出諸多缺點，對這類設備的系統改造已十分必要。

1 電氣系統的基本情況
該車間的橋式起重機主要作用如下：將鐵水分配至10t 電爐內，其間添加廢鋼、合金進行調質、調溫；爐內鐵水溫度達到出鐵要求后，起重機將球化鐵水分配至離心機進行澆鑄；以及電爐、離心機維修時進行相關的起重任務。橋式起重機拖動系統采用繞線式交流異步電機，其中大車電機2 臺，小車電機1 臺，主起升電機1 臺，副起升電機1臺，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如下：
（1） 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；
（2） 繼電器－接觸器控制系統在頻繁切換的情況下，沖擊電流大，觸頭燒損、電刷冒火、電動機以及轉子所串電阻燒損和斷裂故障時有發生，故障率高；
（3）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；
（4）系統抱閘是在運動狀態下進行的，對制動器損害很大，閘皮磨損嚴重。
由于工作環境惡劣，石墨碳粉塵和有害氣體對電機滑環、碳刷及接觸器損壞較大，加上任務重，操作程序難以保證，沖擊電流大，觸頭消蝕嚴重，碳刷冒火，電機及轉子繞組所串電阻燒損、斷裂故障時有發生，平均每月發生較大的故障5 次,對生產影響較大，轉子串電阻調速，機械特性軟，負載變化時，轉速也變化，調速效果差，所串電阻長期發熱，電能浪費大，效率低，因此要從根本上解決橋式起重機故障率高的問題，只有采用PLC 作為主控制裝置，采用變頻器進行調速。

我們首先對擔負分配球化鐵水及檢修工作的16/3.2噸橋式起重機的大、小車拖動系統和吊鉤提升系統進行改造，以改善其操作性能、降低故障率。

2 改造方案
改造后的電控系統采用一臺PLC 進行系統控制，采用四臺變頻器及相關部件進行拖動系統的控制。

2.1 PLC 選型及設計
將起重機電控設備輸入、輸出信號接入PLC 的I/O 模塊，同時根據實際工況對PLC 進行合理編程。

（1）PLC 具有閉鎖啟動功能，司機在啟動設備前必須把主令控制器全部切至零位、進出門的門限開關到位，才能接通主電源。操作主令開關上有設備狀態指示屏，顯示設備的當前狀態及各種故障信息。
（2）主、副鉤有鋼絲繩提升限位、重錘限位、超重限位保護，大車、小車有行程開關保護，各個設備的保護動作只影響設備本身的動作。
（3）所有的變頻器的故障信號都接入PLC，任何變頻器出現故障只影響本拖動的動作。
（4）吊鉤升降與小車前行和后退、大車左行和右行有操作互鎖。
（5）主鉤、副鉤、大車、小車速度由主令開關檔位切換，可實現平穩切換。
（6）禁止司機利用打反車來對大車和小車進行定位。

2.2 變頻器的選型
橋式起重機的電氣傳動系統有大車電動機兩臺、小車電動機一臺、32 噸大鉤、5 噸小鉤提升電動機各一臺，這次改造總的思路是用四臺變頻器來控制五臺電機，實現重載啟動，變頻調速。主電路原理圖如圖2 所示。

改造后電氣控制系統除保留原凸輪控制器、各電機以及液壓抱閘外，各控制柜和各繼電器、接觸器一律取消，將電機滑環處短接；變頻器采用Rockwell 公司PowerFlex系列變頻器，為了減少平移過程中可能造成的瞬間斷電影響，給每一臺變頻器增加一臺進線電抗器。
變頻器在電機制動時，會出現電機處于再發電運行狀態，變頻器就需制動電阻耗散這部份能量，。由于變頻調速系統在重物下降時及電機制動時，會出現電機處于再生發電運行狀態，因此需要在變頻器直流回路內接制動電阻消耗這部分再生電能，同時使電機的制動能力提高，且使運動中的大、小車和吊鉤迅速而準確地將轉速降為零。

2.3 變頻調速的控制要點
橋式起重機控制系統中需要引起注意的是防止溜鉤的控制，因為在液壓抱閘抱住電機之前和松開后的瞬間，極易發生重物由于停止狀態下滑而產生溜鉤。
（1）起重物停住控制要點
通過設定停止頻率，和維持時間，當變頻器的工作頻率下降到停止頻率時, 變頻器輸出一個“頻率到達信號”,發出液壓抱閘斷電指令，變頻器輸出定值維持力矩，延時液壓抱閘釋放，變頻器工作頻率降為零。
（2）起重物升降控制要點
設定“升降起始頻率”和“檢測電流時間”，當變頻器到達設定值時，變頻器開始檢測電流，確認電流足夠大，產生的力矩能抵消下降力矩時發出抱閘松開指令，使液壓抱閘通電松開。
（3）自動轉矩提升設置
在調試過程中適當地提高中頻電壓可以改善低頻特性，提高啟動轉矩; 提高零頻電壓可以加大直流強勵磁，可以使電機保持足夠大的轉矩防止溜鉤。

3 結束語
經過實際運用，改造后的系統性能得到了很大的改善，效果非常明顯，主要體現在以下幾個方面：
（1）采用PLC 和變頻器調速系統后，控制系統簡化，故障率低，可靠性大為提高。橋式起重機的啟動、制動、加
速、減速等過程更加平穩快速，定位更加準確，減少了負載波動，安全性大幅提高；
（2）電機運行的開關器件實現了無觸點化，避免了因頻繁動作而燒損，以及由于觸頭燒損而引起的電器故障，具有半永久性的壽命；
（3）由于電動機啟動電流限制得較小，頻繁啟動和停止時電動機熱耗減少，壽命延長；
（4）機械特性硬，負載變化時，各檔速度基本不變，而且可根據現場情況，很方便地調整各檔速度和加速時間，使吊車操作更加靈活，反應迅速；
（5） 液壓抱閘在低速時動作, 其閘皮的磨損很小，使用壽命延長，保養時間和費用都得以減少。
如果采用YZ 或YZB 系列鼠籠電機取代繞線電機，則可完全消除電刷和滑環經常出的故障。