变频器、PLC在桥式起重机自动控制系统中的应用

变频器、PLC在桥式起重机自动控制系统中的应用

一、原系统分析：

桥式起重机情况:

桥式起重机(天车)是一种用来起吊、放下和搬运重物、并使重物在一定距离内水平移动的起重、搬运设备，在生产过程中有着重要应用。5吨桥式起重机，原设备电气驱动系统分为起重机升降、小车、大车三部份。其中起重机升降由一台13kW的绕线式异步电动机驱动，大车由两台4 kW绕线式异步电动机、小车由一台2.5 kW绕线式异步电动机驱动。在原传动控制中，采用转子串接电阻的调速方式.由于工作环境差,粉尘和有害气体对电机的集电环、电刷和接触器腐蚀性大，加上工作任务重,实际过载率高,由于冲击电流偏大,容易造成电动机触头烧损、电刷冒火、电动机及转子所串电阻烧损和断裂等故障, 影响现场生产和安全,工人维修量和产生的维修费用也很高.并且原调速方式机械特性较差,调速不够平滑，所串电阻长期发热浪费能量。综上所述原设备存在的主要缺点如下：

（1）拖动电动机容量大，起动时电流对电网冲击大，电能浪费严重。

（2）起重机升降、小车、大车起动、停止速度过快，而且都是惯性负载，机械冲击也较大，机械设备使用寿命缩短，操作人员的安全系数较差，设备运行可靠性较低。

（3）由于电动机一直在额定转矩下工作，而每次升降的负载是变化的，因此容易造成比较大的电能浪费。

（4）起重机每天需进行大量的装卸操作，由于绕线式电机调速是通过电气驱动系统中的主要控制元件---交流接触器来接入和断开电动机转子上串接的电阻，切换十分频繁，在电流比较大的状态下，容易烧坏触头。同时因工作环境恶劣，转子回路串接的铜电阻因灰尘、设备振动等原因经常烧坏、断裂。因而设备故障率比较高，维修工作量比较大。同样小车、大车的运转也存在上述问题。

（5）在起重机起升的瞬间，升降电动机有时会受力不均匀，易过载，直接造成电机损坏或者钢丝绳断裂。

（6）为适应起重机的工况，起重机的操作人员经常性的反复操作，起重机的电器元件和电动机始终处于大电流工作状态，降低了电器元件和电动机的使用寿命。

（7）起重机工作的协调性主要靠操作人员的熟练程度。由于升降、大车、小车三个凸轮控制器之间没有固定的联系，在起重机工作时操作人员劳动强度比较大，容易疲劳，易产生误操作。

针对上述现有技术存在的不足，本次改造的起重机采用先进的可编程控制技术（P LC）和变频器技术，以程序控制取代继电器----接触器控制，交流电动机调速方式采用变频调速，进而实现了起重机的半自动化控制。

二、改造方案：

交流电动机的调速方式很多,针对上述现有技术存在的不足，综合各种性能最佳者为变频调速方式。

2.1拖动系统

1、电动机选型

A.大车与小车用电动机可选用普通的笼型转子异步电

动机；

B.升降用电动机由于要求比较高，应选用变频专用的笼

型转子异步电动机。

原设备系统采用的是绕线式异步电动机，出于经济方面的考虑，通过短接转子回路

也能进行使用。

2、调速方法

采用目前国际先进技术具有矢量控制功能的变频调速系统。变频后转速可以分档控制，一般采用6段速度运行，从低到高自由切换。

3、制动方式

采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。

A.首先，通过变频器调速系统的再生制动和直流制动把运动中的大车、小车和起重机的速度迅速而准确地降到0(使它们停止) ；

B.对于起重机，常常会有重物在半空中停留一段时间（如重物在半空中平移），而变频调速系统虽然能使重物静止，但因设备容易受到外界因素的干扰，（如在平移过程中常易出现的瞬间断电）因此，利用电磁制动器进行机械制动仍然是必须的。

2．2变频调速系统的控制要点

桥式起重机拖动系统的控制动作包括：大车的左、右行走及速度档位；小车的前、后行走及速度档位；起重机的升、降及速度档位等。所有这些，都可以通过可编程序控制器（PLC）进行无触点控制。

桥式起重机控制系统中需要引起注意的是关于防止溜钩的控制。在电磁制动器抱住之前和松开之后的瞬间，极易发生重物由停止状态下滑的现象，称为溜钩。

防止溜钩的控制需要注意的关键问题是：

1）电磁制动器在通电到断电（或从断电到通电）之间是需要时间

的，大约0.6秒（视型号和大小而定）。因此，变频器如过早地停止输出，将容易出现溜钩。

2）变频器必须避免在电磁制动器抱闸的情况下输出较高频率，以

免发生“过流”而跳闸的误动作。

为此，具体控制方法如下：

1．重物高空停止的控制过程

A．设定一个“停止起始频率”fBS,当变频器的工作频率下降

到fBS时，变频器将输出一个“频率到达信号”，发出制动电磁铁断电指令；

B. 设定一个fBS 的维持时间tBB, tBB长短应略大于制动电磁铁从开始释放到完全抱闸所需要的时间；

C. 变频器将工作频率下降止0。

图1-1 重物高空停止的控制过程

2．重物升降的过程

A．设定一个“升降起始频率”fRD,当变频器的工作频率上升到fRD

时，将暂停上升。为了确保当制动电磁铁松开后，变频器已经能控制住重物的升降而不会溜钩，所以，在工作频率达到fRD的同时，变频器将开始检测电流，并设定检测电流所需要的时间tRC；

B．当变频器确认已经有足够大的输出电流时，将发出一个“松开

指令”，使制动电磁铁开始通电；

C. 设定一个fRD的维持时间tRD，tRD的长短应略大于制动电磁铁从通电到完全松开所需要的时间；

D. 变频器将工作频率上升止所需频率。

如图1-2 所示:

3. 变频器的零速全转矩功能和直流制动励磁功能

艾默生高性能矢量TD3000系列变频器，具备了有效的防止溜钩的一些独特的制动功能，如：

A.零速全转矩功能变频器可以在速度为0的状态下，保持电动

机有足够大的转矩。这一功能保证了起重机有升降状态降为0时，电动机能够使重物在空中停止，直到电磁制动器将轴抱住为止，从而防止了溜钩的放生。

B.起动前的直流强励磁功能变频器可以在起动之前自动进行直流强励磁。使电动机有足够大的转矩（有速度传感器的矢量控制：200%rpm；无速度传感器的矢量控制：150%/0.5Hz）,维持重物在空中的停住状态，以保证电磁制动器在释放过程中不会溜钩。

三．桥式起重机采用变频调速的优点和系统介绍

3.1变频调速控制系统的优点

1.变频器调速控制系统的保护功能强

A.变频调速以其体积小、通用性强、动态响应快、工作频率高、保护性能完善、可靠性好、使用方便等卓越的性能而优于以往的任何调速方式；

B.使用变频器控制电机的运行控制，可以进行电机的软启动，而让电机具有很快的动态响应并且实现无级调速；另外对电机的一些参数做到补偿；对电源的缺相、欠压、过压、过流等都能做到很及时很准确的检测而自动采取应变措施保护电机；

2.工作可靠性显著提高，主要有以下几个方面：

A.电磁铁的寿命可大大延长原拖动系统是在运动的状态下进行抱闸的，采用变频调速后，可以在基本停住的状态下进行抱闸，闸皮的磨损情况大为改善；

B.操作手柄不易损坏原系统的操作手柄因常常受力过大，属于易损件。采用变频调速后，操作手柄的受力将大大的减小，不容易损坏；

C.控制系统的故障率大为下降原系统是由于十分复杂的接触器、继电器系统进行控制的，故障率较高。采用了变频调速控制系统后，控制系统可大大简化，可靠性大为提高。

3.节能效果十分可观绕线转子异步电动机在低速运行时，转子回路的外接电阻内消耗大量的电能。采用变频调速系统后，非但外接电阻内消耗的大量电能可以完全节约，并且在起重机放下重物时，还可将重物释放的位能反馈给电源。

5．调速质量明显提高采用了变频调速系统后，调速范围有PG矢量控制时1：1 000，无PG矢量控制时1：100，速度控制精度有速度传感器矢量控制0.05%，无速度传感器矢量控制0.5%最高频率，并且调速平稳，能够长时间低速运行，具有很高的定位精度和运行效率。

6．可简化传动链由于可以进行无级调速，从而在机械上省去了非标设计的减速箱，使传动链结构简单，设计标准化。

3.2变频调速控制系统的介绍

1.大、小车运行机构大车为双梁结构，分别由两台4KW电动机拖动，用一台较大的变频器（15KW）供电；小车由单台

2.5KW电动机拖动，并且由单独的变频器（

3. 7KW）供电。

大、小车变频器都有预置为V/F控制方式。大、小车系统图如1-3图和1-4图所

示；

图1-3 起重机大车行走系统图

图1-4 起重机小车行走系统图

2.起重机升降机构起重机升降的电动机由一台电动机（13KW）驱动。系统框图如图1-5所示：

3.制动单元和制动电阻本系统对于重物下降时电动机再生的电能，采取由变频器外接的制动单元（TD3000系列变频器22KW及其以下机型中，已内置了制动单元；但是所有的制动电阻都需要外接）和制动电阻消耗掉的方式。针对桥式起重机的起重机升降机构起、制动频繁，要求制动的转矩较大，以及下降时制动状态的持续时间较长等特点，因此：

A.制动单元用标准配置就可以实现制动过程的功能。

B.制动电阻的额定功率可以稍稍的加大一倍。

总的系统方框图如下：

4. 可编程序控制器（PLC）选择：

此方案,选用美国紧凑型EC20系列可编程序控制器。EC20系列可编程序控制器是艾默生(EMERSON)公司致力于工业自动化领域全新推出的新一代可编程序控制器，它代表了工业自动化控制的最高水平，是最新计算机技术与工业控制技术的完美结合。具特点主要如下：

·体积小，结构紧凑；

·采用功能强大的最新MCU和CPLD工业控制专用芯片；

·丰富的硬件资源，高执行速度；

·强大的组网功能：支持MODBUS协议和自由端口协议；

·功能强大的用户指令集，包括PID等复杂指令；

·独特的抗干扰设计，重要数据的掉电保护功能；

·板件严格的三防处理，宽电压设计，适应恶劣现场环境。

PLC 按控制程序、输入控制信号来完成起重机各种工况的协调，并决定起重机的各种工作状态。系统软件设计采用 PLC梯形图语言来编程完成，用 PLC控制工作可靠，扫描速度快，控制非常灵活。

5. 变频器选择：

此方案，变频器选用安川品牌变频器。

采用变频器驱动异步电动机调速，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值（最大值）来选择变频器，通常令变频器的额定电流≥（1.05～1.10）电动机的额定电流或电动机实际运行中的最大电流。

I1nv≥（1.05～1.10）In或（1.05～1.10）Imax

式中I1nv--变频器额定输出电流（A）；

In--电动机的额定电流（A）；

Imax--电动机实际最大电流（A）。

大车小车行走是一般的负载，因此采用安川系列和安川系列变频器驱动。对于起重机升降电动机，考虑到功能性负载，工作时总是重载起动、制动。而且要求尽可能地快速起动、制动。变频器的容量是按上式计算得到的。根据实际情况，经过与同类变频器的性能与价格及售后服务等方面的综合考虑，变频器选用安川公司高性能矢量控制变频器。安川变频器采用目前国际先进的矢量控制方式，通过对电机励磁电流和转矩电流进行解耦控制，实现转矩的快速响应和准确控制，能以很高的精度进行宽范围的调速运行。