PLC和变频器在桥式起重机中的应用

倪振峰

（江苏熔盛重工有限公司，江苏 南通 226532）

1 引言

桥式起重机在造船行业中起着举足轻重的作用，传统的桥式起重机采用交流凸轮控制器控制，调速方式为绕线式异步电动机转子串电阻调速，因动作频繁经常会出现控制触点烧坏现象，设备可靠性低。随着新技术和控制设备的发展，PLC和变频器控制系统在桥式起重机中得到广泛运用，用鼠笼电机代替原绕线电机实现变频调速，大大提高了起重机的控制性能和可靠性。

因桥式起重机起升机构是控制系统的重点，本文着重介绍PLC和变频器在起升机构中的应用。

2 桥式起重机起升机构的特点及控制要求

2.1 起升机构特点

桥式起重机起升机构为位能性负载，当起吊重物下降或快速减速运行，电动机处于再生发电制动状态，需将再生能量反馈给电网或用制动电阻进行耗能，其拖动系统属恒转矩性质。

2.2 起升机构控制要求

（1）桥式起重机起升机构要求启动力矩大，运行平稳，且能正反转运行；

（2）起升机构在起吊、停止时必须防止“溜钩”；

起升机构制动器常采用电磁铁制动器和液压推动制动器，当制动器从抱闸到松开或从松开到抱闸需动作时间，但电机转矩输出在通电或断电时是瞬间变化的，因此控制回路需考虑制动器与电动机在动作上严格配合，防止溜钩。

（3）具有超载、限流、高度限位等保护功能。

3 PLC和变频器的配置及应用

3.1 系统配置

（1）系统PLC采用S7-200 CPU 224，扩展模块EM221、EM223。

（2）起升机构变频器采用G7矢量控制型变频器，此系列变频器具有零速全转矩控制功能，能满足起升机构起动力矩大等控制要求，通过变频器参数设置，控制制动器的开 /关顺序，能有效地防止起升机构出现“溜钩”现象。

（3）起升机构电机采用变频电机。变频器的选择要比电动机容量大一个等级，如电动机功率为75kW（YZPF 315M-10），则需选用90kW的变频器（CIMR-G7B4090）。

3.2 起升机构电气原理图

（1）主钩回路电气图

如图1所示为主钩回路部分。制动部分说明如下：如90kW的变频器，可选3只型号为CDBR-4045B的制动单元，每一制动单元接9600W13.6Ω的制动电阻，制动单元要注意主/辅设定（一主二辅）。

图1 主钩回路

（2）主钩多段速控制回路

如图2所示为主钩多段速的PLC输入输出部分，输入来自主令控制器，用于控制主钩升降四速控制，输出还包括变频器故障复位及制动器控制（图中未给出超载、限位等保护控制点）。

图2 主钩多段速控制

3.3 主钩部分PLC程序及工作过程

（1）主钩部分PLC控制程序

如图3所示为主钩部分PLC控制程序。

（2）对应输入输出信号表

表1所示为对应输入输出信号表。

表1 对应输入输出信号表

由图3可知，当主令控制器在上升位，一档时I0.0接通，Q0.1有输出使1KA1动作，变频器S1有输入，变频器以低段速d1-01设定的频率工作。这里需进一步说明的是：三档时，I0.2与I0.3接通，由梯形图可知，Q0.3、Q0.4有输出，使变频器S5、S6有输入，以d1-04设定的频率工作，四档则以d1-03设定的频率工作。下降时类似。

另外，梯形图中给出了相关的保护。

3.4 变频器参数与制动器动作时序

起升机构变频器控制模式可采用带PG的矢量控制或无PG的矢量1控制方式。

（1）带PG的矢量控制方式

图3 主钩部分PLC程序

带PG的矢量控制在全速度设定范围内转矩波动小，具有零速全转矩功能，保证了电机速度降为零时，能使重物在空中暂停，直到机械制动器抱住电机轴，有效防止了溜钩。

变频器部分主要参数设定如表2所示。

表2 变频器部分主要参数设定（带PG的矢量控制）

电机参数：E1参数根据电机铭牌进行设定，E2参数在电机进行自学习时自动设定。

如图4所示为带PG的矢量控制的制动器开/关时序图。

图4 制动器开/关时序图（带PG的矢量控制）

利用变频器多功能接点输出端M1-M2信号送入PLC输入点I5.4（主钩变频器零速），通过PLC程序控制输出点Q0.6，使接触器1KM1动作，从而控制制动器打开。停止时，以b2-01、b2-04设定值进行直流制动，直至制动器抱闸到位，实行零速控制功能。

（2）无PG的矢量1控制方式

无PG的矢量1控制方式控制性能比带PG的矢量控制要差，但无需编码器和变频器PG卡，可用于要求不高的场合，通过变频器控制制动器开/关顺序，合理设定参数，也能有效防止溜钩。

变频器部分主要参数设定如表3所示。

电机参数：E1参数根据电机铭牌进行设定，E2参数在电机进行自学习时自动设定。

表3 变频器部分主要参数设定（无PG的矢量控制）

如图5所示为无PG的矢量1控制的制动器开/关时序图。

图5 制动器开/关时序图（无PG的矢量1控制）

由图5可知，在变频器输出频率达L4-01设定值时，输出端M1-M2输出信号，控制制动器打开，停止时关闭制动器，并以b2-01、b2-02设定值进行直流制动，防止发生溜钩。

4 控制系统的优点及效果

（1）变频器能实现平滑调速、效率高，吊钩起动、加速、停止平稳快速，调速范围宽，能低速稳定运行，重物落地时负载冲击小，定位精度高。

（2）系统很好解决了电动机起动、停止时的冲击电流，抑制了有害的机械冲击，并对电动机有完善的短路、过载、缺相等保护功能，极大的提高了起重机的可靠性和安全性，延长了其使用寿命。

（3）变频器通过频率检出，多功能接点输出端（M1-M2）作为制动器的开/关信号使用，并与变频器参数配合，有效防止了起升机构溜钩。

（4）变频器采用矢量控制方式，可以将电机定子电流分解成规定的磁场电流和转矩电流，分别进行控制，通过转矩控制，在电机静止状态，能控制它所产生的静止转矩。

（5）PLC和变频器系统控制回路可靠、故障率低、易于维护，大大降低了维修费用。

（6）系统可配置触摸屏或文本显示器对主钩载荷、运行状态、故障情况等进行监控。

5 结束语

本文介绍了桥式起重机起升机构的特点、控制要求、PLC和变频器系统配置及应用实例，并对变频器两种矢量控制方式的制动器动作时序进行了说明，在起重机实践应用中均取得了良好的控制效果。

［1］安川电机.Varispeed G7使用说明书，2009.

［2］姚锡禄.变频器控制技术与应用［M］.福建科学技术出版社，2005.

［3］陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.机械工业出版社.1994.