变频器和PLC在起重机中的应用

陈兴旺

【摘要】随着我国机械行业自动化和智能化的发展，相应的技术也在大型机械中有了一定的应用，例如目前的起重机在使用的过程中会使用到变频技术和PLC技术，本文针对变频器以及PLC技术在起重机中的运用进行了针对性的分析。

【关键词】变频器；PLC；起重机；应用

一、前言

起重机械是国民经济发展中必不可少的物料搬运设备，随着我国经济的快速发展，国内各类起重机的需求量也日益上升。因为起重机在工作过程中要频繁启动和制动，对电网冲击非常大，存在着非常严重的能源学浪费。因为起重机是实现物料的垂直升降或者水平移动并垂直升降的设备，起重机在下降过程存在着势能和电能的相互转换过程，因此，回收从势能转换而来的电能，并通过起重机的馈电装置向供电网络回送，或者供给其它设备使用，从而可现节省能源的目的，正因为如此，当前国内外正在研究起重机的节能技术，尤其是大型起重机的节能技术。

二、起重机控制技术的发展

起重机械从在人类历史上出现至今，已经历了几百年的发展历程。最初的起重机采用人力或牲畜驱动，通过操作起重机的人或人指挥牲畜来控制，属于起重机的雏形，并不是真正意义上的起重机械。后来出现了水力驱动的简易起重机，这种起重机通过自然的水流驱动，只能通过人为操纵水流的闭合或流速来控制。进入工业时代以后，人类发明了以电动机或者内燃机作为动力装置的起重机。起重机械控制技术的发展始终跟随着人类科技的脚步，随着几次工业革命经历了翻天覆地的变化。现阶段起重机控制系统主要采用电气系统，包括电力拖动和电气控制2个组成部分。电力拖动系统为起重机各机构的运行提供动力，电气控制系统对起重机进行操纵和控制，是电气系统的核心。目前起重机的控制系统主要由供电系统、电动机、各种控制电器（包括主令控制器、各种开关和断路器、接触器、继电器、电阻器等）组成。随着社会的发展、工业的进步，越来越多的起重机将趋于朝工作环境恶劣、作业条件复杂、负载繁重、启动制动频繁且定位精度要求较高的方向发展，因此，起重机的控制系统必须能适应未来起重机的工作特点。然而，目前的电气系统采用继电器—接触器对起重机进行控制，既不能达到精确控制的要求，也无法适应越来越恶劣的运行工况，而且在能源日益枯竭的今天，亦不能满足人们对起重机节能的需求。因此，传统电气控制系统已不能满足未来起重机的使用要求，急需研发一种高效节能、可靠性高的新型起重机控制系统。

三、变频器在起重机控制过程中的运用

QD50/5-22.5A5 是通用桥式起重机，该起重机由金属结构、起升机构、运行机构以及电气控制设备等四个部分组成。起升机构主要指主起升机构、副起升机构；运行机构包括大车运行机构和小车运行机构。起重机械广泛应用于厂房、仓库、码头、料场、建筑工地以及煤矿、电厂等领域。根据特种设备目录，起重机械可分为桥式起重机、门式起重机、塔式起重机、流动式起重机、门座式起重机、升降机和机械式停车设备等7个类别，其中，桥、门式起重机是最常见、最典型的类型，也是本文将要探讨的重点，其主要由大车、小车、大车运行机构、小车运行机构、起升机构、司机室、轨道、安全附件及电气系统等部分组成。其中，电气系统又分为拖动系统和控制系统，拖动系统主要包括为起重机提供动力的电动机及其附件，而控制系统则主要包括控制器、继电器、接触器等电气控制元件。可以这样形象地比喻：控制系统是起重机的大脑中枢，拖动系统是起重机的神经网络。

1、变频器在起重机起升机构的应用

起升机构属位能负载机构，不仅要求起动和制动控制精度要高，而且还要求位置控制。该课题研究对象的起升机构是由一个主起升机构和一个副起升机构，主起升机构用一台变频器驱动，同时为了加强控制精度，采用旋转编码器作为检测装置，来实现起升的准确度；副起升机构仍由传统的继电器来控制。起升机构所使用的变频器，应以额定电流为选择基准，一般变频器的额定电流应不小于电动机的额定电流。通过计算，变频器的额定电流一般为电动机额定电流的 1.2 倍以上。

起升机构的控制方式采用带 PG 的矢量控制方式，编码器的反馈信号传送到PLC 后，通过程序来控制起升机构的升降。它具有很高的稳定性和快速的响应特性。

2、运行系统的变频器的应用

大车的运行是由两台电动机用一台变频器控制，由于运行机构的控制要求 不高，工作频率单一，因此调速中运行机构共用一台变频器。该变频器的容量应不小于两台电动机的容量之和，设置变频器的控制模式为 V/F，而不能采用矢量控制方式。运行机构的起动时间应符合实际需要，起动应平稳。

四、PLC 在大型起重机中的应用

1、PLC系统的组成

PLC控制技术是以PLC为核心元件组成控制系统以实现电气控制的技术，PLC控制系统由硬件和软件2个部分组成，硬件是指PLC本身及其他设备，软件是指管理PLC的系统软件，即应用程序、编程语言和编程工具。图1为典型的PLC控制系统硬件组成图，主要包括主控模块、输入/输出模块、电源模块及I/O电路。主控模块是PLC控制系统的核心，包括CPU、存储器、通信接口等部分。输入/输出模块是主控模块与设备的桥梁，其将需要采集的各种数据，如温度、速度、电压、开关量、继电器状态等传达给主控模块，并输出主控模块的指令。电源模块可以将交流电转换成供PLC使用的直流电，是整个系统的能量来源。I/O电路即输入电路和输出电路，负责传输信号和指令。

2、PLC 在大型起重机中的应用

桥式起重机是最常见的桥架式起重机，其主要包括起升机构、大车运行机构、小车运行机构。根据起重机的工作要求，要实现对起重机的控制，PLC必须接收操作信号并进行综合处理和控制信号输出，以控制各个机构动作。根据桥式起重机的工作特点可知，需要输入的信号有速度信号、制动信号、正反转信号、运行应答、超速控制、故障处理等；控制系统要实现的功能有主副机构升降速度调节、运行机构运行速度调节以及保护功能，包括主副机构上升限位、下降限位、大车限位、小车限位、主副机构及大小车电动机保护等。

起升机构的控制包括主钩和副钩的控制，在主钩的控制电路中加入零压继电器，并使其和急停按钮并联，在欠压的状况下也能够使进线接触器线圈断电，保护起重机安全运行。同时在3个进线接触器控制程序中串入起升机构电动机过流、上下限位和互锁等信号接点。副钩和主钩控制电路原理相同，且副钩长时间运行在正向电动、反向电动、单向制动、再生发电制动和反接制动状态之间，因此在转子侧设置4台接触器，并在正转接触上添加定时器。

大车和小车行走机构的控制相似，都是采用电动机驱动和定子公共接触器，转子电阻均采用各自接触同时动作的控制方式，只不过大车和小车使用的电动机数量不同。因此，针对这些控制程序比较简单的部分，在正反转互锁的基础上加入电动机过流、行走限位信号和起重机进线接触器驱动程序触点，并设计时间继电器的控制程序即可。

五、结束语

采用变频技术和PLC技术对起重机进行控制，提高了起重机的控制水平，改善了起重机的调速性能，加强了起重机的安全性及控制系统的可靠性，降低了起重机的能耗，控制效果较为理想，为未来起重机的进一步发展做好了铺垫。

参考文献

[1] 李记叶， 刘剑峰， 张旭升. 基于PLC-变频控制的桥式起重机节能改造[J]. 电子测试， 2014， （8）.

[2] 刘志刚， 杨伯军. 基于PLC的仓库桥式起重机变频控制系统[J]. 机电工程， 2013， 30（6）：725-728.

[3] 陆健. 解析变频器和PLC在大型起重機控制中的应用[J]. 中国机械， 2014， （3）：75-75.

[4] 李凯. 基于PLC控制的变频调速在港口起重机中的应用[J]. 科技致富向导， 2014， （18）：255-255.