羅 軍

（四川機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 攀枝花 617000）

1 引言

隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，作為物料搬運(yùn)重要設(shè)備的橋式起重機(jī)在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中應(yīng)用越來越廣，作用愈來愈大，對橋式起重機(jī)的要求也越來越高，是各類企業(yè)的工廠中不可缺少的起重設(shè)備之一。在某燒結(jié)廠橋式起重主要用來搬運(yùn)原料，而現(xiàn)在大多數(shù)使用的是我國五六年代生產(chǎn)的串電阻調(diào)速橋式起重機(jī)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)需要。本文提出采用PLC、變頻器進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)電氣自動(dòng)控制，它可以減輕大大的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

2 橋式起重機(jī)傳動(dòng)控制存在的問題及解決方案

目前某燒結(jié)廠橋式起重機(jī)大車、小車、抓斗、卷揚(yáng)、電動(dòng)機(jī)均采用繞線型異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子二次側(cè)串電阻調(diào)速，由于反復(fù)短時(shí)運(yùn)行，制動(dòng)頻繁，現(xiàn)場灰塵大，環(huán)境差，電機(jī)碳刷磨損快、滑環(huán)間容易短路放跑。并且電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的加速控制均采用交流接觸器和時(shí)間繼電器，交流接觸器線圈經(jīng)常燒壞，吊車司機(jī)使用凸輪控制器進(jìn)行操作時(shí)，由于長時(shí)間運(yùn)行，控制器磨損大，操作極不方便，維護(hù)量大，電機(jī)壽命短，控制線路復(fù)雜，嚴(yán)重影響企業(yè)正常生產(chǎn)。因此，要從根本上解決某燒結(jié)廠橋式起重機(jī)故障率高的問題，只有徹底改變繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)二次側(cè)串電阻調(diào)速方式。

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器+PLC控制技術(shù)日趨成熟，為在橋式起重機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了有利條件。

3 變頻器+PLC控制的優(yōu)點(diǎn)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)用PLC、變頻器進(jìn)行改造，操作簡單，運(yùn)行可靠，故障減少。目前生產(chǎn)的高性能矢量控制變頻器，具有可靠好，多功能，低噪音等優(yōu)點(diǎn)。通過對電機(jī)磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流的解耦控制，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，能以很高的控制精度進(jìn)行寬范圍的調(diào)速運(yùn)行。

可編程序控制器是一種新型的具有極高可靠性的通用工業(yè)自動(dòng)化控制裝置，它以微處理器為核心，有機(jī)地將微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制枝術(shù)及通用技術(shù)融為一體，具有控制能力強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、編程簡單、使用方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今及今后工業(yè)控制的主要手段和重要的自動(dòng)化控制設(shè)備。可以這樣說，到目前為止，無論從可靠性上，還是從應(yīng)用領(lǐng)域的廣度和深度上，沒有任何一種控制設(shè)備能夠與PLC相媲美。

由于西門子 S7-300 PLC可編程控制器具有結(jié)構(gòu)緊湊、防塵、集成度高等特性。富士系列變頻器具有無速度傳感器矢量控制技術(shù)，當(dāng)變頻器有0.5Hz輸出時(shí)即有150%以上的高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，保證懸空起動(dòng)及低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電機(jī)力矩。速度調(diào)速偏差小。在提升設(shè)備中對防止“滑落”有很好的效果，適合于橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)。

根據(jù)某燒結(jié)廠生產(chǎn)要求，結(jié)合實(shí)際，將橋式起重機(jī)大車、小車，抓斗、卷揚(yáng)的上升、下降操作回路改為PLC控制，電動(dòng)機(jī)由富士系列變頻器控制，為了節(jié)約成本，大車、小車用原繞線型異步電動(dòng)機(jī)二次側(cè)保留一段常用電阻，使得電機(jī)在速度變化起始階段變化較緩。橋式起重機(jī)抓斗、卷揚(yáng)使用交流異步電動(dòng)機(jī)。PLC電源塊為PS307；10A，CPU為CPU314；根據(jù)I/O地址分配表輸入點(diǎn)共有30點(diǎn).所以選輸入模塊為SM 321（DI 8×120V/230V 共計(jì)4塊）；輸出點(diǎn)為20點(diǎn)，故選擇輸出模塊為SM 322（DO 16×DC24V/0.5A共計(jì)2塊）。

3.1 PLC的I/O分配表（如表1～3所示）

3.2 部份設(shè)備型號選擇（表4）

表1 3#槽及4#槽DI地址分配

表2 5#槽及6#槽DI地址分配

表3 7#槽及8#槽DO地址分配

表4

類型 型號 類別 數(shù)量大車：FRN45G11S-4 45kW 1富士變頻器（根據(jù)電機(jī)容量） 抓斗、卷揚(yáng)FRN132G9S-4JE 132kW 2大車 與FRN45G11S-4配套小車BUIII220-4 與FRN18.5G11S-4配套 1小車：FRN18.5G11S-4 18.5kW 1變頻器制動(dòng)單元 抓斗、卷揚(yáng) 與FRN132G9S-4JE配套 2變頻器制動(dòng)電阻 抓斗、卷揚(yáng) 與FRN132G9S-4JE配套 2小車：DBIII220-4 與FRN18.5G11S-4配套 1大車：DB45-4C電阻 與FRN45G11S-4配套 1

3.3 變頻器參數(shù)設(shè)定（如表5所示）

部份參數(shù)設(shè)定如表5。

表5

3.4 PLC、變頻器外部接線圖（圖1）

3.5 PLC程序（略）

4 PLC、變頻器控制系統(tǒng)工作原理

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

橋式起重機(jī)機(jī)大車走行電機(jī)變頻器選用富士FRN45G11S-4，小車走行電機(jī)變頻器選用富士FRN18.5G11S-4，抓斗、卷揚(yáng)選用富士FRN132G9S-4JE。根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行電機(jī)的實(shí)際速度測定，變頻器參數(shù)設(shè)為5～8s內(nèi)完成0～50Hz的變速過程，但電機(jī)正反運(yùn)行變相時(shí)，變頻器出現(xiàn)OU2（減速過電壓）故障跳閘現(xiàn)象。經(jīng)分析原因是電機(jī)在正、反轉(zhuǎn)變相時(shí)，變頻器輸出也發(fā)生變化，即使在變頻器輸出為零時(shí)，電機(jī)因有慣性也在旋轉(zhuǎn)，這樣旋轉(zhuǎn)的電機(jī)就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，將能量回饋到了變頻器上，使變頻器直流側(cè)電壓短時(shí)間內(nèi)變化太快，產(chǎn)生過電壓，造成變頻器出現(xiàn) OU2 故障而跳閘。為了解決這一問題，在變頻器直流側(cè)加裝一個(gè)能耗制動(dòng)單元，（進(jìn)行制動(dòng)時(shí)放電電阻請參照有關(guān)公式計(jì)算）。在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)大車有晃動(dòng)現(xiàn)象，通過多次實(shí)驗(yàn)將原繞線型電動(dòng)機(jī)二次側(cè)加裝一段常留電阻，使得電機(jī)在速度變化起始階段變化較緩，保證變頻器的正常工作。通過對改進(jìn)后的電機(jī)啟動(dòng)特性，滿足工藝要求。

圖1 I/O接線

圖2 變頻器接線圖

在對 PLC應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)試過程中出現(xiàn)了一些問題，經(jīng)過反復(fù)修改，最終均得到了解決。變頻器功能參數(shù)的設(shè)置，直接關(guān)系到變頻器與設(shè)備運(yùn)行工況是否配合恰當(dāng)?shù)闹匾h(huán)節(jié)。比如電機(jī)參數(shù)、轉(zhuǎn)矩控制方式、輸出額定頻率、加速時(shí)間、減速時(shí)間等參數(shù)的設(shè)定，均需通過起重機(jī)在使用過程中不斷摸索修正。通過對參數(shù)的調(diào)整，使電機(jī)的起動(dòng)電流、速度變化得到理想控制，完善系統(tǒng)的保護(hù)功能，達(dá)到動(dòng)作可靠。

原凸輪控制器操作改為按鈕控制，卷揚(yáng)提升極限（改為光電開關(guān)）、門極限、大小車極限點(diǎn)，過流繼電器上點(diǎn)等保護(hù)裝置，作為PLC的數(shù)字量開入信號，增強(qiáng)了系統(tǒng)保護(hù)功能。抓斗、卷揚(yáng)提升、開閉電機(jī)運(yùn)行指令，大小車電機(jī)運(yùn)行指令等由PLC發(fā)出。

橋式起重機(jī)機(jī)大小車走行電機(jī)變頻器，從電機(jī)起動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行的過度過程在 0.5s內(nèi)完成（實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整），抓斗、卷揚(yáng)，設(shè)定提升和開閉電機(jī)的起動(dòng)及加、減速時(shí)間，電機(jī)從起動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行的過度過程在 0.8s內(nèi)完成（可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整）。電機(jī)的起動(dòng)和加、減速時(shí)間與生產(chǎn)操作工手動(dòng)操作過程相近，保證電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，合理地選擇加減速方式。電機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)以較低速度運(yùn)行一段時(shí)間，然后再以與加速時(shí)間相對應(yīng)的加速度將電機(jī)速度提高。減速過程與加速過程類似，這種方式可有效地減小電機(jī)啟/停時(shí)的沖擊電流。

4.2 操作說明

橋式起重機(jī)機(jī)械部份未作改動(dòng)，原刀閘開關(guān)改為電源自動(dòng)開關(guān)，直接給變頻器供電，變頻器出線接電機(jī)。（拆出不用的電阻箱）

（1）控制：橋式起重機(jī)大小車運(yùn)行，抓斗開閉、卷揚(yáng)上升、下降控制回路，變頻器的啟/停皆由PLC控制。應(yīng)操作人員的要求，第一臺操作臺末作改變，其它各臺由按鈕控制。

（2）報(bào)警： 如果 PLC出現(xiàn)故障時(shí)，由 PLC輸出指令 0.5秒內(nèi)自動(dòng)復(fù)位，也可在操作臺上手動(dòng)復(fù)位。緊急情況，吊車司機(jī)也可按“急?！卑粹o，切斷主電源。

（3）連鎖：起重機(jī)機(jī)上的各種極限正常，進(jìn)出口的門關(guān)閉的狀態(tài)下，才允許操作；設(shè)備在運(yùn)行中觸到某方向的極限時(shí)，設(shè)備自動(dòng)停止；變頻器中任意一臺變頻器報(bào)故障時(shí)，均立即停止工作；橋式起重機(jī)處于安全停止?fàn)顟B(tài)，同時(shí)抱閘合閘；在任何時(shí)刻斷電，系統(tǒng)將立即停車，抱閘合閘。

5 結(jié)論

控制系統(tǒng)運(yùn)用PLC、變頻器改造以后，操作簡單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，減少了交流接觸器和時(shí)間繼電器等電氣元件，不僅節(jié)約了檢修費(fèi)用，并且提高了設(shè)備安全穩(wěn)定可靠性。

實(shí)踐證明：PLC、變頻技術(shù)在橋式抓斗起重設(shè)備上的應(yīng)用技術(shù)上是切實(shí)可行的，效果也較為顯著，基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

羅 軍（1968-），大學(xué)本科，“雙師型”老師，1990-2005年在工廠從事電氣技術(shù)工作，2005年至今在四川機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院從事電氣自動(dòng)化控制教學(xué)和電氣自動(dòng)控制研究。