李記葉，劉劍峰，張旭升

（山東省特種設備檢驗研究院泰安分院 271000）

0 引言

隨著新技術和控制設備的發(fā)展，現(xiàn)在人們普遍采用變頻器作為變頻調(diào)速電源，用籠形異步電動機取代原來的繞線異步電動機，用PLC 作為控制裝置進行無觸點控制。從而改善了調(diào)速性能，增加了系統(tǒng)的可靠性。本文通過一個實例分析變頻器和PLC 在系統(tǒng)中的具體應用。

1 傳統(tǒng)橋式起重機的特點及缺陷

線繞式異步電動機驅(qū)動是傳統(tǒng)的橋式起重機拖動系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子回路在繼電-接觸器的控制下有級別調(diào)速多段電阻。該控制模式具有效率低、耗能大、線路易發(fā)故障、機械性軟、維修頻繁、低速啟動動力距小、調(diào)速穩(wěn)定性能低等缺點。并且在運動中系統(tǒng)抱閘，較易損害制動器，嚴重磨損閘皮，使用期限縮短。所以，進一步的提升高橋式起重機的精確性與安全性，應該做好技術改造工作，比如采取變頻器改造法優(yōu)化拖動系統(tǒng)。

接觸式繼電控制系統(tǒng)是橋式起重機的主要控制系統(tǒng)，具有接線量大、噪音大，控制邏輯更改困難等特點。并且，較低的能量轉(zhuǎn)換效率使得成本上升、能耗加大。工作中發(fā)出的噪音給周圍造成了環(huán)境困擾，以社會提倡的環(huán)境保護目標截然相反。所以，有必要做相應的節(jié)能改造，改善創(chuàng)痛起重機的運行效果。

2 傳統(tǒng)橋式起重機的PLC-變頻節(jié)能改造

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，國內(nèi)各類起重機的需求量也隨之大大上升。同時隨著能源的枯竭和環(huán)境的惡化，節(jié)能和環(huán)保也被提到議事日程。國家鼓勵和支持節(jié)能技術的研究、開發(fā)、示范及推廣工作，促進節(jié)能技術創(chuàng)新與進步。對高耗能的設備進行改造，按照國務院的規(guī)定實行節(jié)能審查和監(jiān)管。我國新修訂的《特種設備安全監(jiān)察條例》明確規(guī)定：特種設備生產(chǎn)、使用單位和特種設備檢驗檢測機構應當保證必要的安全和節(jié)能投入。

本課題研究的橋式起重機是QD(25+25)-22.5A3，該起重機由金屬結(jié)構、運行機構、起升機構以及電氣控制設備等四個部分組成，其中起升機構雙主起升機構。

2.1 橋式起重機的節(jié)能改造設計方案

本課題中，對傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)進行了改造，把傳統(tǒng)的繼電器控制改為PLC 控制，四大機構調(diào)速均采用矢量變頻調(diào)速。由于各機構的工作特點不同，對調(diào)速的精度要求，穩(wěn)度要求等也各不相同，因此所選用的變頻器和控制方式也不同。

2.1.1 起升機構的PLC-變頻節(jié)能設計方案

本課題中的起升機構是由兩個主起升機構組成，兩者同時工作，分別用一臺變頻器驅(qū)動，同時為了加強控制精度，采用旋轉(zhuǎn)編碼器作為檢測裝置，來實現(xiàn)起升的準確度。

起升機構的控制方式采用帶PG 的矢量控制方式，編碼器的反饋信號傳送到PLC 后，通過程序來控制起升機構，避免吊鉤下滑。它具有穩(wěn)定性好，對急加、減速負載變化有較好的響應特性。

此外，為了保證兩個主起升機構能同步工作，變頻器還具有DROOP 功能，該功能也能有效防止兩個機構失步的情況。

2.1.2 設計PLC-變頻節(jié)能的技術方案

一臺變頻器控制兩臺電動機是大車運行的機構，因為運行機構單一的工作頻率，在節(jié)省成本要求下，做了一臺變頻器共用于系統(tǒng)調(diào)速。兩臺電動機容量小于該變頻器容量，同時控制模式為V/F,矢量控制模式也不適用。這樣，電路被簡化，同時成本也一定程度降低。

啟動運行機構實際要與實際相符，做到平穩(wěn)與迅速啟動。要著重考慮制動機構電氣的方式。針對工況的不同，強制制動與自由制動皆可選擇。在正常停止機構的運行時，自由停止方式是較為合理的選取方式，現(xiàn)實中的運行狀態(tài)決定了停止時間的決定，最大限度滿足司機對橋式起重機的操作需求。為了讓起動轉(zhuǎn)矩在起動起升機構時最大，可對機械制動器的電流運行、最低的變頻器運行頻率與打開時間三者關系做合理設定，以保證機構負載的現(xiàn)實需要。

2.1.3 總體節(jié)能設計方案

橋式起重機PLC-變頻節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、編碼器等組成，其變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)的結(jié)構如圖1 所示：

圖1 變頻節(jié)能系統(tǒng)結(jié)構圖

圖2 PLC 的I/O 接線圖一

圖3 PLC 的I/O 接線圖二

通過上述的分析和實際的需求，該課題包括模擬量輸入點與輸出點、開關量輸入點與輸出點的個數(shù)，另外，反饋信號則由八路模擬量輸入，變頻器的控制端輸入則由四路模擬器輸入。另外，DI/DO 點應該是冗余狀態(tài)，因此，以CPU222 模塊為CPU 模塊，兩塊EM223 模塊為輸入數(shù)字量模塊，兩塊EM231 模塊為模擬量輸入模塊，兩塊EM232 為模擬量輸出模塊。

PLC-變頻節(jié)能系統(tǒng)的PLC 輸入輸出點配置及接線如圖2 和圖3 所示：

2.2 程序設計

在橋式起重機的各個機構中，起升機構是其最關鍵的部分，在此僅闡述起升機構的程序設計。

橋式起重機起升機構速度的控制，是一項很重要的技術指標，本系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)編碼器測得電機速度，由數(shù)模轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，傳遞給變頻器，所以本系統(tǒng)起升機構控制方案為常規(guī)的數(shù)字PID 算法并結(jié)合PLC 中的PID 控制模塊來控制。其程序代碼如圖4 所示：

圖4 起升機構控制程序

3 能效測試

在負載條件相同情況下，將多種實驗樣品做能效對比的實驗，從而得出產(chǎn)品的節(jié)能等級，在評價能效時有充分的數(shù)據(jù)。對比實驗差異工作類別的樣品?？梢詫Ω鞣N型號的產(chǎn)品最終得到的最優(yōu)化能效工作級別做評判，挖掘節(jié)能潛力。

鑒于當前的試驗條件，選用四臺未采用PLC 變頻調(diào)速控制的同類型的通用橋式起重機、傳統(tǒng)門式起重機、32t 的電動單梁起重機以及32t 的鋼絲繩電動葫蘆作為對比試驗的對象，經(jīng)過一段時期的測試，其能效測試結(jié)果如表1 所示：

表1 能效測試結(jié)果：

根據(jù)效能測試表分析，橋式起重機在變頻調(diào)速運行模式下其效能比大大的提升。主要是由于定子電源頻率因變頻調(diào)速而發(fā)生改變，進而同步轉(zhuǎn)速發(fā)生改變以及輸出轉(zhuǎn)矩也相應變動，也就是說電動機的容量被改變，負載情況變動帶動電動機容量變動，功率因數(shù)與效率得到提高，節(jié)能目的實現(xiàn)。

4 總結(jié)

通過對改造完成的起重機進行節(jié)能測試，已經(jīng)驗證了該PLC-變頻的節(jié)能改造是成功的，達到了節(jié)能的目的，同時也提高了日常工作效率，減少了故障率，簡化了故障的排除難度。

[1] 陳賢明,橋式起重機新型變頻調(diào)速系統(tǒng)[M].大連：起重運輸機械，1998:8-10。

[2] 鞏建平，張學.現(xiàn)代可編程序控制器原理與應用[M].北京:科學出版社，1999:31-32。

[3] 蔡士齊.通用變頻器應用技術指南[M]，2005.5:6-8。

[4] 楊俊.起重機械的能效測試與節(jié)能措施[M].大連：起重運輸機械，2012.（2）。

[5] 劉小慶.基于PLC 控制的變頻調(diào)速在橋式起重機中的應用[D]，2005.5:19-21。