徐莉

摘要： 大型起重機(jī)在很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，但是由于大型起重機(jī)的運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，為了保證起重機(jī)運(yùn)行的可靠性，對起重機(jī)的控制要求越來越嚴(yán)格。傳統(tǒng)的控制方式存在起動轉(zhuǎn)矩小、調(diào)速范圍窄的問題，對此引入了變頻調(diào)速技術(shù)，結(jié)合PLC技術(shù)，形成一種新的控制方式，不僅可以降低起重機(jī)的維修成本，還可以提升運(yùn)行質(zhì)量。

Abstract： Large cranes have been widely used in many fields， but because of the operation environment of large cranes is more complex， in order to ensure the reliability of crane operation， the control requirements of cranes are more and more strict. The traditional control method has the problem of small starting torque and narrow speed regulation range， so the frequency conversion speed regulation technology is introduced， combined with PLC technology， forming a new control method， which can not only reduce the maintenance cost of the crane， but also improve the operation quality.

關(guān)鍵詞： 變頻器;PLC;大型起重機(jī);控制

Key words： inverter;PLC;large crane;control

中圖分類號：TH2;TM5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0076-03

0 ?引言

變頻器具備一定的保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)緊急故障如電流問題、接地問題，可以及時對系統(tǒng)起到一定的保護(hù)效果。變頻器的抗沖擊力也非常重要，在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，利用運(yùn)動轉(zhuǎn)矩，對多段進(jìn)行控制。所以，變頻器的合理選擇，不僅可以有效改善轉(zhuǎn)矩的控制效果，還可以提升系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

1 ?起重機(jī)控制系統(tǒng)以及基本要求

1.1 控制系統(tǒng)

在使用起重機(jī)時，利用變頻器和PLC對電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時控制，借助制動單元完成能耗吸收和消耗配置，從而對電器元件起到一定的維護(hù)作用。從整體角度出發(fā)，啟動系統(tǒng)主要利用凸輪進(jìn)行控制，根據(jù)PLC進(jìn)行特定指令的下達(dá)，調(diào)用PLC之前要完成對應(yīng)程度的編寫。整個體系流程如圖1所示[1]。

1.2 基本要求

在關(guān)于起重機(jī)的設(shè)計(jì)規(guī)范中對起重機(jī)的設(shè)計(jì)要求具有明確的規(guī)定，當(dāng)起重機(jī)處于高額定荷載的工作狀態(tài)下，可以正常開展工作。如果供電系統(tǒng)發(fā)生了額定值波動，勢必會提高額定載荷，不管載荷的位置在哪，都可以對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時控制，以保證程序的有序開展。這種方式也有效避免了溜鉤發(fā)問題的發(fā)生，當(dāng)然，如果控制方案合理，不管控制手柄居于哪一個位置，當(dāng)開展工作后，都需要在額定荷載下保證額定的速度，可以引入變頻器的方式，對變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，以保證彼此之間的有效連接。當(dāng)制動器線路發(fā)生異常，一定要立即采取措施，切段制動電源。在制動器線路中，對需要進(jìn)行安全保護(hù)的裝置進(jìn)行配備，可以采用變頻器或者PLC控制系統(tǒng)的方式，完成多點(diǎn)控制。每一個控制點(diǎn)都會產(chǎn)生一種連鎖反應(yīng)，因此不管在什么情況下，都必須只存在一個工作點(diǎn)[2]。如果發(fā)生了意外斷電，控制系統(tǒng)要立即采取措施，對制動器給予保障，降低設(shè)備發(fā)生故障的幾率。

2 ?器件選擇

2.1 電動機(jī)

其中，P表示額定功率;PG表示起重負(fù)荷;K表示增容系數(shù);v表示起升速度;m表示電動機(jī)的個數(shù);η表示機(jī)構(gòu)總效率。

2.2 變頻器

變頻器需要具備較好的起動轉(zhuǎn)矩功能，且額定轉(zhuǎn)矩需要具備較強(qiáng)的沖擊性能。采用多段控制的方式，進(jìn)行閉環(huán)控制，以滿足機(jī)械的正常運(yùn)行。功能齊全、接口標(biāo)準(zhǔn)，可以隨時與外部進(jìn)行通信和遠(yuǎn)程，動態(tài)制動效果要好，借助制動斷續(xù)器實(shí)現(xiàn)制動功能，此方式可以有效縮短時長。

2.3 制動單元

系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，變頻器會發(fā)生制動轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)會接收到機(jī)械能，從而對部分能量進(jìn)行處理。主要處理方式有：利用制動單元或者電阻的方式進(jìn)行處理;在整流回饋裝置的幫助下，將其能量反饋到電網(wǎng)中[3]。

3 ?起重機(jī)傳動控制方式

3.1 變頻調(diào)速的基本原理

3.2 恒壓頻比控制方式

在交流調(diào)速系統(tǒng)中，如果電機(jī)的電源頻率發(fā)生變化，則電機(jī)的內(nèi)部阻抗也會隨著電源頻率而發(fā)生改變，從而出發(fā)勵磁電流發(fā)生改變。當(dāng)電機(jī)的勵磁不足或者過多時，都會發(fā)生一定的問題。勵磁不足會造成電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩降低;勵磁過多則會讓電機(jī)出現(xiàn)磁飽和，影響電機(jī)功率的因數(shù)。因此，為了獲取合適的轉(zhuǎn)矩-速度，當(dāng)改變電源頻率時，需要采取對應(yīng)的措施，以保證電動機(jī)的氣隙磁通保持最佳狀態(tài)。當(dāng)定子阻抗上的壓降沒有達(dá)到定子電壓，需要控制好電源和頻率，讓保持常數(shù)[4]。

此種控制方式不僅成本低，而且操作簡單，適用于大多數(shù)場合，尤其是符合較小的工作機(jī)構(gòu)。

4 ?起重機(jī)控制中變頻器與PLC應(yīng)用的特點(diǎn)

4.1 防止“溜鉤”

4.1.1 主要功能

大型起重機(jī)的主要功能就是對大件物體進(jìn)行運(yùn)輸。因此，對控制系統(tǒng)的功能要求要滿足檢測輸入信號和控制輸出。起重機(jī)的控制系統(tǒng)要完成輸入檢測、信號檢測以及開關(guān)檢測等功能。按鈕檢測，是通過人工操作臺輸入按鈕進(jìn)行檢測，包括輸入按鈕、升降機(jī)構(gòu)按鈕、小車按鈕和大車按鈕。當(dāng)電磁制動器發(fā)生動作后，會出現(xiàn)停止甚至是下滑的情況，這種情況成為“溜鉤”。發(fā)生溜鉤現(xiàn)象主要的原因就是當(dāng)電磁制動器通電后發(fā)生突發(fā)情況，如斷電;或者是變頻器反饋值檢測到有溜鉤現(xiàn)象的發(fā)生。檢測限位開關(guān)時，要對升降機(jī)構(gòu)的上升/下降開關(guān)進(jìn)行檢測;對小車和大車的限位開關(guān)進(jìn)行檢測。

控制輸出是指對電磁制動器進(jìn)行控制，其目的是為了對重物進(jìn)行控制，以完成對電磁制動器運(yùn)行和停止的控制操作;小車電動機(jī)、升降機(jī)、大車電動機(jī)控制，都是對電動機(jī)的運(yùn)行方向、運(yùn)行情況等進(jìn)行控制。溜鉤問題是起重機(jī)在作業(yè)的過程中經(jīng)常出現(xiàn)的一個問題，溜鉤分為兩種情況，一種是懸停，另一種是懸空。當(dāng)重物發(fā)生懸停，首先要做的就是設(shè)定一個停止頻率，如果變頻器的工作頻率低于設(shè)定的頻率，變頻器會發(fā)出信號，隨后電磁制動器根據(jù)變頻器發(fā)出的信號發(fā)出運(yùn)行指令，經(jīng)過延遲后，電磁制動器會抱住重物，使變頻器的頻率降低到原始狀態(tài);當(dāng)發(fā)生懸空，需要設(shè)定上升啟動頻率命令，當(dāng)變頻器的工作頻率與設(shè)定的值相重合，會停止上升操作，變頻器會發(fā)出信號，然后電磁制動器根據(jù)變頻器發(fā)出的信號進(jìn)行運(yùn)行，同樣也需要延遲。電磁制動器松開重物后，變頻器的工作頻率會升高，直到符合標(biāo)準(zhǔn)頻率為止。

4.1.2 總體設(shè)計(jì)

如果從安全角度考慮，當(dāng)起重機(jī)在起動階段，電動機(jī)處于閉合狀態(tài)，則需要先通過變頻器的勵磁功能，找到打開力矩確認(rèn)的方式，并對電動機(jī)的電流和力矩進(jìn)行檢測，當(dāng)電流值達(dá)到閾值狀態(tài)，則會打開抱閘，反之關(guān)閉抱閘。整個控制系統(tǒng)都是以PLC為核心，結(jié)合限位開關(guān)對控制面板進(jìn)行檢測，并利用按鈕實(shí)現(xiàn)輸入操作，從而完成對設(shè)備的控制工作，具體的設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

4.2 運(yùn)行特點(diǎn)

4.2.1 變頻器運(yùn)行特點(diǎn)

變頻器在起重機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用極為廣泛，主要體現(xiàn)在：系統(tǒng)中的電動機(jī)具有優(yōu)化磁通的功能，可以降低噪音，滿足電動機(jī)日常的負(fù)載需要，從而提高運(yùn)行效率。在整個運(yùn)行過程中，系統(tǒng)的運(yùn)行效率主要是根據(jù)電動機(jī)的負(fù)載情況進(jìn)行操作，可以起到一定的提升效果;安裝濾波器的目的是保護(hù)電動機(jī)的絕緣件，因?yàn)殡妱訖C(jī)在轉(zhuǎn)動的過程中會產(chǎn)生電流脈沖，在電動機(jī)和變頻器之間安裝濾波器就可以起到對絕緣件的保護(hù)。同時，磁通制動還可以對系統(tǒng)的運(yùn)行速度進(jìn)行控制，從而保證系統(tǒng)的精度不受影響;利用DTC技術(shù)，可以在任何不適用的情況下實(shí)現(xiàn)對低電流的控制，從而完成系統(tǒng)的反饋。掛技術(shù)不僅可以讓最大轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的2倍以上，同時更滿足了在負(fù)載情況下，電動機(jī)對力矩的要求。

4.2.2 綜合管理

通過控制電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對起重機(jī)運(yùn)行的控制。采用PLC電控系統(tǒng)，根據(jù)PLC強(qiáng)大的功能，實(shí)現(xiàn)對所有設(shè)備的自動控制。觸摸屏功能可以第一時間反映故障的情況，實(shí)時反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。此外，電控系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)對外電氣元件的檢測，提高系統(tǒng)操作的方便準(zhǔn)確性。在實(shí)際使用過程中需要定期對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，如定期進(jìn)行電阻試驗(yàn)，定期進(jìn)行直阻測試，這兩種測試方式，主要針對的對象是電動機(jī)和變壓器。在具體的測試過程中，如果直阻的測試數(shù)值超過觸頭溫度，需要對其進(jìn)行分解測試，考慮周圍一切因素，并對其分析和檢查后再次測試，直到達(dá)標(biāo)為止。

5 ?變頻器在大型起重機(jī)控制中的具體應(yīng)用

物料搬運(yùn)作為人類生產(chǎn)生活的重要組成，關(guān)系到人們的生存和發(fā)展。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，自動化操作已經(jīng)得到了全面普及。而起重機(jī)是作為物料搬運(yùn)的重要設(shè)備，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中的影響很大，因此對起重機(jī)的自動化操作要求也越來越高。起重機(jī)的發(fā)展取決于電氣傳動與控制系統(tǒng)，結(jié)合先進(jìn)的電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對起重機(jī)的自動化和智能化改進(jìn)。以安川A1000變頻器和西門子S7-300 PLC為例，分析兩大設(shè)備在大型起重機(jī)中的應(yīng)用。

5.1 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大型起重機(jī)的電氣系統(tǒng)硬件接線圖如圖4所示。

在實(shí)際的系統(tǒng)應(yīng)用中，PLC主要是根據(jù)手柄的編碼器發(fā)生變化，利用PLC的特殊曲線功能，得到不同的輸出曲線，通過向變頻器提供初級速度信號，得到反饋的力矩和電流。結(jié)合轉(zhuǎn)動的慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、手柄信號，確定最終的給定信號，并根據(jù)變頻器的反饋信號完成閉環(huán)調(diào)整，使得變頻器可以在PLC的控制下保持恒功率狀態(tài)，達(dá)到提高生產(chǎn)效率的效果。同時，PLC還可以根據(jù)變頻器反饋的信息，對就周邊的元件運(yùn)行狀態(tài)經(jīng)監(jiān)控，可以及時準(zhǔn)確的檢測出任何微小的異樣，以保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5.2 閉環(huán)矢量控制

在起重機(jī)的控制系統(tǒng)中，變頻器要想進(jìn)行閉環(huán)矢量控制，需要嚴(yán)格遵循操作步驟。首先，上電之前與檢查變頻器的連接是否正確。確認(rèn)電機(jī)狀態(tài)，選擇控制模式，進(jìn)入到變頻器菜單后，進(jìn)行電機(jī)參數(shù)和編碼器的參數(shù)設(shè)置;然后進(jìn)行自學(xué)習(xí)，自學(xué)習(xí)結(jié)束后，變頻器會顯示最終的學(xué)習(xí)狀態(tài);起重機(jī)的變頻器一般情況下是速度控制狀態(tài)，要確認(rèn)正反轉(zhuǎn)是否正常。如果不正常，需要檢查編碼器與參數(shù)的設(shè)定是否正確;最后，為了保證大車的同步運(yùn)行，可以將2#大車設(shè)置成轉(zhuǎn)矩控制。如果電機(jī)的狀態(tài)是正轉(zhuǎn)，說明反饋不正常。此時需要將電機(jī)轉(zhuǎn)矩設(shè)置為反轉(zhuǎn)，操作方式為：將參數(shù)的外部轉(zhuǎn)矩指令設(shè)置為極性反轉(zhuǎn)指令;變頻器多段速接線短接后會引出線接開關(guān)，當(dāng)變頻器正轉(zhuǎn)后，開關(guān)斷開，反之閉合。表1為起升1#大車變頻器的參數(shù)列表。

5.3 分布式I/O設(shè)置

在大型起重機(jī)的自動化系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)過程中，需要將過程的輸入和輸出集中在一起，將其統(tǒng)一集成到自動化系統(tǒng)中，如果輸入和輸出距離可編程控制器較遠(yuǎn)，則需要鋪設(shè)長電纜達(dá)到通信的目的。如果是移動式的起重機(jī)設(shè)備，要想實(shí)現(xiàn)鋪設(shè)功能難度較大，容易存在電磁干擾，從而降低系統(tǒng)的可靠性。分布式I/O設(shè)備，可以有效解決上述問題。通過控制CPU，將PLC控制系統(tǒng)設(shè)定到中央位置，將I/O設(shè)備分別布置在不同的地方進(jìn)行分布式運(yùn)行，然后再通過現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP的數(shù)據(jù)傳輸功能，完成設(shè)備的通信。

6 ?結(jié)束語

在起重機(jī)的設(shè)備控制中，應(yīng)用變頻器和PLC，可以降低設(shè)備的維修成本，延長設(shè)備的使用壽命。傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，會頻繁的進(jìn)行接觸器作業(yè)，導(dǎo)致接觸器的觸頭損耗嚴(yán)重，不僅增加了設(shè)備的成本，同時讓設(shè)備的壽命大打折扣。應(yīng)用了變頻器和PLC，這些問題很好的得到了改善，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。總而雅虎，變頻器和PLC控制系統(tǒng)的引入，提高了系統(tǒng)的自動化水平，推動了起重機(jī)控制系統(tǒng)的更好發(fā)展。

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