關于橋式起重機電機系統改造的探討

呂迎春

摘 要：在實際生產過程中往往需要進行大型設備的組裝、拆卸、裝運等。這些設備不論從體積到重量都很大，所以需要大型的起重機對其進行搬運，橋式起重機俗稱天車是一種用來起吊、放下和搬運重物、并使重物在一定距離內水平移動的起重、搬運設備。橋式起重機由小車、大車組成、主鉤為提升機構。橋式起重在生產過程中有著重要應用。

關鍵詞：觸摸屏；PLC；變頻器；橋式起重機自動控制

橋式起重在控制系統中，采用轉子串接電阻的調速方式。由于工作環境惡劣，對電動機和接觸器破壞性較大，加上工作任務重，實際過載率高，沖擊電流偏大，容易造成電動機燒損、電動機及轉子所串電阻燒損和斷裂等故障。針對上述現有技術存在的不足，本次改造的起重機采用先進的觸摸屏技術，PLC，和變頻器技術，以程序控制取代繼電器、接觸器控制。交流電動機調速方式采用變頻調速，進而實現了起重機的自動化控制。

1 系統概述

大、小車組成運行機構，主鉤為提升機構。大車為雙梁結構，分別由兩臺電動機M1、M2拖動，兩臺電機容量都為4KW并聯運行。小車由一臺電機M3拖動，容量為2.5KW。起重機升降的電動機由一臺電動機M4驅動容量為13KW。四臺電機共用一臺較大的變頻器（15KW）供電，

觸摸屏采用臺達觸摸屏。可編程序控制器（PLC）選用德國西門子S7-200系列可編程序控制器。用 PLC控制工作可靠，掃描速度快，控制非常靈活。此方案，變頻器選用安川品牌變頻器。采用變頻器驅動異步電動機調速，通常應根據異步電動機的額定電流來選擇變頻器，或者根據異步電動機實際運行中的電流值（最大值）來選擇變頻器，通常令變頻器的額定電流≥（1.05～1.10）電動機的額定電流或電動機實際運行中的最大電流。 I1nv≥（1.05～1.10）In或（1.05～1.10）Imax 式中I1nv--變頻器額定輸出電流（A）；In-電動機的額定電流（A）；Imax--電動機實際最大電流（A）。大車小車行走是一般的負載，因此采用安川系列和安川系列變頻器驅動。對于起重機升降電動機，考慮到功能性負載，工作時總是重載起動、制動。而且要求盡可能地快速起動、制動。變頻器的容量是按上式計算得到的。根據實際情況，經過與同類變頻器的性能與價格及售后服務等方面的綜合考慮，變頻器選用安川公司高性能矢量控制變頻器。

安川變頻器采用目前國際先進的矢量控制方式，通過對電機勵磁電流和轉矩電流進行解耦控制，實現轉矩的快速響應和準確控制，能以很高的精度進行寬范圍的調速運行。

2 控制要求

采用人機界面控制。調速方法，采用目前國際先進技術具有矢量控制功能的變頻調速系統。變頻后轉速可以分檔控制，可分為三段速。起重機掛鉤能到車間內任意點，并且可以長時間停留。即大車可以前后移動，小車可以左右移動。主鉤安裝在小車上用來提升重物。

制動方式采用再生制動、直流制動和電磁機械制動相結合的方法。通過變頻器調速系統的再生制動和直流制動把運動中的大車、小車和起重機的速度迅速而準確地降到指定點；對于起重機，常常會有重物在半空中停留一段時間（如重物在半空中平移），而變頻調速系統雖然能使重物靜止，但因設備容易受到外界因素的干擾，（如在平移過程中常易出現的瞬間斷電）因此，利用電磁制動器進行機械制動仍然是必須的。

起重機的電源為380V，由公共的交流電源供給，由于起重機在工作的時候是經常移動的，并且大車與小車之間、大車與廠房之間都存在著相對運動，因此，要采用可移動的電源設備供電。要求采用滑觸線和集電刷供電。三根主滑觸線是沿著平行于大車軌道的方向敷設在廠房的一側。三相交流電經由三根主滑觸線與滑動的集電刷，引進起重小車內部。

3 控制原理

通過對觸摸屏的控制，來決定PLC 的輸出狀態。本系統為三段速，大車小車主鉤共用一個變頻器。通過 PLC 對接觸器的輸出控制來決定哪一個工作。三者之間彼此聯鎖，當按下啟動按鈕時主接觸器 KM 接通系統上電，這時可以對觸摸屏進行操作。

因為大車、小車、主鉤只能有一個工作所以觸摸屏設置大車、小車、主鉤啟動按鈕同時又起到顯示工作狀態的作用。按下啟動按鈕燈亮同時VB1寄存器對應輸出一個信號來接通接觸器來控制電機。停止按鈕為大車、小車、主鉤共用，按下停止按鈕后控制大車、小車、主鉤的接觸器斷開同時向VB0傳送0。

當遇到限位開關時停止運動但可以進行相反的操作，例如操作者按大車前二檔遇到前限位開關時它的常開觸點斷開使大車不能向前，同時傳送0到VB0使其停止，該程序每一次工作只有兩步即先控制接觸器的輸出 （VB1狀態），然后每次選擇不同的檔位就向VB0 傳送不同的數值使變頻器控制接觸器得到不同的轉速。

4 橋式起重機采用觸摸屏PLC變頻調速的特點

采用觸摸屏PLC變頻器以后各方面性能都明顯提高。由觸摸屏控制可以節省PLC輸入點使其成本降低。由于有兩個頁面，第一個設置密碼所以非操作人員不能進入，操作起重機。從而減少事故的發生，人不用在小車里進行操作而是和起重機分開，減輕小車的負載。原來的起重機升降、小車、大車起動、停止速度過快，而且都是慣性負載，機械沖擊也較大，機械設備使用壽命縮短，操作人員的安全系數較差，設備運行可靠性較低。由于電動機一直在額定轉矩下工作，而每次升降的負載是變化的，因此容易造成比較大的電能浪費。

起重機每天需進行大量的裝卸操作，由于繞線式電機調速是通過電氣驅動系統中的主要控制元件—交流接觸器來接入和斷開電動機轉子上串接的電阻，切換十分頻繁，在電流比較大的狀態下，容易燒壞觸頭。轉子回路串接的銅電阻因灰塵、設備振動等原因經常燒壞、斷裂。因而設備故障率比較高，維修工作量比較大。變頻器調速控制系統的保護功能強 變頻調速以其體積小、通用性強、動態響應快、工作頻率高、保護性能完善、可靠性好、使用方便等卓越的性能而優于以往的任何調速方式。

采用PLC，和變頻器系統可大大簡化，可靠性大為提高。變頻器節能效果十分可觀繞線轉子異步電動機在低速運行時，轉子回路的外接電阻內消耗大量的電能。而PLC積小，結構緊湊；豐富的硬件資源，高執行速度；強大的組網功能功能強大的用戶指令集，獨特的抗干擾設計，重要數據的掉電保護功能，適應惡劣現場環境。PLC 按控制程序、輸入控制信號來完成起重機各種工況的協調，并決定起重機的各種工作狀態。系統軟件設計采用 PLC梯形圖語言來編程完成，用 PLC控制工作可靠，掃描速度快，控制非常靈活。

參考文獻

1、劉介才主編.電機原理與拖動.北京：工業出版社. 2002

2、張迎新主編. 變頻技術.北京： 電子工業出版社. 2002