0　引言

橋式起重機是工礦企業一種常用的工業設備。傳統橋式起重機的電力拖動系統采用交流繞線轉子異步電動機轉子串電阻的方法進行起動和調速，繼電器-接觸器控制。這種控制系統可靠性差，操作復雜，故障率高。轉子串電阻調速，起動電流大、機械特性軟。負載變化時轉速也變化，調速不理想。且所串電阻長期發熱，電能浪費大，電阻燒損和斷裂故障時有發生。某重型機器有限公司的125 t/15 t雙梁橋式起重機拖動系統采用傳統的交流繞線轉子異步電動機，轉子串電阻的方法進行起動和調速，繼電器-接觸器控制。該控制系統已不能適應快速、安全、高效的生產和工作需要。現采用PLC控制的變頻調速技術對其拖動及控制系統進行改造。

1　原拖動系統基本情況

橋式起重機電氣拖動有大車電機2臺，小車、主鉤、副鉤電機各1臺。電動機為交流繞線轉子異步電動機。采用轉子串電阻的方法啟動和調速。調速方法為電動機轉子回路串入5段外接電阻R1 ～R5。由接觸器KM1 ～KM4 的狀態來決定串入電阻的多少，從而調整電機的運行速度。原電路圖見圖1。制動方式為電磁機械制動。

圖1　原拖動系統主電路圖

2　變頻調速改造基本思路

橋式起重機拖動系統由三個基本獨立的機構組成：大車拖動系統、小車拖動系統、主副鉤拖動系統。用新型的交流變頻調速技術取代電動機轉子回路串電阻的調速方式。橋式起重機大車、小車、主鉤、副鉤電動機都需要獨立運行，整個系統有5臺電動機。大車兩臺電動機共用1臺變頻器控制。主鉤、副鉤、小車電動機分別由3臺變頻器單獨控制。用PLC代替原來的繼電器-接觸器控制方式，完成系統邏輯控制部分的控制。電動機的正、反轉、調速等控制信號進入PLC，經處理后向變頻器發出起停、調速等信號，控制電動機工作。改造后系統結構圖見圖2。

圖2　改造后系統結構圖

2.1　大車拖動系統

大車為雙梁結構，分別為兩臺715 kW電機，拖動整臺起重機順著車間做“橫向”運動。運行速度24/4m/min可調。調速比為1：6。

拖動方案：采用普通的籠型異步電動機代替原繞線轉子異步電動機。大車為兩臺715 kW電動機同時拖動，所以共用一臺較大功率的變頻器作為控制。采用U/f開環控制方式，變頻器的容量PN應為一臺電動機容量PMN的兩倍以上。

P_N≥2P_MN

2.2　小車拖動系統

小車由單臺電動機拖動，電機功率為715 kW。小車拖動吊鉤及重物順著橋架做“縱向”運動。速度11.5/3/ m/min可調。調速比為1：4。

拖動方案：也采用普通的籠型異步電動機，配容量等相同的變頻器，采用U/f開環控制方式。

2.3　主鉤和副鉤拖動系統

主鉤和副鉤分別用一臺電動機單獨拖動。主鉤和副鉤拖動重物做吊起或放下的“上下”運動。主鉤電機45 kW起重125 t，運行速度1.8/0.18/ m/min可調，調速比為1∶10。副鉤電機22kW起重15 t，運行速度為7.5/0.75/ m/min可調，調速比1：10。

拖動方案：主鉤和副鉤用電動機要求較高，屬于位能變動性負載，系統要具有良好的動態性能。故此電動機必需更換成更具有優越性、高性能的變頻專用電動機來代替原繞線轉子異步電動機。電動機在選擇時比原功率適當提高，以獲得足夠的力矩值。兩臺電動機分別配置變頻器，并裝有光電編碼器，采用帶PG卡速度反饋的閉環矢量控制方式。變頻后轉速可以分檔控制，采用5段速度運行，從低到高自由切換。

2.4　電機制動方式

采取由變頻器外接的制動單元和制動電阻消耗掉的方式。改造中保留原電磁機械制動方式。采取再生制動、直流制動和電磁機械制動相結合的辦法。由變頻調速系統的再生制動和直流制動把運動中的大車、小車和主副鉤的速度迅速而準確地降到零，使它們停止。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，仍然必須利用電磁制動器進行機械制動。

3　變頻器的選用

適用于起重機使用的變頻器有好多種。我們選用日本安川公司的VS- 616G5系列變頻器。此變頻器具有全磁通矢量控制，在低頻下也能提供150%額定轉矩的起動轉矩。有速度反饋環節，可作到零速控制(即使在零速下也有150%額定轉矩輸出)。該變頻器可以通過設定參數的存取級別來選擇其控制方式。通常有4種方式可選：無PGU/f開環控制方式、有PGU/f閉環控制方式、無PG開環矢量控制方式、有PG閉環矢量控制方式。大車、小車拖動機構由于其慣量較大， 負載變化相對較小， 基本上屬于阻力性負載， 故采用無PGU/f開環控制方式，不帶光電編碼器。主、幅鉤提升機構由于負載變化較大，為了獲得快速的動態響應，實現對轉矩的快速調節。電機安裝有光電編碼器，采用有PG- B2速度控制卡閉環矢量控制方式，以獲得穩定的工作狀態和良好的機械特性。關于溜鉤的防止：本系統中由于VS- 616G5變頻器具有的零速下的轉矩功能，故只需通過PLC和變頻器的適當配合即可圓滿解決溜鉤問題。

橋式起重機的速度調節可利用變頻器的多級頻率選擇功能。VS- 616G5，可使用8個頻率指令和1個點動頻率指令，由此，最高可9段速。為了切換這些頻率指令，可在多功能輸入，設定多段速指令1～3和點動頻率來選擇。將端子1接通則電機正轉，端子2接通則反轉，將多段速指令1、2、3三對端子分別接通，或其中兩對或三對同時接通，可得8種頻率，從而可方便地得到起重機所要求的正反兩個方向各5種速度。電機加減速的時間可以通過變頻器的設定來進行改變。

主鉤電機變頻器接線控制原理圖見圖3。

圖3　主鉤電機變頻器接線控制原理圖

變頻器的選用通常應根據異步電動機的額定電流來選擇，或者根據異步電動機實際運行中的電流值(最大值)來選擇。通常應滿足下式要求：

I_1nv≥(1.05～1.10) I_n 或(1.05～1.10) I_max

式中： I_1nv-變頻器額定輸出電流(A)；

I_n-電動機的額定電流(A)；

I_max-電動機實際最大電流(A)；

(1.05～1.1) -電流波形修正系數。

我們選用的變頻器都配有外接的制動單元和制動電阻。起重機放下重物時，由于重力加速度的原因電動機將處于再生制動狀態，拖動系統的動能要反饋到變頻器直流電路中使直流電壓不斷上升。因此，必須將再生到直流電路里的能量消耗掉，使直流電壓保持在允許范圍內。制動電阻就是用來消耗這部分能量的。制動單元在選擇時應加大一個檔次，以便允許有較大的制動電流縮短制動過程。制動電阻的額定功率在選擇時也應加大一倍。

4　PLC的選用

根據改造后橋式起重機控制系統的現場輸入，輸出信號的數量及作用，結合改造要求及應用習慣選擇PLC型號規格。PLC我們選用西門子公司的S7- 300系列。S7- 300由多種模塊以不同的方式組合在一起(主要由電源模塊、CPU模塊、I/O模塊等組成)，從而使控制系統設計更加靈活，可以滿足不同的應用需要。

我們選CPU3141塊，數字量輸入模塊SM321： DI32×24VDC2塊、DI16 ×24VDC1塊，數字量輸出模塊SM322：DO16×24VDC3塊組成系統。橋式起重機拖動系統的控制動作包括：大車的左、右行及速度換檔；小車的前、后行及速度換檔；主、副鉤的升、降及速度換檔等。保護功能有：主、副鉤上升限位、下降限位，大車限位、小車限位，主副鉤及大小車電機的保護等。這些都可通過PLC進行無觸點控制。

改造后的整個系統有五臺電動機、四臺變頻器，PLC的輸入輸出點數較多，各變頻器與PLC的連接情況類似。在此僅說明主鉤電機變頻器和PLC的連接情況。主鉤電機變頻器接線控制原理圖見圖3。主鉤PLC接線控制原理圖見圖4。

圖4　主鉤PLC接線控制原理圖

5　結束語

采用變頻器及PLC對橋式起重機進行了改造。起重機控制系統由于省去了切換轉子電阻的交流接觸器、串聯電阻等電氣元件，電氣控制線路大為簡化。起重機啟動、制動、加速、減速等過程更加平穩快速，減少了負載波動，安全性大幅提高。采用PLC代替原來復雜的接觸器、繼電器控制系統，電路實現了無觸點化，故障率大大降低。采用變頻調速，機械特性硬，負載變化時各檔速度基本不變。輕載時也不會因操作不當而出現失控現象。變頻器還可根據現場情況，很方便地調整各檔速度和加減速時間，使吊車操作更加靈活迅速。采用變頻調速同時也實現了電機的軟起動， 避免了機械受大力矩沖擊的損傷和破壞， 減少了機械維護及檢修費用，提高了設備的運行效率。實踐證明本次改造是成功的。