工程师论文范文PLC在桥式起重机控制系统改造中的应用
桥式起重机是横架于车间、仓库和料场上空进行物料吊运的起重设备。由于它的两端坐落在高大的水泥柱或者金属支架上，形状似桥。本文主要针对变频器及PLC在陆水电厂桥式起重机控制系统改造中的应用进行了一些论述，文章是一篇工程师论文范文。
摘要： 陆水电厂现有一台75t/20t桥式起重机，该起重机经过40多年的运行，元器件存在磨损、老化等缺陷，电气控制采用老式接触器加变阻箱结构，在桥机的使用过程中存在较大的安全隐患，为此我厂决定对桥机所有电气设备进行更换，电控部分采用变频器及PLC技术对传统的继电器-接触器调速控制装置进行了优化设计。本文总结了优化设计的整体思路和设计内容，包括系统结构的优化，变频器和PLC型号、配置等内容。经优化设计后，桥式起重机的调速更灵敏，故障率明显下降，整体的工作性能更加稳定。
Abstract： There is a 75t/20t bridge crane in Lushui Power Plant. This crane has operated more than 40 years， the components has abrasion， maturing and other defects. The electrical control of it uses medieval structure of contactor with variable resistance box. There is a big security hidden danger in the process of the use of the bridge machine. So， our plant decides to replace all the electrical equipment of the bridge machine. In the electric control part， the frequency converter and PLC technology are adopted to optimize and design the traditional relay-contactor speed control device. This paper summarizes the overall ideas and design content of the optimal design， including the system structure optimization， the model and configuration of frequency converter and PLC， etc. After optimization design， the speed control of bridge crane more sensitive， the failure rate is significantly decrease， the overall performance is more stable.
关键词： PLC,变频器,桥式起重机
Key words： PLC;transducer;bridge crane
0 引言
桥式起重机是电厂常用设备之一。传统桥式起重机的电力拖动系统采用交流绕线转子异步电动机转子串电阻的方式控制电动机启动或调速，这种控制装置叫做继电器-接触器控制。这种控制系统功能复杂，运行状态不稳定，噪音大，故障多发。转子串电阻调速，起动电流大，机械特性软。转速容易受负载变化的干扰，速度转换灵活性差，调速不稳定;所串电阻持续发热，浪费电能。电阻过热时还可能烧断，引起电气故障。陆水电厂75t/20t双梁桥式起重机拖动系统依靠传统交流绕线转子异步电动机驱动，采用转子串电阻的方式来控制电动机起停和变速。系统运行状态不稳定，运行速度和安全性更都已无法满足当前的工作需要，本文将在传统控制系统的基础上引入PLC变频调速装置，对系统的结构和功能进行升级改造，以优化控制系统的运行状态，提高其运行效率和系统稳定性。
1 原拖动系统基本情况
陆水电厂原桥式起重机电气拖动由大车系统、小车系统和主副钩系统协同完成，由1台交流绕线转子异步电动机驱动整个系统的起停和速度转换。速度转换方式是：电动机转子回路串入5段外接电阻 R1～ R5。由接触器KM1～ KM4 的状态来判断串入电阻的阻值，并对电机进行调速控制。以电磁机械制动为主的原电路结构如图1所示。
2 变频调速改造基本思路
桥式起重机拖动由2台大车电机、1台小车、1台主钩和1台副钩组成的拖动系统来完成，除2台大车电机共用1台变频器以外，其他拖动系统各自都有1台变频器进行调速控制。整个系统由5台电动机驱动运行，PLC变频调速系统取代了传统电动机转子回路串电阻调速装置来控制速度转换，整个系统运行更加灵敏。传统的异步电动机驱动模式下，主要依靠继电器-接触器机进行逻辑控制。经优化设计后，用变频器和PLC控制系统取代传统异步电动机，PLC接收电动机转向、调速等控制信号后，将至转换成相应的控制指令发送给变频器，电动机在变频器的控制下迅速响应并完成控制指令。系统改造后的整体结构如图2所示。
2.1 变频器和PLC的概念
变频器：主要是利用交―直―交方式(VVVF变频或矢量控制变频)，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给变频电动机。
PLC：变频电动机可编程逻辑控制器系统及保护。
2.2 大车拖动系统
大车拖动系统是由2台YZP160M-6/5.5kW变频电机组成的双梁构造。起重机在电机的拖动下，按照1：6的调速比，顺着车间以42m/7m/min的速度横向运行。
拖动方案：采用起重机专用的变频交流电动机(湿热型)，代替原绕线转子异步电动机。大车为2台交流变频调速器分别控制2台电动机驱动2个主动轮，采用电气位置同步。两台电机由同一台变频器同步操控。采用 U /f开环控制模式，变频器的容量PN应该是一台电动机容量PMN的2倍以上。(PN>>2PMN) 2.3 小车拖动系统
小车采用1台交流变频调速器控制1台YZP132M1-6/4kw电动机驱动2个主动轮的方式(机械同步)，小车拖动吊钩及重物顺着桥架纵向移动。速度12.5/3m/min可调。调速比为1：4。
拖动方案：也采用起重机专用三相交流变频电动机(湿热型)，配容量等相同的变频器)，采用U/f开环控制方式。
2.4 主钩和副钩拖动系统
主钩和副钩分别用YZP225S1-8/18.5kW和YZP225S2-8/22kW各一台电动机单独拖动。主钩和副钩拖动重物做吊起或放下的“上下”运动。主升起机构的起升速度为0.15～1.5m/min，电机额定功率及额定速度按1.5m/min重载选择，实现电机的恒转矩和恒功率调速控制，调速比为 1：10。副升起机构的起升速度为0.6～6.0m/min，电机额定功率及额定速度按6.0m/min重载选择。电机的恒转矩和恒功率调速控制，调速比 1：10。
拖动方案：选择动态性能良好的主电动机驱动主、副钩系统，用较大功率的变频专用电动机取代绕线转子异步电动机传统的绕线转子异步电动机进行调速控制。变频电动机功率应该比原电动机稍大，以确保力矩够长。用一台变频器控制两台电动机，并为电动机配置光电编码器， 采用带 PG 卡速度反馈的闭环矢量控制方式。变频电动机的转速可以按从低到高5个档速自由调控，充分满足了主副钩系统的运行需要。
2.5 电机制动方式
采取由变频器外接的制动单元和制动电阻消耗掉的方式。改造后选用电力液压块式制动方式，其型号：(YMZ/300/45和YMZ/200/25)。采取再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的办法。利用变频调速系统的再生制动系统及直流制动系统，使运行中的拖动系统迅速停止。在起吊作业中，被吊起的重物有时需要在半空悬停或平移一段时间，利用变频调速装置使重物悬停后，还应该用电磁制动器进行机械制动，以防起重机受外界干扰或突然失电后中午下落引发安全事故。
3 变频器的选用
市场上有很多起重机专用变频器。我们选用上海施耐德ATV312HU40N4和ATV71HD30N4系列变频器。这种全磁通矢量控制的变频器，即使低频运行，起动转矩也能达到额定转矩的1.5倍。并且，该变频器具有速度反馈功能， 能实现零速控制，就是在零速下也能有150%额定转矩输出。它有四种控制方式，分别是：有 PGU/f闭环控制模式、有PG闭环矢量控制模式、无 PGU/f开环控制模式和无 PG开环矢量控制模式，具体采用哪一种要根据预设参数的存取级别而定。大车、小车拖动系统惯量大，负载变化基本为阻力性负载，变化幅度较小，因此一般采用不带光电编码器的无 PGU/f开环控制方式。相比之下，主、幅钩负载变化非常明显，应该采用有 PG- B2速度控制卡闭环矢量控制为主的有光电编码器，以缩短动态响应时间，使转矩调节更灵活、更迅速，确保起重机械更稳定地运行。由于变频控制系统具有速度反馈功能，能够在零速下保持150%额定转矩的输出，因此，变频器与PLC控制系统的整合，也能有效杜绝溜钩现象。
对于桥式起重机来说，我们可根据调速要求来调节变频机工作频率。ATV312HU40N4和ATV71HD30N4，系统自带 6个频率指令和 1个点动频率指令，有7段速可供选择。在起重作业过程中，可对系统输入频率指令，设定多段速指令1～3和点动频率进行频率切换，由此实现快速调速。如图3所示，接通端子1时电机正转，接通端子2时电机反转，分别接通1、2、3端子的多段速指令，或者同步接通其中两、三对端子，就能获得6个频率指令，也就是说在正反方向上有5种速度可供调节。通过预设变频器运行参数，可实现对电机加减速时间的调控。图3为主钩电机变频器接线控制原理。
通常根据异步电动机的额定电流来选择合适的变频器，有时也根据异步电动机工作电流的最大值来判断应该使用哪一种变频器。本文所选的变频器均已配置外接式制动单元或制动电阻。在起吊作业过程中，电动机受重力加速度的影响，在放下重物后会恢复再生制动状态，拖动系统的动能直接反馈给变频器直流电路，导致直流电压升高，当电压上升到一定程度后会引发机械故障。为避免出现机械事故，起重机完成起吊任务后，应该利用制动电阻彻底耗尽再生到直流电路中的电能，以确保直流电压始终维持安全值。制动电阻所配置的制动单元应该提高一档，并且额定功率也要加大一倍，以确保制动单元能够迅速制动。
4 PLC的选用
经优化设计，桥式起重机控制系统的现场输入，输出信号的数量及作用，结合设计要求及应用习惯选择合适的PLC控制系统。本文采用西门子6ES7-300系列PLC控制系统展开研究。这种PLC由是多个模块用不同形式整合为一体(主要由电源模块、CPU模块、I/O模块等组成)的控制系统，系统运转灵活，能够迅速完成多种控制任务。桥机操作控制系统选用可编程控制器(PLC)作为控制核心。I/O点数按实际需要配置，并留有20%的裕量。指令和数据主存储器容量不小于程序容量的2倍。同时按实际工程需要配置相应的其他必需模块。它的特点具有完善的各种自动保护功能和各种故障自诊断及显示报警功能，包括：瞬时过电流保护，再生电压保护，瞬时断电失压保护，接地过电流保护，冷却风机异常，超频(超速)保护，失速过电流保护，失速再生过电压保护，接触器粘结、缺相、行程限位，主令控制器零位保护等功能。
桥式起重机拖动系统能够通过PLC 对大、小车以及主、副钩的运行状态和速度转换的无点控制，并且也能实现限位保护。5台电动机负责系统驱动，4台变频器负责系统控制。PLC包含若干个输入输出点数，它与4个变频器的连接方式十分相似。本文将重点研究主钩电机变频器和PLC的连接方式。图4即为主钩PLC接线控制原理。
5 结束语
陆水电厂针对桥式起重机进行变频调速改造，利用变频器和PLC控制技术取代了传统异步电动机转子串电阻控制方式，在原系统结构的基础上剔除了交流接触器和串联电阻，精简了电气控制元件和相关电控线，以此控制起重机的起停和速度转换，减少了负载波动，系统运行更加稳定，安全性更高。改造后，整个系统实现了PLC无点控制，既降低了系统噪音，同时也减少了系统故障。改为PLC变频调速系统后，机械特性硬，档速基本不受负载变化的干扰，轻载时也不会因操作不当引起调速失控。除此以外，变频器还能根据现场条件调节档速以及加减速时间，系统响应时间进一步缩短，运行更加灵活。采用变频调速同时也实现了电机的软起动，不仅提高了设备运行效率，而且能够避免机械在大力矩冲击下被损坏或出现机械故障，从而节省了一部分维修费用。实践证明本次改造是成功的。
参考文献：
[1]马寅.起重机的变频调速[J].起重运输机械，2001.
[2]ATV312HU40N4和ATV71HD30N4使用说明书[Z].施耐德(上海)公司.
[3]罗东焕.门座起重机交流变频调速系统设计与实现[D].华南理工大学，2011.
工程师论文发表期刊推荐《建筑机械(上半月)》办刊宗旨：面向建设施工和建筑工程机械行业，构筑市场、技术和产品信息交流平台，探析成功企业管理运作模式，推动新产品、新技术、新工法、新思维的研究和应用，促进建设施工和建筑工程机械行业发展。栏目设置(上半月刊)：独家策划独立、独到、独家，理性解析宏观经济政策，独家视角剖析行业热点。本刊特稿对行业普遍关注的热点问题进行深入分析与探讨，并预测行业发展走势。
