0 引言
橋式起重機(jī)是工礦企業(yè)一種常用的工業(yè)設(shè)備。傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)采用交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行起動(dòng)和調(diào)速，繼電器-接觸器控制。這種控制系統(tǒng)可靠性差，操作復(fù)雜，故障率高。轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，起動(dòng)電流大、機(jī)械特性軟。負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)速不理想。且所串電阻長(zhǎng)期發(fā)熱，電能浪費(fèi)大，電阻燒損和斷裂故障時(shí)有發(fā)生。某重型機(jī)器有限公司的125 t/15 t雙梁橋式起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行起動(dòng)和調(diào)速，繼電器-接觸器控制。該控制系統(tǒng)已不能適應(yīng)快速、安全、高效的生產(chǎn)和工作需要。現(xiàn)采用PLC控制的變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)其拖動(dòng)及控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。
1 原拖動(dòng)系統(tǒng)基本情況
橋式起重機(jī)電氣拖動(dòng)有大車電機(jī)2臺(tái)，小車、主鉤、副鉤電機(jī)各1臺(tái)。電動(dòng)機(jī)為交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。采用轉(zhuǎn)子串電阻的方法啟動(dòng)和調(diào)速。調(diào)速方法為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串入5段外接電阻R1 ～R5。由接觸器KM1 ～KM4 的狀態(tài)來(lái)決定串入電阻的多少，從而調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行速度。原電路圖見(jiàn)圖1。制動(dòng)方式為電磁機(jī)械制動(dòng)。
圖1 原拖動(dòng)系統(tǒng)主電路圖
2 變頻調(diào)速改造基本思路
橋式起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)由三個(gè)基本獨(dú)立的機(jī)構(gòu)組成：大車拖動(dòng)系統(tǒng)、小車拖動(dòng)系統(tǒng)、主副鉤拖動(dòng)系統(tǒng)。用新型的交流變頻調(diào)速技術(shù)取代電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻的調(diào)速方式。橋式起重機(jī)大車、小車、主鉤、副鉤電動(dòng)機(jī)都需要獨(dú)立運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)有5臺(tái)電動(dòng)機(jī)。大車兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)共用1臺(tái)變頻器控制。主鉤、副鉤、小車電動(dòng)機(jī)分別由3臺(tái)變頻器單獨(dú)控制。用PLC代替原來(lái)的繼電器-接觸器控制方式，完成系統(tǒng)邏輯控制部分的控制。電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等控制信號(hào)進(jìn)入PLC，經(jīng)處理后向變頻器發(fā)出起停、調(diào)速等信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)工作。改造后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。
圖2 改造后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.1 大車拖動(dòng)系統(tǒng)
大車為雙梁結(jié)構(gòu)，分別為兩臺(tái)715 kW電機(jī)，拖動(dòng)整臺(tái)起重機(jī)順著車間做“橫向”運(yùn)動(dòng)。運(yùn)行速度24/4m/min可調(diào)。調(diào)速比為1：6。
拖動(dòng)方案：采用普通的籠型異步電動(dòng)機(jī)代替原繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。大車為兩臺(tái)715 kW電動(dòng)機(jī)同時(shí)拖動(dòng)，所以共用一臺(tái)較大功率的變頻器作為控制。采用U/f開(kāi)環(huán)控制方式，變頻器的容量PN應(yīng)為一臺(tái)電動(dòng)機(jī)容量PMN的兩倍以上。
PN≥2PMN
2.2 小車拖動(dòng)系統(tǒng)
小車由單臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，電機(jī)功率為715 kW。小車拖動(dòng)吊鉤及重物順著橋架做“縱向”運(yùn)動(dòng)。速度11.5/3/ m/min可調(diào)。調(diào)速比為1：4。
拖動(dòng)方案：也采用普通的籠型異步電動(dòng)機(jī)，配容量等相同的變頻器，采用U/f開(kāi)環(huán)控制方式。
2.3 主鉤和副鉤拖動(dòng)系統(tǒng)
主鉤和副鉤分別用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)單獨(dú)拖動(dòng)。主鉤和副鉤拖動(dòng)重物做吊起或放下的“上下”運(yùn)動(dòng)。主鉤電機(jī)45 kW起重125 t，運(yùn)行速度1.8/0.18/ m/min可調(diào)，調(diào)速比為1∶10。副鉤電機(jī)22kW起重15 t，運(yùn)行速度為7.5/0.75/ m/min可調(diào)，調(diào)速比1：10。
拖動(dòng)方案：主鉤和副鉤用電動(dòng)機(jī)要求較高，屬于位能變動(dòng)性負(fù)載，系統(tǒng)要具有良好的動(dòng)態(tài)性能。故此電動(dòng)機(jī)必需更換成更具有優(yōu)越性、高性能的變頻專用電動(dòng)機(jī)來(lái)代替原繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)在選擇時(shí)比原功率適當(dāng)提高，以獲得足夠的力矩值。兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)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(huán)矢量控制方式。變頻后轉(zhuǎn)速可以分檔控制，采用5段速度運(yùn)行，從低到高自由切換。
2.4 電機(jī)制動(dòng)方式
采取由變頻器外接的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻消耗掉的方式。改造中保留原電磁機(jī)械制動(dòng)方式。采取再生制動(dòng)、直流制動(dòng)和電磁機(jī)械制動(dòng)相結(jié)合的辦法。由變頻調(diào)速系統(tǒng)的再生制動(dòng)和直流制動(dòng)把運(yùn)動(dòng)中的大車、小車和主副鉤的速度迅速而準(zhǔn)確地降到零，使它們停止。對(duì)于起重機(jī)，常常會(huì)有重物在半空中停留一段時(shí)間(如重物在半空中平移)，而變頻調(diào)速系統(tǒng)雖然能使重物靜止，但因設(shè)備容易受到外界因素的干擾(如在平移過(guò)程中常易出現(xiàn)的瞬間斷電)，因此，仍然必須利用電磁制動(dòng)器進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)。
3 變頻器的選用
適用于起重機(jī)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(zhuǎn)矩的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。有速度反饋環(huán)節(jié)，可作到零速控制(即使在零速下也有150%額定轉(zhuǎn)矩輸出)。該變頻器可以通過(guò)設(shè)定參數(shù)的存取級(jí)別來(lái)選擇其控制方式。通常有4種方式可選：無(wú)PGU/f開(kāi)環(huán)控制方式、有PGU/f閉環(huán)控制方式、無(wú)PG開(kāi)環(huán)矢量控制方式、有PG閉環(huán)矢量控制方式。大車、小車拖動(dòng)機(jī)構(gòu)由于其慣量較大， 負(fù)載變化相對(duì)較小， 基本上屬于阻力性負(fù)載， 故采用無(wú)PGU/f開(kāi)環(huán)控制方式，不帶光電編碼器。主、幅鉤提升機(jī)構(gòu)由于負(fù)載變化較大，為了獲得快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)節(jié)。電機(jī)安裝有光電編碼器，采用有PG- B2速度控制卡閉環(huán)矢量控制方式，以獲得穩(wěn)定的工作狀態(tài)和良好的機(jī)械特性。關(guān)于溜鉤的防止：本系統(tǒng)中由于VS- 616G5變頻器具有的零速下的轉(zhuǎn)矩功能，故只需通過(guò)PLC和變頻器的適當(dāng)配合即可圓滿解決溜鉤問(wèn)題。
橋式起重機(jī)的速度調(diào)節(jié)可利用變頻器的多級(jí)頻率選擇功能。VS- 616G5，可使用8個(gè)頻率指令和1個(gè)點(diǎn)動(dòng)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(shè)定多段速指令1～3和點(diǎn)動(dòng)頻率來(lái)選擇。將端子1接通則電機(jī)正轉(zhuǎn)，端子2接通則反轉(zhuǎn)，將多段速指令1、2、3三對(duì)端子分別接通，或其中兩對(duì)或三對(duì)同時(shí)接通，可得8種頻率，從而可方便地得到起重機(jī)所要求的正反兩個(gè)方向各5種速度。電機(jī)加減速的時(shí)間可以通過(guò)變頻器的設(shè)定來(lái)進(jìn)行改變。
主鉤電機(jī)變頻器接線控制原理圖見(jiàn)圖3。
圖3 主鉤電機(jī)變頻器接線控制原理圖
變頻器的選用通常應(yīng)根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的額定電流來(lái)選擇，或者根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的電流值(最大值)來(lái)選擇。通常應(yīng)滿足下式要求：
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(dòng)機(jī)的額定電流(A)；
Imax-電動(dòng)機(jī)實(shí)際最大電流(A)；
(1.05～1.1) -電流波形修正系數(shù)。
我們選用的變頻器都配有外接的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻。起重機(jī)放下重物時(shí)，由于重力加速度的原因電動(dòng)機(jī)將處于再生制動(dòng)狀態(tài)，拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(nèi)。制動(dòng)電阻就是用來(lái)消耗這部分能量的。制動(dòng)單元在選擇時(shí)應(yīng)加大一個(gè)檔次，以便允許有較大的制動(dòng)電流縮短制動(dòng)過(guò)程。制動(dòng)電阻的額定功率在選擇時(shí)也應(yīng)加大一倍。
4 PLC的選用
根據(jù)改造后橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)輸入，輸出信號(hào)的數(shù)量及作用，結(jié)合改造要求及應(yīng)用習(xí)慣選擇PLC型號(hào)規(guī)格。PLC我們選用西門(mén)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(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活，可以滿足不同的應(yīng)用需要。
我們選CPU3141塊，數(shù)字量輸入模塊SM321： DI32×24VDC2塊、DI16 ×24VDC1塊，數(shù)字量輸出模塊SM322：DO16×24VDC3塊組成系統(tǒng)。橋式起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的控制動(dòng)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(hù)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(jī)的保護(hù)等。這些都可通過(guò)PLC進(jìn)行無(wú)觸點(diǎn)控制。
改造后的整個(gè)系統(tǒng)有五臺(tái)電動(dòng)機(jī)、四臺(tái)變頻器，PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)較多，各變頻器與PLC的連接情況類似。在此僅說(shuō)明主鉤電機(jī)變頻器和PLC的連接情況。主鉤電機(jī)變頻器接線控制原理圖見(jiàn)圖3。主鉤PLC接線控制原理圖見(jiàn)圖4。
圖4 主鉤PLC接線控制原理圖
5 結(jié)束語(yǔ)
采用變頻器及PLC對(duì)橋式起重機(jī)進(jìn)行了改造。起重機(jī)控制系統(tǒng)由于省去了切換轉(zhuǎn)子電阻的交流接觸器、串聯(lián)電阻等電氣元件，電氣控制線路大為簡(jiǎn)化。起重機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速等過(guò)程更加平穩(wěn)快速，減少了負(fù)載波動(dòng)，安全性大幅提高。采用PLC代替原來(lái)復(fù)雜的接觸器、繼電器控制系統(tǒng)，電路實(shí)現(xiàn)了無(wú)觸點(diǎn)化，故障率大大降低。采用變頻調(diào)速，機(jī)械特性硬，負(fù)載變化時(shí)各檔速度基本不變。輕載時(shí)也不會(huì)因操作不當(dāng)而出現(xiàn)失控現(xiàn)象。變頻器還可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，很方便地調(diào)整各檔速度和加減速時(shí)間，使吊車操作更加靈活迅速。采用變頻調(diào)速同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟起動(dòng)， 避免了機(jī)械受大力矩沖擊的損傷和破壞， 減少了機(jī)械維護(hù)及檢修費(fèi)用，提高了設(shè)備的運(yùn)行效率。實(shí)踐證明本次改造是成功的。
