变频器与PLC在桥式起重机自动控制中的节能应用[摘要]：本文采用变频器与PLC对桥式起重机进行改造，提高了系统性能及自动控制水平，并有一定的节能意义。
[关键词] 变频器 PLC 桥式起重机制动节能PLC and inverter control in the energy bridge crane applicationMAO Ya-hong DANG Jie（China Aluminium Co.，Ltd Qinghai Datong，810108 ）[Abstract] : In this paper, the PLC and inverter bridge crane for reform to improve the system performance and control, It also has the significance of energy.[Key words] : braking energy converter PLC bridge crane0 前言桥式起重机电气传动共有大车电机2台，小车电机1台，提升电机1台，均为绕线式交流电动机，采用转子串电阻的方法启动和调速。
由于工作环境潮湿，对电机滑环、碳刷及接触器腐蚀较大，加上任务重，操作程序难以保证，冲击电流大，触头消蚀严重，碳刷冒火，电机及转子绕组所串电阻烧损，断裂故障时有发生，对生产影响较大，转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时，转速也变化，调速效果差，所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。
另外，由于铸造车间在铸造铝锭时水蒸汽上升，天车大梁上的配电箱密封不好，容易使电气元件腐蚀，锈蚀。
要从根本上解决桥式天车故障率高的问题，只有利用PLC作为控制装置以及彻底改变绕线式电机串电阻调速方式。
针对现有技术存在的不足，对起重机采用PLC和变频器技术，以程序控制取代继电器----接触器控制，交流电动机调速方式采用变频调速，进而实现了起重机的半自动化控制。
1 改造方案1.1系统的组成在现代工业控制中，PLC由于具有可靠性高，抗干扰能力强，适应性强，应用灵活，编程方便，易于使用，控制系统设计、安装、调试、维修方便，维修工作量少等一系列优点而得到广泛应用，由于本系统主要是一些逻辑控制，所以以PLC作为控制核心，选用艾默生紧凑型EC20系列可编图1 系统总控制图程序控制器。
PLC 按控制程序、输入控制信号来完成起重机各种工况的协调，并决定起重机的各种工作状态。
系统软件设计采用PLC梯形图语言来编程完成，用PLC控制工作可靠，扫描速度快，控制非常灵活（如图1所示）。
1.2 拖动系统对于桥式吊车的提升、大车、小车电机分别用4台变频器拖动，大、小车变频器都预置为V/F控制方式，提升机由原来45kw的绕式电机改为30kw鼠笼型电机，大车小车的配用电机是绕线式异步电动机，出于经济方面的考虑，通过短接转子回路也能进行使用，去掉碳刷和滑环。
1.3制动单元和制动电阻采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。
首先，通过变频器调速系统的再生制动和直流制动把运动中的大车、小车和起重机的速度迅速而准确地降到零(使它们停止) ；对于起重机，常常会有重物在半空中停留一段时间（如重物在半空中平移），而变频调速系统虽然能使重物静止，但因设备容易受到外界因素的干扰（如在平移过程中常易出现的瞬间断电），因此，利用电磁制动器进行机械制动仍然是必须的。
系统对于重物下降时电动机再生的电能，采取由变频器外接的制动单元（TD3000系列变频器22KW及其以下机型中，已内置了制动单元；但是所有的制动电阻都需要外接）和制动电阻消耗掉的方式。
针对桥式起重机的起重机升降机构起、制动频繁，要求制动的转矩较大，以及下降时制动状态的持续时间较长等特点，因此制动单元用标准配置就可以实现制动过程的功能；制动电阻的额定功率可以稍稍的加大一倍。
1.4调速系统的工作情况天车中电机所带负载都为恒转矩负载，采用变频调速，机械特性变硬，当负载转矩变化时，电机转速基本不变。
桥式天车的速度调节可利用变频器的多级频率选择功能，将FWD、CM接通则正转，REV、CM接通则反转，将X1、CM，X2、CM，X3、CM三对端子分别接通，或其中两对或三对接通，可得多种频率，从而方便得到天车所要求的正反两个方向各种速度。
应现场工作人员的要求，为照顾操作习惯，天车的转速控制仍采用原来的主令控制器和凸轮控制器。
利用主令控制器的五对触头来得到变频器输出的六种转速。
电机加减速的时间可以通过变频器的设定来进行改变。
2变频调速系统的控制要点2.1防止溜钩桥式起重机拖动系统的控制动作包括大车的左、右行走及速度档位；小车的前、后行走及速度档位；起重机的升、降及速度档位等。
所有这些，都可以通过PLC进行无触点控制。
桥式起重机控制系统中需要引起注意的是关于防止溜钩的控制。
在电磁制动器抱住之前和松开之后的瞬间，极易发生重物由停止状态下滑的现象，称为溜钩。
1防止溜钩的控制需要注意的关键问题是：（1）电磁制动器在通电到断电（或从断电到通电）之间是需要时间的，大约0.6秒（视型号和大小而定）。
因此，变频器如过早地停止输出，将容易出现溜钩。
（2）变频器必须避免在电磁制动器抱闸的情况下输出较高频率，以免发生“过流”而跳闸的误动作。
2.2 变频器设置1) 重物高空停止的控制过程设定一个“停止起始频率”fBS，当变频器的工作频率下降到fBS时，变频器将输出一个“频率到达信号”，发出制动电磁铁断电指令；设定一个fBS 的维持时间tBB，tBB 长短应略大于制动电磁铁从开始释放到完全抱闸所需要的时间；变频器将工作频率下降至零。
2)重物升降的过程设定一个“升降起始频率”fRD，当变频器的工作频率上升到fRD时，将暂停上升。
为了确保当制动电磁铁松开后，变频器已经能控制住重物的升降而不会溜钩，所以，在工作频率达到fRD的同时，变频器将开始检测电流，并设定检测电流所需要的时间tRC；当变频器确认已经有足够大的输出电流时，将发出一个“松开指令”，使制动电磁铁开始通电；设定一个fRD的维持时间tRD，tRD的长短应略大于制动电磁铁从通电到完全松开所需要的时间；变频器将工作频率上升至所需频率。
3)变频器的零速全转矩功能和直流制动励磁功能艾默生高性能矢量TD3000系列变频器，具备了有效的防止溜钩的一些独特的制动功能。
零速全转矩功能:变频器可以在速度为零的状态下，保持电动机有足够大的转矩。
这一功能保证了起重机有升降状态降为零时，电动机能够使重物在空中停止，直到电磁制动器将轴抱住为止，从而防止了溜钩。
起动前的直流强励磁功能:变频器可以在起动之前自动进行直流强励磁，使电动机有足够大的转矩（有速度传感器的矢量控制：200%rpm；无速度传感器的矢量控制：150%/0.5Hz），维持重物在空中的停住状态，以保证电磁制动器在释放过程中不会溜钩。
3变频器的选择与节能采用变频器驱动异步电动机调速，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值（最大值）来选择变频器，通常令变频器的额定电流≥（1.05～1.10）电动机的额定电流或电动机实际运行中的最大电流。
I1NV≥（1.05～1.10）IN或（1.05～1.10）Imax式中I1NV--变频器额定输出电流（A）；IN--电动机的额定电流（A）；Imax--电动机实际最大电流（A）。
大车小车行走是一般的负载，因此采用EV1000系列和EV2000系列变频器驱动。
对于起重机升降电动机，考虑到功能性负载，工作时总是重载起动、制动。
而2且要求尽可能地快速起动、制动。
变频器的容量是按上式计算得到的。
根据实际情况，经过与同类变频器的性能与价格及售后服务等方面的综合考虑，变频器选用艾默生公司TD3000高性能矢量控制变频器。
对于普通的负载，停止变频器运转、切断流向电机的电流，则由于负载的反抗转矩电机将减速，并很快停止，也叫自然减速或自由停车。
但是，若想在更短的时间内让电机停止，就必须使电机产生与其转向相反的转矩。
变频器产生制动转矩时，电机从负载接受机械能，将它变为电能送入变频器，导致直流回路电压升高，此时变频器必须处理这部分能量，否则由于直流回路的电容器被过充电，过压保护动作将使其运转停止。
因此，需在变频器直流回路中设置制动单元和制动电阻，对于TD3000-4T0300G 及其以上功率变频器需外配制动单元和制动电阻，这也是位能负载应用变频器与一般应用不同的地方。
在此方案中，变频器和液位推动器是靠变频器预先设定的一个频率到达信号使接在液位推动器回路中的接触器的线圈得电，进而让液位推动器回路中接触器的辅助触点闭合和打开联系起来的。
操作人员通过起重机升降（升降）操纵联动台分别给其控制的变频器一个起、停、起的信号而让变频器动作。
当通过起重机升降联动台给其控制的变频器一个起升的信号后，变频器变频器带动起升电机工作，但刚开始时由于变频器输出的频率还小，而且起升的抱闸电机不会运行，当变频器的输出频率达到预设定的频率后，变频器输出给起升电机的抱闸回路中接触器一个电压让抱闸电机运行松闸，进而完成起重机上升的任务。
当起重机下降过程中，变频器的输出频率小于预设定的频率，抱闸系统就会马上抱闸这样避免起重机失速猛的下落而造成的危害伤害。
变频器对电机也能时时监控、补偿或报警，给工人使用带来很大的方便，同时变频器的使用不禁节约了能源，而且达到操作灵活方便，安全可靠。
4 PLC控制接线及程序设计整个系统有4台电动机，3台变频器，PLC的输入输出点数较多，各变频器与PLC 的连接情况类似，提升系统中PLC的I/O分配如表1：由于系统中4台电机（其中M2 M3是并联运行，两者控制情况完全一样）的运行3情况主要由输入信号直接控制，所以系统的梯形图程序的设计可以根据输入信号和电机的运行关系采用经验法设计，利用起保停电路直接由输入信号得到各电机和制动电磁铁的得电和失电情况，控制方式采用一拖二，可达到同步运行的目的。
5 总结改造后的系统性能将得到了很大的改善，主要体现在以下几个方面：用结构简单、可靠性高的鼠笼式电机取代绕线式电机，避免了因滑环、碳刷磨损或腐蚀引起接触不育而造成电机损坏或不能起动的故障;交流接触器的数量减少，电机主电路实现了无触点化，避免了因频繁动作而烧损，以及由于触头烧损而引起的电器故障，采用变频调速，运行效率高且节能;机械特性硬，负载变化时，各档速度基本不变，轻载时不会因操作不当而出现下降变为上升的失控现象;可根据现场情况，很方便时调整各档速度和加速时间，使天车操作更加灵活，反应迅速。
参考文献：〔1〕佟纯厚主编，《变频器调速原理》，冶金工业出版社，1984.5〔2〕彭鸿才主编，《电机原理及拖动》，机械工业出版社，1994.7〔3〕吴忠智、吴加林编著，《变频器应用手册》，机械工业出版社，2004.64。
