安川VS-616G5变频器及西门子S7-300PLC在桥式起重机控制系统改造中的应用

0　引言

桥式起重机是工矿企业一种常用的工业设备。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法进行起动和调速，继电器-接触器控制。这种控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高。转子串电阻调速，起动电流大、机械特性软。负载变化时转速也变化，调速不理想。且所串电阻长期发热，电能浪费大，电阻烧损和断裂故障时有发生。某重型机器有限公司的125 t/15 t双梁桥式起重机拖动系统采用传统的交流绕线转子异步电动机，转子串电阻的方法进行起动和调速，继电器-接触器控制。该控制系统已不能适应快速、安全、高效的生产和工作需要。现采用PLC控制的变频调速技术对其拖动及控制系统进行改造。

1　原拖动系统基本情况

桥式起重机电气拖动有大车电机2台，小车、主钩、副钩电机各1台。电动机为交流绕线转子异步电动机。采用转子串电阻的方法启动和调速。调速方法为电动机转子回路串入5段外接电阻R1 ～R5。由接触器KM1 ～KM4 的状态来决定串入电阻的多少，从而调整电机的运行速度。原电路图见图1。制动方式为电磁机械制动。

图1　原拖动系统主电路图

2　变频调速改造基本思路

桥式起重机拖动系统由三个基本独立的机构组成：大车拖动系统、小车拖动系统、主副钩拖动系统。用新型的交流变频调速技术取代电动机转子回路串电阻的调速方式。桥式起重机大车、小车、主钩、副钩电动机都需要独立运行，整个系统有5台电动机。大车两台电动机共用1台变频器控制。主钩、副钩、小车电动机分别由3台变频器单独控制。用PLC代替原来的继电器-接触器控制方式，完成系统逻辑控制部分的控制。电动机的正、反转、调速等控制信号进入PLC，经处理后向变频器发出起停、调速等信号，控制电动机工作。改造后系统结构图见图2。

图2　改造后系统结构图

2.1　大车拖动系统

大车为双梁结构，分别为两台715 kW电机，拖动整台起重机顺着车间做“横向”运动。运行速度24/4m/min可调。调速比为1：6。

拖动方案：采用普通的笼型异步电动机代替原绕线转子异步电动机。大车为两台715 kW电动机同时拖动，所以共用一台较大功率的变频器作为控制。采用U/f开环控制方式，变频器的容量PN应为一台电动机容量PMN的两倍以上。

P_N≥2P_MN

2.2　小车拖动系统

小车由单台电动机拖动，电机功率为715 kW。小车拖动吊钩及重物顺着桥架做“纵向”运动。速度11.5/3/ m/min可调。调速比为1：4。

拖动方案：也采用普通的笼型异步电动机，配容量等相同的变频器，采用U/f开环控制方式。

2.3　主钩和副钩拖动系统

主钩和副钩分别用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。主钩电机45 kW起重125 t，运行速度1.8/0.18/ m/min可调，调速比为1∶10。副钩电机22kW起重15 t，运行速度为7.5/0.75/ m/min可调，调速比1：10。

拖动方案：主钩和副钩用电动机要求较高，属于位能变动性负载，系统要具有良好的动态性能。故此电动机必需更换成更具有优越性、高性能的变频专用电动机来代替原绕线转子异步电动机。电动机在选择时比原功率适当提高，以获得足够的力矩值。两台电动机分别配置变频器，并装有光电编码器，采用带PG卡速度反馈的闭环矢量控制方式。变频后转速可以分档控制，采用5段速度运行，从低到高自由切换。

2.4　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。改造中保留原电磁机械制动方式。采取再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的办法。由变频调速系统的再生制动和直流制动把运动中的大车、小车和主副钩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，仍然必须利用电磁制动器进行机械制动。

3　变频器的选用

适用于起重机使用的变频器有好多种。我们选用日本安川公司的VS- 616G5系列变频器。此变频器具有全磁通矢量控制，在低频下也能提供150%额定转矩的起动转矩。有速度反馈环节，可作到零速控制(即使在零速下也有150%额定转矩输出)。该变频器可以通过设定参数的存取级别来选择其控制方式。通常有4种方式可选：无PGU/f开环控制方式、有PGU/f闭环控制方式、无PG开环矢量控制方式、有PG闭环矢量控制方式。大车、小车拖动机构由于其惯量较大， 负载变化相对较小， 基本上属于阻力性负载， 故采用无PGU/f开环控制方式，不带光电编码器。主、幅钩提升机构由于负载变化较大，为了获得快速的动态响应，实现对转矩的快速调节。电机安装有光电编码器，采用有PG- B2速度控制卡闭环矢量控制方式，以获得稳定的工作状态和良好的机械特性。关于溜钩的防止：本系统中由于VS- 616G5变频器具有的零速下的转矩功能，故只需通过PLC和变频器的适当配合即可圆满解决溜钩问题。

桥式起重机的速度调节可利用变频器的多级频率选择功能。VS- 616G5，可使用8个频率指令和1个点动频率指令，由此，最高可9段速。为了切换这些频率指令，可在多功能输入，设定多段速指令1～3和点动频率来选择。将端子1接通则电机正转，端子2接通则反转，将多段速指令1、2、3三对端子分别接通，或其中两对或三对同时接通，可得8种频率，从而可方便地得到起重机所要求的正反两个方向各5种速度。电机加减速的时间可以通过变频器的设定来进行改变。

主钩电机变频器接线控制原理图见图3。

图3　主钩电机变频器接线控制原理图

变频器的选用通常应根据异步电动机的额定电流来选择，或者根据异步电动机实际运行中的电流值(最大值)来选择。通常应满足下式要求：

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

式中： I_1nv-变频器额定输出电流(A)；

I_n-电动机的额定电流(A)；

I_max-电动机实际最大电流(A)；

(1.05～1.1) -电流波形修正系数。

我们选用的变频器都配有外接的制动单元和制动电阻。起重机放下重物时，由于重力加速度的原因电动机将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到变频器直流电路中使直流电压不断上升。因此，必须将再生到直流电路里的能量消耗掉，使直流电压保持在允许范围内。制动电阻就是用来消耗这部分能量的。制动单元在选择时应加大一个档次，以便允许有较大的制动电流缩短制动过程。制动电阻的额定功率在选择时也应加大一倍。

4　PLC的选用

根据改造后桥式起重机控制系统的现场输入，输出信号的数量及作用，结合改造要求及应用习惯选择PLC型号规格。PLC我们选用西门子公司的S7- 300系列。S7- 300由多种模块以不同的方式组合在一起(主要由电源模块、CPU模块、I/O模块等组成)，从而使控制系统设计更加灵活，可以满足不同的应用需要。

我们选CPU3141块，数字量输入模块SM321： DI32×24VDC2块、DI16 ×24VDC1块，数字量输出模块SM322：DO16×24VDC3块组成系统。桥式起重机拖动系统的控制动作包括：大车的左、右行及速度换档；小车的前、后行及速度换档；主、副钩的升、降及速度换档等。保护功能有：主、副钩上升限位、下降限位，大车限位、小车限位，主副钩及大小车电机的保护等。这些都可通过PLC进行无触点控制。

改造后的整个系统有五台电动机、四台变频器，PLC的输入输出点数较多，各变频器与PLC的连接情况类似。在此仅说明主钩电机变频器和PLC的连接情况。主钩电机变频器接线控制原理图见图3。主钩PLC接线控制原理图见图4。

图4　主钩PLC接线控制原理图

5　结束语

采用变频器及PLC对桥式起重机进行了改造。起重机控制系统由于省去了切换转子电阻的交流接触器、串联电阻等电气元件，电气控制线路大为简化。起重机启动、制动、加速、减速等过程更加平稳快速，减少了负载波动，安全性大幅提高。采用PLC代替原来复杂的接触器、继电器控制系统，电路实现了无触点化，故障率大大降低。采用变频调速，机械特性硬，负载变化时各档速度基本不变。轻载时也不会因操作不当而出现失控现象。变频器还可根据现场情况，很方便地调整各档速度和加减速时间，使吊车操作更加灵活迅速。采用变频调速同时也实现了电机的软起动， 避免了机械受大力矩冲击的损伤和破坏， 减少了机械维护及检修费用，提高了设备的运行效率。实践证明本次改造是成功的。