40噸固定式起重機電控系統(tǒng)改造

本文主要是介紹了我公司一臺40噸固定式起重機電氣控制系統(tǒng)的改造情況。述說了整個系統(tǒng)的控制思路和電氣元件的選取及要求。
關(guān)鍵詞：PLC 變頻器 繼電器

概述：

本文以電氣控制系統(tǒng)改造為題，進行一些探討與分析，進行改造的起重機的機構(gòu)主要分為：起升，變幅，旋轉(zhuǎn)三大部分，但是不能行走，這樣在生產(chǎn)中帶來不便, 它的主要電氣控制元件使用繼電器和交流接觸器。因為各機構(gòu)電動機功率相當大，原系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)子串電阻進行降壓起動，調(diào)速也是通過切除轉(zhuǎn)子所串電阻進行調(diào)速。轉(zhuǎn)子串電阻方式調(diào)速范圍窄，很難達到集裝箱低速著地的要求。由于該機使用頻率高、線路復雜、接頭觸點多、耗電量大、起動電流大等原因造成需經(jīng)常更換交流接觸器，導致故障率高，使該機存在運行質(zhì)量低等弊端。這次改造中，主要是對起升、變幅、旋轉(zhuǎn)三大機構(gòu)的電控系統(tǒng)進行改進，并增加大車行走控制系統(tǒng)。在這次改造中整機的電氣控制系統(tǒng)由我負責安裝與調(diào)試。

我公司是外運系統(tǒng)中的一個倉碼公司，以集裝箱裝卸業(yè)務(wù)為主，大型起重機裝卸機械是我司主要的生產(chǎn)工具。隨著我司業(yè)務(wù)的發(fā)展，一些舊設(shè)備日漸跟不上生產(chǎn)需要，必須對其進行改造，使其發(fā)揮最高效能。現(xiàn)我司有四臺龍門吊及三臺40噸固定式起重機，為了提高生產(chǎn)能力，促進我司的發(fā)展。在2003年10月我司對自編為3號的GQ4024集裝箱固定式起重機進行改造，將其改造成MQ4035軌道式門座起重機，改造后提高了控制系統(tǒng)的自動化程度，簡化操作，大大地提高了工作效率及方便了裝卸船作業(yè)。下面分三部分對改造后電氣系統(tǒng)進行敘述。

一、控制系統(tǒng)硬件配置

該機改造后的控制硬件配置主要由操縱手柄、PLC、變頻器、電動機及其它電

氣單元組成。如下（圖1）所示：

我們采用日本歐姆龍PLC與日本安川變頻器，取代了原有的電氣元件。我利用PLC代替了繼電器邏輯控制，使可靠性大為提高，用變頻器調(diào)速解決了電機轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻調(diào)速存在的起動電流大、電氣元件故障率高、調(diào)速范圍窄的問題。

二、PLC控制系統(tǒng)

(1)PLC選擇

PLC是通過監(jiān)視輸入信號和提供輸出信號進行工作的，根據(jù)原系統(tǒng)現(xiàn)場輸入，輸出信號的作用及數(shù)量，結(jié)合改造要求選擇PLC型號規(guī)格。通過對本機工況的了解，實際需要輸入點84個，輸出點需要40個。可選用歐姆龍C200HE系列PLC，輸入模塊選用IA222，16個點，輸出模塊選用OC225，16個點，但是考慮輸入或輸出點壽命的問題及日后系統(tǒng)擴展的需要，故實際中使用6個輸入模塊共96點，4個輸出模塊共64點。這樣可以大大滿足日后要求。

（2）PLC輸入 輸出`模塊化（I/o圖）設(shè)計

為了直觀，看圖方便，使用每一個模塊分組設(shè)計，如咐圖紙MQ4035—C2至MQ4035—C12所示。第一二組模塊作為起升、行走、變幅、回轉(zhuǎn)操縱手柄信號輸入點，第三、四、五、六組作為各機構(gòu)運行電路條件，保護限位，及機構(gòu)保護回檢測電路的信號輸入點。第七、八組模塊作為起升、行走、變幅、回轉(zhuǎn)檔位信號輸出點。第九、十組模塊作為中繼及指示燈信號輸出點。這樣需要更換模塊也比較方便。

（3）PLC軟件的使用
PLC程序采用歐姆龍CX-Programm versin3.0軟件程序來編寫的，此軟件可以分不同項目名稱來進行編寫的，項目分為：電源、起升、變幅、旋轉(zhuǎn)、行走五部分編寫，這樣看起來比較直觀，而且我們維修中也相當方便。具體梯形圖請看咐梯形圖紙的各部分程序。

三、變頻器調(diào)速系統(tǒng)

在裝卸作業(yè)中，機械是由電動機拖動運轉(zhuǎn)的，電動機的運行總是和其各個機構(gòu)聯(lián)在一起的，電動機和工作機構(gòu)兩者之間的機械活動構(gòu)成了一個機電運行整體，在選用變頻器調(diào)速時考慮電動機特性與實際各機構(gòu)中的應(yīng)用。因本起重機有四個運行機構(gòu)，不同的機構(gòu)需選擇各種不同功率的變頻器。我們選擇了日本安川公司VARIPEED—616G5系列高性能變頻器。下面將具體從起升機構(gòu)敘述變頻器的控制原理，其它機構(gòu)變幅、旋轉(zhuǎn)、行走與起升基本相同。

（1）起升機構(gòu)

在起重機中，其核心是起升機構(gòu)，它是個位能變動性負載，因此，要求系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能，這樣才能使貨物平穩(wěn)，安全可靠。如果利用原有繞線式電動機使用變頻調(diào)速控制是很難滿足條件的，故此電動機必需更換成更具有優(yōu)越性，高性能的變頻專用電動機，選用了132kw電動機，故選用型號為CIMR-G5A4185變頻器。帶PG—B2速度反饋卡進行閉環(huán)矢量控制，系統(tǒng)具有足夠的硬度和良好的低頻轉(zhuǎn)矩特性。即使在０ＨＺ電動機也能以１５０％額定轉(zhuǎn)矩輸出，且速度控制精度達到１：１０００。因采用了變頻器控制，制動器的松閘和抱閘都由變頻器給出的信號來控制，采用閉環(huán)控制后，變頻器中加了ＰＧ—Ｂ２速度反饋卡可以很好的檢測到脈沖編碼器發(fā)生的信號，從而檢測電動機的實際轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)零速抱閘。這樣就可以大大的延長制動器閘瓦、減速箱、鋼絲繩的壽命。

起升機構(gòu)控制線路見咐圖紙：MQ4035-H1~MQ4035-H3；

在起升機構(gòu)變頻器的控制回路端子的連接電路圖如下（圖２）：

其中用到數(shù)子字輸入端1號2號，多功能輸入端子4、6、7、11號，多功能輸出端子9、10、18、19號，其中1號和2號端子為變頻器定義好的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)端子，其中1號或2號端子與11號公共端子接通時，電動機作正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)運行，不接通時電動機停止。4號端子在變頻器出廠時默認為故障復位，實際設(shè)計也是故障復位，所以變頻器參數(shù)中H1—０２不用更改，６號端子７號端子分別定義為多速１、多速２。變頻器中參數(shù)相應(yīng)改為H1—０4=3 , H1—０5=4其中６號７號端子都與11號公共端子不接通時變頻器輸出速度1；6號端子與11號公共端子接通，7號不接通時，變頻器輸出速度2；6號不接通，7號接通時，變頻器輸出速度3；6號、7號端子都同時接通時，變頻器輸出速度4。其中在變頻中d1-01、d1-02、d1-03、d1-04中分別設(shè)定4種速度的頻率。9號10號端子為運行頻率檢出信號，則H2-01設(shè)為的37，有頻率輸出時9號10號端子接通。當變頻器有故障時18號20號端子由常開變?yōu)槌ｉ]信號，信號反饋到PLC使起升機構(gòu)停止工作。

（2）變幅機構(gòu)

變幅機構(gòu)控制線路見咐圖紙：MQ4035-L1~MQ4035-L3；
變幅機構(gòu)也是一個位能變動性負載，使用一臺22KW變頻專用電動機驅(qū)動。選用CIMR-G5A4037變頻器，利用交流變頻調(diào)速，開環(huán)V/F控制模式。

（3）旋轉(zhuǎn)/行走機構(gòu)

旋轉(zhuǎn)機構(gòu)控制線路見咐圖紙：MQ4035-S1~MQ4035-S3；
行走機構(gòu)控制線路見咐圖紙：MQ4035-G1~MQ4035-G3；

（a）旋轉(zhuǎn)機構(gòu)：原旋轉(zhuǎn)機構(gòu)是2臺22KW繞線式電動機，考慮改造中既要節(jié)約成本開支，又能滿足技術(shù)和生產(chǎn)要求的情況下，將原來電動機不更換，分別把兩臺電動機的轉(zhuǎn)子繞組抽頭端子短接，去除原來的電阻不要，可實現(xiàn)變頻調(diào)速的要求。

（b）行走機構(gòu)：行走機構(gòu)是非工作性機構(gòu)亦是這次改造加裝的機構(gòu)，左腿與右腿共使用了8臺變頻專用電動機驅(qū)動。

在本起重機工作中，防止事故的發(fā)生，旋轉(zhuǎn)與行走機構(gòu)是不能同時運行的。且經(jīng)計算，旋轉(zhuǎn)總功率為：2臺Ｘ２２ＫＷ＝４４ＫＷ；行走總功率為：８臺Ｘ５．５ＫＷ＝４４ＫＷ；鑒于以上因素，故采用共用一臺變頻器調(diào)速，使用CIMR-G5A4075變頻器，利用交流變頻調(diào)速，開環(huán)V/F控制模式。

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四、結(jié)后語

本起重機改造后已運行有三個多月了，一切性能穩(wěn)定良好，維護工作量也減小。與改造前比較有以下優(yōu)點：

1、制動器閘瓦損耗少，制動輪無磨擦發(fā)熱現(xiàn)象。
2、在機械機構(gòu)方面，減速器和傳動部份噪音減少了。
3、在節(jié)能方面，改造前每月用電量6640度左右，改造后用電量5680度左右，大概節(jié)約了14.5%。
4、改造后經(jīng)過一段時間檢查，鋼絲繩磨損的程度大大減少。
5、通過使用PLC、變頻器控制后，在檢修中十分方便快捷。
6、據(jù)司機駕駛反應(yīng)，整機運行中較平穩(wěn)，工作效率也相對提高。

致謝：

在撰寫中得到了廣東工業(yè)大學梁耀光教授和劉守操教授等專家的具體指導，使我掌握了很多寶貴的知識，在此表示衷心的感謝！因水平能力不足，本文中難免存在不足之處，望各位專家、教授多多指正。謝謝！