基于PLC-变频控制的桥式起重机节能改造

李记叶，刘剑峰，张旭升

（山东省特种设备检验研究院泰安分院 271000）

0 引言

随着新技术和控制设备的发展，现在人们普遍采用变频器作为变频调速电源，用笼形异步电动机取代原来的绕线异步电动机，用PLC 作为控制装置进行无触点控制。从而改善了调速性能，增加了系统的可靠性。本文通过一个实例分析变频器和PLC 在系统中的具体应用。

1 传统桥式起重机的特点及缺陷

线绕式异步电动机驱动是传统的桥式起重机拖动系统，转子回路在继电-接触器的控制下有级别调速多段电阻。该控制模式具有效率低、耗能大、线路易发故障、机械性软、维修频繁、低速启动动力距小、调速稳定性能低等缺点。并且在运动中系统抱闸，较易损害制动器，严重磨损闸皮，使用期限缩短。所以，进一步的提升高桥式起重机的精确性与安全性，应该做好技术改造工作，比如采取变频器改造法优化拖动系统。

接触式继电控制系统是桥式起重机的主要控制系统，具有接线量大、噪音大，控制逻辑更改困难等特点。并且，较低的能量转换效率使得成本上升、能耗加大。工作中发出的噪音给周围造成了环境困扰，以社会提倡的环境保护目标截然相反。所以，有必要做相应的节能改造，改善创痛起重机的运行效果。

2 传统桥式起重机的PLC-变频节能改造

随着我国经济的快速发展，国内各类起重机的需求量也随之大大上升。同时随着能源的枯竭和环境的恶化，节能和环保也被提到议事日程。国家鼓励和支持节能技术的研究、开发、示范及推广工作，促进节能技术创新与进步。对高耗能的设备进行改造，按照国务院的规定实行节能审查和监管。我国新修订的《特种设备安全监察条例》明确规定：特种设备生产、使用单位和特种设备检验检测机构应当保证必要的安全和节能投入。

本课题研究的桥式起重机是QD(25+25)-22.5A3，该起重机由金属结构、运行机构、起升机构以及电气控制设备等四个部分组成，其中起升机构双主起升机构。

2.1 桥式起重机的节能改造设计方案

本课题中，对传统的控制系统进行了改造，把传统的继电器控制改为PLC 控制，四大机构调速均采用矢量变频调速。由于各机构的工作特点不同，对调速的精度要求，稳度要求等也各不相同，因此所选用的变频器和控制方式也不同。

2.1.1 起升机构的PLC-变频节能设计方案

本课题中的起升机构是由两个主起升机构组成，两者同时工作，分别用一台变频器驱动，同时为了加强控制精度，采用旋转编码器作为检测装置，来实现起升的准确度。

起升机构的控制方式采用带PG 的矢量控制方式，编码器的反馈信号传送到PLC 后，通过程序来控制起升机构，避免吊钩下滑。它具有稳定性好，对急加、减速负载变化有较好的响应特性。

此外，为了保证两个主起升机构能同步工作，变频器还具有DROOP 功能，该功能也能有效防止两个机构失步的情况。

2.1.2 设计PLC-变频节能的技术方案

一台变频器控制两台电动机是大车运行的机构，因为运行机构单一的工作频率，在节省成本要求下，做了一台变频器共用于系统调速。两台电动机容量小于该变频器容量，同时控制模式为V/F,矢量控制模式也不适用。这样，电路被简化，同时成本也一定程度降低。

启动运行机构实际要与实际相符，做到平稳与迅速启动。要着重考虑制动机构电气的方式。针对工况的不同，强制制动与自由制动皆可选择。在正常停止机构的运行时，自由停止方式是较为合理的选取方式，现实中的运行状态决定了停止时间的决定，最大限度满足司机对桥式起重机的操作需求。为了让起动转矩在起动起升机构时最大，可对机械制动器的电流运行、最低的变频器运行频率与打开时间三者关系做合理设定，以保证机构负载的现实需要。

2.1.3 总体节能设计方案

桥式起重机PLC-变频节能调速系统主要由PLC、变频器、编码器等组成，其变频调速节能系统的结构如图1 所示：

图1 变频节能系统结构图

图2 PLC 的I/O 接线图一

图3 PLC 的I/O 接线图二

通过上述的分析和实际的需求，该课题包括模拟量输入点与输出点、开关量输入点与输出点的个数，另外，反馈信号则由八路模拟量输入，变频器的控制端输入则由四路模拟器输入。另外，DI/DO 点应该是冗余状态，因此，以CPU222 模块为CPU 模块，两块EM223 模块为输入数字量模块，两块EM231 模块为模拟量输入模块，两块EM232 为模拟量输出模块。

PLC-变频节能系统的PLC 输入输出点配置及接线如图2 和图3 所示：

2.2 程序设计

在桥式起重机的各个机构中，起升机构是其最关键的部分，在此仅阐述起升机构的程序设计。

桥式起重机起升机构速度的控制，是一项很重要的技术指标，本系统通过旋转编码器测得电机速度，由数模转换卡转换成数字量，传递给变频器，所以本系统起升机构控制方案为常规的数字PID 算法并结合PLC 中的PID 控制模块来控制。其程序代码如图4 所示：

图4 起升机构控制程序

3 能效测试

在负载条件相同情况下，将多种实验样品做能效对比的实验，从而得出产品的节能等级，在评价能效时有充分的数据。对比实验差异工作类别的样品。可以对各种型号的产品最终得到的最优化能效工作级别做评判，挖掘节能潜力。

鉴于当前的试验条件，选用四台未采用PLC 变频调速控制的同类型的通用桥式起重机、传统门式起重机、32t 的电动单梁起重机以及32t 的钢丝绳电动葫芦作为对比试验的对象，经过一段时期的测试，其能效测试结果如表1 所示：

表1 能效测试结果：

根据效能测试表分析，桥式起重机在变频调速运行模式下其效能比大大的提升。主要是由于定子电源频率因变频调速而发生改变，进而同步转速发生改变以及输出转矩也相应变动，也就是说电动机的容量被改变，负载情况变动带动电动机容量变动，功率因数与效率得到提高，节能目的实现。

4 总结

通过对改造完成的起重机进行节能测试，已经验证了该PLC-变频的节能改造是成功的，达到了节能的目的，同时也提高了日常工作效率，减少了故障率，简化了故障的排除难度。

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