40噸固定式起重機(jī)電控系統(tǒng)改造

40噸固定式起重機(jī)電控系統(tǒng)改造

本文主要是介紹了我公司一臺(tái)40噸固定式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的改造情況。述說(shuō)了整個(gè)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(jìn)行一些探討與分析，進(jìn)行改造的起重機(jī)的機(jī)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(lái)不便, 它的主要電氣控制元件使用繼電器和交流接觸器。因?yàn)楦鳈C(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)功率相當(dāng)大，原系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)子串電阻進(jìn)行降壓起動(dòng)，調(diào)速也是通過(guò)切除轉(zhuǎn)子所串電阻進(jìn)行調(diào)速。轉(zhuǎn)子串電阻方式調(diào)速范圍窄，很難達(dá)到集裝箱低速著地的要求。由于該機(jī)使用頻率高、線路復(fù)雜、接頭觸點(diǎn)多、耗電量大、起動(dòng)電流大等原因造成需經(jīng)常更換交流接觸器，導(dǎo)致故障率高，使該機(jī)存在運(yùn)行質(zhì)量低等弊端。這次改造中，主要是對(duì)起升、變幅、旋轉(zhuǎn)三大機(jī)構(gòu)的電控系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，并增加大車行走控制系統(tǒng)。在這次改造中整機(jī)的電氣控制系統(tǒng)由我負(fù)責(zé)安裝與調(diào)試。

我公司是外運(yùn)系統(tǒng)中的一個(gè)倉(cāng)碼公司，以集裝箱裝卸業(yè)務(wù)為主，大型起重機(jī)裝卸機(jī)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(duì)其進(jìn)行改造，使其發(fā)揮最高效能?，F(xiàn)我司有四臺(tái)龍門吊及三臺(tái)40噸固定式起重機(jī)，為了提高生產(chǎn)能力，促進(jìn)我司的發(fā)展。在2003年10月我司對(duì)自編為3號(hào)的GQ4024集裝箱固定式起重機(jī)進(jìn)行改造，將其改造成MQ4035軌道式門座起重機(jī)，改造后提高了控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，簡(jiǎn)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(duì)改造后電氣系統(tǒng)進(jìn)行敘述。

一、控制系統(tǒng)硬件配置

該機(jī)改造后的控制硬件配置主要由操縱手柄、PLC、變頻器、電動(dòng)機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻調(diào)速存在的起動(dòng)電流大、電氣元件故障率高、調(diào)速范圍窄的問(wèn)題。

二、PLC控制系統(tǒng)

(1)PLC選擇

PLC是通過(guò)監(jiān)視輸入信號(hào)和提供輸出信號(hào)進(jìn)行工作的，根據(jù)原系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)輸入，輸出信號(hào)的作用及數(shù)量，結(jié)合改造要求選擇PLC型號(hào)規(guī)格。通過(guò)對(duì)本機(jī)工況的了解，實(shí)際需要輸入點(diǎn)84個(gè)，輸出點(diǎn)需要40個(gè)?？蛇x用歐姆龍C200HE系列PLC，輸入模塊選用IA222，16個(gè)點(diǎn)，輸出模塊選用OC225，16個(gè)點(diǎn)，但是考慮輸入或輸出點(diǎn)壽命的問(wèn)題及日后系統(tǒng)擴(kuò)展的需要，故實(shí)際中使用6個(gè)輸入模塊共96點(diǎn)，4個(gè)輸出模塊共64點(diǎn)。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(jì)

為了直觀，看圖方便，使用每一個(gè)模塊分組設(shè)計(jì)，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(hào)輸入點(diǎn)，第三、四、五、六組作為各機(jī)構(gòu)運(yùn)行電路條件，保護(hù)限位，及機(jī)構(gòu)保護(hù)回檢測(cè)電路的信號(hào)輸入點(diǎn)。第七、八組模塊作為起升、行走、變幅、回轉(zhuǎn)檔位信號(hào)輸出點(diǎn)。第九、十組模塊作為中繼及指示燈信號(hào)輸出點(diǎn)。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(lái)編寫(xiě)的，此軟件可以分不同項(xiàng)目名稱來(lái)進(jìn)行編寫(xiě)的，項(xiàng)目分為：電源、起升、變幅、旋轉(zhuǎn)、行走五部分編寫(xiě)，這樣看起來(lái)比較直觀，而且我們維修中也相當(dāng)方便。具體梯形圖請(qǐng)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(jī)械是由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行總是和其各個(gè)機(jī)構(gòu)聯(lián)在一起的，電動(dòng)機(jī)和工作機(jī)構(gòu)兩者之間的機(jī)械活動(dòng)構(gòu)成了一個(gè)機(jī)電運(yùn)行整體，在選用變頻器調(diào)速時(shí)考慮電動(dòng)機(jī)特性與實(shí)際各機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用。因本起重機(jī)有四個(gè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)，不同的機(jī)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(jī)構(gòu)敘述變頻器的控制原理，其它機(jī)構(gòu)變幅、旋轉(zhuǎn)、行走與起升基本相同。

（1）起升機(jī)構(gòu)

在起重機(jī)中，其核心是起升機(jī)構(gòu)，它是個(gè)位能變動(dòng)性負(fù)載，因此，要求系統(tǒng)具有良好的動(dòng)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(dòng)機(jī)使用變頻調(diào)速控制是很難滿足條件的，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)，選用了132kw電動(dòng)機(jī)，故選用型號(hào)為CIMR-G5A4185變頻器。帶PG—B2速度反饋卡進(jìn)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(dòng)機(jī)也能以１５０％額定轉(zhuǎn)矩輸出，且速度控制精度達(dá)到１：１０００。因采用了變頻器控制，制動(dòng)器的松閘和抱閘都由變頻器給出的信號(hào)來(lái)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(cè)到脈沖編碼器發(fā)生的信號(hào)，從而檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)零速抱閘。這樣就可以大大的延長(zhǎng)制動(dòng)器閘瓦、減速箱、鋼絲繩的壽命。

起升機(jī)構(gòu)控制線路見(jiàn)咐圖紙：MQ4035-H1~MQ4035-H3；

在起升機(jī)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(hào)2號(hào)，多功能輸入端子4、6、7、11號(hào)，多功能輸出端子9、10、18、19號(hào)，其中1號(hào)和2號(hào)端子為變頻器定義好的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)端子，其中1號(hào)或2號(hào)端子與11號(hào)公共端子接通時(shí)，電動(dòng)機(jī)作正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)運(yùn)行，不接通時(shí)電動(dòng)機(jī)停止。4號(hào)端子在變頻器出廠時(shí)默認(rèn)為故障復(fù)位，實(shí)際設(shè)計(jì)也是故障復(fù)位，所以變頻器參數(shù)中H1—０２不用更改，６號(hào)端子７號(hào)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(hào)７號(hào)端子都與11號(hào)公共端子不接通時(shí)變頻器輸出速度1；6號(hào)端子與11號(hào)公共端子接通，7號(hào)不接通時(shí)，變頻器輸出速度2；6號(hào)不接通，7號(hào)接通時(shí)，變頻器輸出速度3；6號(hào)、7號(hào)端子都同時(shí)接通時(shí)，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(hào)10號(hào)端子為運(yùn)行頻率檢出信號(hào)，則H2-01設(shè)為的37，有頻率輸出時(shí)9號(hào)10號(hào)端子接通。當(dāng)變頻器有故障時(shí)18號(hào)20號(hào)端子由常開(kāi)變?yōu)槌ｉ]信號(hào)，信號(hào)反饋到PLC使起升機(jī)構(gòu)停止工作。

（2）變幅機(jī)構(gòu)

變幅機(jī)構(gòu)控制線路見(jiàn)咐圖紙：MQ4035-L1~MQ4035-L3；
變幅機(jī)構(gòu)也是一個(gè)位能變動(dòng)性負(fù)載，使用一臺(tái)22KW變頻專用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。選用CIMR-G5A4037變頻器，利用交流變頻調(diào)速，開(kāi)環(huán)V/F控制模式。

（3）旋轉(zhuǎn)/行走機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制線路見(jiàn)咐圖紙：MQ4035-S1~MQ4035-S3；
行走機(jī)構(gòu)控制線路見(jiàn)咐圖紙：MQ4035-G1~MQ4035-G3；

（a）旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：原旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是2臺(tái)22KW繞線式電動(dòng)機(jī)，考慮改造中既要節(jié)約成本開(kāi)支，又能滿足技術(shù)和生產(chǎn)要求的情況下，將原來(lái)電動(dòng)機(jī)不更換，分別把兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組抽頭端子短接，去除原來(lái)的電阻不要，可實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的要求。

（b）行走機(jī)構(gòu)：行走機(jī)構(gòu)是非工作性機(jī)構(gòu)亦是這次改造加裝的機(jī)構(gòu)，左腿與右腿共使用了8臺(tái)變頻專用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

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

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四、結(jié)后語(yǔ)

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

1、制動(dòng)器閘瓦損耗少，制動(dòng)輪無(wú)磨擦發(fā)熱現(xiàn)象。
2、在機(jī)械機(jī)構(gòu)方面，減速器和傳動(dòng)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(guò)一段時(shí)間檢查，鋼絲繩磨損的程度大大減少。
5、通過(guò)使用PLC、變頻器控制后，在檢修中十分方便快捷。
6、據(jù)司機(jī)駕駛反應(yīng)，整機(jī)運(yùn)行中較平穩(wěn)，工作效率也相對(duì)提高。

致謝：

在撰寫(xiě)中得到了廣東工業(yè)大學(xué)梁耀光教授和劉守操教授等專家的具體指導(dǎo)，使我掌握了很多寶貴的知識(shí)，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！