40噸固定式起重機電控系統改造

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的改造情況。述說了整個系統的控制思路和電氣元件的選取及要求。
關鍵詞：PLC 變頻器 繼電器

概述：

本文以電氣控制系統改造為題，進行一些探討與分析，進行改造的起重機的機構主要分為：起升，變幅，旋轉三大部分，但是不能行走，這樣在生產中帶來不便, 它的主要電氣控制元件使用繼電器和交流接觸器。因為各機構電動機功率相當大，原系統采用了轉子串電阻進行降壓起動，調速也是通過切除轉子所串電阻進行調速。轉子串電阻方式調速范圍窄，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常更換交流接觸器，導致故障率高，使該機存在運行質量低等弊端。這次改造中，主要是對起升、變幅、旋轉三大機構的電控系統進行改進，并增加大車行走控制系統。在這次改造中整機的電氣控制系統由我負責安裝與調試。

我公司是外運系統中的一個倉碼公司，以集裝箱裝卸業務為主，大型起重機裝卸機械是我司主要的生產工具。隨著我司業務的發展，一些舊設備日漸跟不上生產需要，必須對其進行改造，使其發揮最高效能?，F我司有四臺龍門吊及三臺40噸固定式起重機，為了提高生產能力，促進我司的發展。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。下面分三部分對改造后電氣系統進行敘述。

一、控制系統硬件配置

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，用變頻器調速解決了電機轉子串聯電阻調速存在的起動電流大、電氣元件故障率高、調速范圍窄的問題。

二、PLC控制系統

(1)PLC選擇

PLC是通過監視輸入信號和提供輸出信號進行工作的，根據原系統現場輸入，輸出信號的作用及數量，結合改造要求選擇PLC型號規格。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）設計

為了直觀，看圖方便，使用每一個模塊分組設計，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、回轉操縱手柄信號輸入點，第三、四、五、六組作為各機構運行電路條件，保護限位，及機構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、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、變頻器調速系統

在裝卸作業中，機械是由電動機拖動運轉的，電動機的運行總是和其各個機構聯在一起的，電動機和工作機構兩者之間的機械活動構成了一個機電運行整體，在選用變頻器調速時考慮電動機特性與實際各機構中的應用。因本起重機有四個運行機構，不同的機構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敘述變頻器的控制原理，其它機構變幅、旋轉、行走與起升基本相同。

（1）起升機構

在起重機中，其核心是起升機構，它是個位能變動性負載，因此，要求系統具有良好的動態性能，這樣才能使貨物平穩，安全可靠。如果利用原有繞線式電動機使用變頻調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矢量控制，系統具有足夠的硬度和良好的低頻轉矩特性。即使在０ＨＺ電動機也能以１５０％額定轉矩輸出，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生的信號，從而檢測電動機的實際轉速，實現零速抱閘。這樣就可以大大的延長制動器閘瓦、減速箱、鋼絲繩的壽命。

起升機構控制線路見咐圖紙：MQ4035-H1~MQ4035-H3；

在起升機構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，反轉端子，其中1號或2號端子與11號公共端子接通時，電動機作正轉或反轉運行，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，實際設計也是故障復位，所以變頻器參數中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。變頻器中參數相應改為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號端子由常開變為常閉信號，信號反饋到PLC使起升機構停止工作。

（2）變幅機構

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

（3）旋轉/行走機構

旋轉機構控制線路見咐圖紙：MQ4035-S1~MQ4035-S3；
行走機構控制線路見咐圖紙：MQ4035-G1~MQ4035-G3；

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

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

在本起重機工作中，防止事故的發生，旋轉與行走機構是不能同時運行的。且經計算，旋轉總功率為：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速，使用CIMR-G5A4075變頻器，利用交流變頻調速，開環V/F控制模式。

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四、結后語

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

1、制動器閘瓦損耗少，制動輪無磨擦發熱現象。
2、在機械機構方面，減速器和傳動部份噪音減少了。
3、在節能方面，改造前每月用電量6640度左右，改造后用電量5680度左右，大概節約了14.5%。
4、改造后經過一段時間檢查，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、據司機駕駛反應，整機運行中較平穩，工作效率也相對提高。

致謝：

在撰寫中得到了廣東工業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！