基于PLC-变频控制的桥式起重机节能改造

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
【摘要】The bridge crane material handling indispensable in the development of national economy of transport equipment and industrial equipment installation.But the existence of the traditional bridge crane low conversion efficiency, high energy consumption,high cost,according to the characteristics of the crane, design of energy saving scheme of PLC- inverter,and put into operation and the energy efficiency testing, and achieves the expected objective.%桥式起重机械是国民经济发展中必不可缺的物料搬运输送设备和工业安装设备。

但是传统的桥式起重机存在转换效率低，能耗大，成本高等缺点，笔者根据起重机的特点，设计了PLC-变频节能方案，并投入运行和进行了能效测试，达到了预期的目的。

【期刊名称】《电子测试》
【年(卷),期】2014(000)008
【总页数】3页(P49-51)
【关键词】PLC;变频器;矢量控制;能效测试
【作者】李记叶;刘剑峰;张旭升
【作者单位】山东省特种设备检验研究院泰安分院 271000;山东省特种设备检验研究院泰安分院 271000;山东省特种设备检验研究院泰安分院 271000
【正文语种】中文
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。

参考文献
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