在我国, 起重机械属于机电类特种设备, 是八大类特种设备中使用最广泛的一个种类。在起重机械领域, 大型起重机的在用设备数量、年新增设备数量以及增长率都是最低的, 但其经济价值及其所创造的经济效益却是最大的。大型起重机多用于港口码头、物流运输及电力工程建设等领域, 起重机的繁忙程度较高, 作业环境较恶劣, 且作业效率及作业质量要求较高。根据上述工况及需求来看, 大型起重机需要一套控制精度高、可靠程度强、使用维护成本低的控制系统。而传统意义的采用接触器、继电器作为控制元件的控制系统工作频率较低、 可靠性较差、能耗较高, 已不能满足大型起重机的需求。近年来, 应用变频器和PLC作为控制元件的控制系统已经在高端装备中使用, 并以其起动制动平稳、调速范围宽、节能优势明显等特点成为了前景广阔的控制系统, 也成为了大型起重机控制系统的发展趋势。
1变频器和PLC简介
PLC即是可编程序控制器, 由电源、CPU、输入输出等部分组成。它循环执行:采样输入信号~执行用户程序~控制输出, 对外部设备进行自动控制, 在自动化领域有广泛应用, 它可以用于控制变频器。PLC有丰富的指令, 如逻辑运算、移位、数学运算等, 是一种智能化控制系统。
变频器只是一种控制元件, 它能把工频 (50HZ) 变为其他频率, 用于控制电动机的转速。变频器使用前要设定一些参数, 如输出频率、工作模式、电流电压保护参数等, 但不需要、亦无法进行编程。它的输出频率可以设为固定值, 也可以由PLC动态控制。
2大型起重机用变频器和PLC技术分析
通用变频器一般采用电压~频率协调控制, 但这种控制会导致电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加, 从而造成励磁不足, 进而使电机不能获得足够的旋转力。在大型起重机的控制中, 为了弥补这个不足, 变频器需要通过提高电压来补偿电机速度降低而引起的电压降, 即变频器的转矩提升功能, 但是使用了转矩提升功能的变频器在低频时转矩常低于额定转矩, 在5Hz以下不能满载工作。而在起重机使用过程中, 特别是起升机构, 在低速时对转矩却又有严格要求, 否则会出现重物下滑、溜钩等情况, 影响正常的生产作业, 严重时会导致事故发生。因此起重机用变频器需要采用矢量控制的方式, 通过对电机端电压降的响应, 进行优化补偿, 在不增加电流的情况下, 允许电机产出大的转矩。这种功能对起升机构溜钩及低速性能有明显改善, 对改善电机低速时温升也有效, 完全适用于大型起重机。相比于通用变频器, 起重机用变频器应具有较强的过载能力、稳定精确的抱闸控制以及可以在高温等恶劣的环境中工作。
PLC技术具有可靠性高, 抗干扰能力强的特点, 但是应用于大型起重机的控制系统中, 毕竟是将硬件电路转化为了软件程序。一旦在执行中程序出现异常, 则会导致意外发生, 尤其是某些涉及安全的功能。起重机械的相关标准对此作出了规定, 要求起重机的急停功能以及安全保护的联锁信号应由硬件线路实现, 而不依赖于PLC。因此, 将PLC应用于大型起重机控制系统中, 需要在这些关键控制点采用软硬件的双重互锁设计, 从而提高系统的安全性和可靠性。
3变频器和PLC应用于大型起重机控制系统的方案
通过对大型起重机作业需求的分析, 可知若要实现对大型起重机的控制, PLC必须接受操作信号并进行综合处理, 并控制变频器输出信号, 从而控制电机工作。对于起升机构来说, 不但要求较高的转速及起制动的平稳程度, 而且对转矩的控制有比较严格的要求。具体的控制方案采用两个变频器分别控制两台起升电机, 控制方式采用矢量控制方式, PLC接受电机的旋转编码器经数模转换卡送达的反馈信号, 避免吊钩的下滑。由于运行机构的使用频率不高, 运行机构可采用一个变频器控制两台电机, 在调速控制中, 运行机构共用由一套系统来控制, 从而实现运行机构同步的要求。
4结语
大型起重机是物流运输和工业安装中不可或缺的工具, 其运行时质量和作业的效率非常重要。大型起重机的起动、制动以及起吊货物时的平稳程度决定了其作业质量, 而变频器和PLC技术可以从容地控制起重机达到平稳运行的目的, 因此将变频器和PLC技术应用于大型起重机的控制系统, 可以有效地提高大型起重机的作业质量和作业效率。而且, 变频技术可以使大型起重机的能耗明显下降, 具有更好的环保效益和社会经济效益, 是大型起重机的发展应用趋势。
摘要：介绍了大型起重机控制系统的原理及结构形式, 阐述了变频器和PLC控制技术及其应用, 分析了变频器和PLC控制技术应用于大型起重机的可行性。在大型起重机的实际使用过程中, 控制系统是影响起重机性能的关键因素, 决定着起重机的运行质量和工作效率。通过对大型起重机控制系统的需求分析, 结合多年来起重机械电气系统检验经验, 并参照相关技术规范的要求, 研究了变频器和PLC应用于大型起重机的控制策略。结合变频技术和PLC的控制原理, 设计了变频器和PLC应用于大型起重机控制系统的方案与具体措施。
关键词：变频器,PLC,起重机,控制
参考文献
[1] 王建华, 高海生.矩阵变频器研究综述[J].科技广场, 2006 (2) .
[2] 李志伟.浅议变频调速技术的应用[J].科技致富向导, 2010, (15) .
[3] 张玉之.变频调速技术在起重机调速系统中的应用[J].中国设备工程, 2009 (10) .