浅谈桥式起重机电气控制设计

摘 要： 随着桥式起重机在现代化生产中的应用越来越大，对起重机的要求也越来越高。由于PLC在工业自动化中的应用越来越深入，并且其具有较高的工作可靠性，因此用PLC来代替传统的交流控制器已成为一种必然趋势。本文介绍了桥式起重机结构，重点阐述了电气控制系统中的变频器选择与PLC通信，同时对同步纠偏及安全保护等问题做了说明。

关键词： 桥式起重机；电气控制；变频器与PLC

1.桥式起重机结构及电气系统简介

1.1桥式起重机结构

图一 桥式起重机机构简图

起重机由大车电动机驱动沿车间两边的轨道作纵向前后运动，小车及提升机构由小车电动机驱动沿桥架上的轨道作横向左右运动，在升物时由起重电动机驱动作垂直上下运动，以实现重物在垂直、横向、纵向三个方向的运动。

1.2桥式起重机电气系统

PLC桥式起重机电气系统主要由六大模块组成：

（1）配电保护模块；（2）主起升机构模块；（3）副起升机构模块；

（4）大车运行机构模块；（5）小车运行机构模块；（6）PLC控制模块。

以上模块包括了PLC控制系统、变频器、同步与纠偏系统、制动器的控制和安全保护系统等。首先操控联动台上的主令控制器手动控制装置，通过MPI总线与PLC的CPU通信并获得所需信息，并把信号传递给PLC的输入模块，CPU内的程序对这些信号进行处理，再由输出模块输出控制信号到各种控制器中。各种控制器带动接触器，从而控制起重机各部分机构电机的启停及运行模式。同时各种保护信号如限位开关和过流继电器等也把反馈信号反馈到PLC模块，起到安全保护的作用。系统总图如二。

图二 系统总图

2.PLC桥式起重机电气控制系统设计

本文从变频器选择、PLC程序选择与设计、备用应急系统、电气同步与自动纠偏、安全保护5个方面介绍PLC桥式起重机电气控制系统的设计方法和步骤。

图三 通用桥式起重机控制回路原理图

2.1变频器选择

桥式起重机各机构选用三菱FR-A740系列变频器，相比于通用型变频器，其性能具有以下优点：

2.1.1软件性能更优化。核心控制程序针对变量负载在速度控制、转矩控制、电气制动等方面做了更深入的优化。

2.1.2安全性能好，自身保护功能齐全。如过流、过载和过压时都能及时报警及停车，并指示外部附件，提高了安全性能。

2.1.3具有限流作用，可以减少启动时对电网冲击，有利于车间内其它设备正常运行。

2.1.4零速全转矩功能。吊钩由运行状态降为零速时，系统先产生一定的转矩并确认转矩的产生，直到电磁制动器将电动机轴抱住为止，从而防止溜钩。

2.2 PLC程序选用及设计

根据初步确定输入输出信号的数量、参数和性能要求，PLC选用西门子S7-200CN系列 ，采用块式编程，除了具有极高的可靠性，丰富的功能指令集合外，还具有以下优点：

2.1具有 6个独立的30kHz高速计数器，高度换算功能，2路独立的20kHz高速脉冲输出用于将二进制码转换成起升高度，同时对起升高度偏差调整更加细微化，使起重机运行更加平稳。

2.2具有2个RS485通讯编程口，使得变频器开关量控制功能更强大，用于变频器起停和速度给定的开关量控制更加多样化；具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力，变频器通信控制功能增强，用于小车及起升变频器起停和速度给定及偏差修正控制能力更强。

2.3备用应急系统

为防止紧急情况下总线干缆上某点出现损坏，导致系统无法正常工作，系统中必须配备一套备用的控制系统，从而使得即使紧急情况下总线不能正常使用，作业也不会被停止。

目前一般桥式起重机PLC和变频器控制系统设置有两套控制系统，一套采用总线通信，用于正常的操作作业；另一套采用开关量控制，用于应急作业。遇到总线紧急情况时，PLC可以切换两套参数，将总线通信切换至开关量控制，并反馈给主操作界面总线通信故障信号。两套参数在作业速度给定上完全相同，从作业操作角度感觉不出两套参数的切换，在接受到报警信号之后排查总线通信故障。

2.4自动纠偏与电气同步

2.4.1对于双沟式桥式起重机，在启动作业模式后，系统进入自动纠偏模式，以保证双钩作业位置的同步。当偏斜量超过系统限定值后，纠偏指令发生器自动发出指令信号，系统自动进行纠偏。但PLC系统并不是动态实时纠偏，而是采用系统在PLC中设置两个阈值，阈值1用于启动双钩的自动纠偏，阈值2用于结束自动纠偏的方式进行。

2.4.2电气同步是在交流传动中，常采用带有均衡电机的电轴系统，实现电气同步。

2.5安全保护

2.5.1安全门开关连锁保护

在桥式起重机桥机两侧端梁及平台处设置3只安全门开关，只有门开关均闭合时，才允许桥机运行。在门开关没关的状态下，总接触器不能吸合，在总接触器吸合的情况下，打开门开关，总接触器断开。这些门任何一个打开，均会使控制回路分断而无法合闸，从而可实现桥式起重机工作人员免受起重机意外的突然起动所造成的危害。

2.5.2变频器部分的保护

选用的三菱FR-A740系列变频器本身具有短路、过载、过压、缺相、失速等多种保护和故障输出功能，起升及小车变频器当切换至总线控制方式时具有通信故障监视功能；

2.5.3行程保护

桥式起重机各部分机构均设有行程限位保护，包括主副起升、下降限位；大车左行、右行限位；小车前行、后行限位，到达限位时，切断对应方向电源，此时，该机构只能向相反方向运行。

2.5.4超载保护

当起重量达到额定起重量的95%时，开始报警，达到额定起重量的105%，报警并输出停止信号，此时，起升机构只能下降，不能上升。

3.总结

将PLC可编程控制和变频器控制技术综合起来应用于桥式起重机控制系统，可以使起重机的调速性能、节能和运行效率以及安全性方面得到明显提高。随着工业化进程的快速发展，PLC和变频器系统的桥式起重机正越来越多的运用在各个行业，其发展速度也是日新月异。

参考文献：

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[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].上海：上海工业大学出版社，2001.

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