解析变频器在大型起重机控制中的使用

徐莉

摘要： 大型起重机在很多领域都得到了广泛应用，但是由于大型起重机的运行环境较为复杂，为了保证起重机运行的可靠性，对起重机的控制要求越来越严格。传统的控制方式存在起动转矩小、调速范围窄的问题，对此引入了变频调速技术，结合PLC技术，形成一种新的控制方式，不仅可以降低起重机的维修成本，还可以提升运行质量。

Abstract： Large cranes have been widely used in many fields， but because of the operation environment of large cranes is more complex， in order to ensure the reliability of crane operation， the control requirements of cranes are more and more strict. The traditional control method has the problem of small starting torque and narrow speed regulation range， so the frequency conversion speed regulation technology is introduced， combined with PLC technology， forming a new control method， which can not only reduce the maintenance cost of the crane， but also improve the operation quality.

关键词： 变频器;PLC;大型起重机;控制

Key words： inverter;PLC;large crane;control

中图分类号：TH2;TM5                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）01-0076-03

0  引言

变频器具备一定的保护功能，当出现紧急故障如电流问题、接地问题，可以及时对系统起到一定的保护效果。变频器的抗冲击力也非常重要，在运转的过程中，利用运动转矩，对多段进行控制。所以，变频器的合理选择，不仅可以有效改善转矩的控制效果，还可以提升系统的运行效果。

1  起重机控制系统以及基本要求

1.1 控制系统

在使用起重机时，利用变频器和PLC对电气控制系统进行实时控制，借助制动单元完成能耗吸收和消耗配置，从而对电器元件起到一定的维护作用。从整体角度出发，启动系统主要利用凸轮进行控制，根据PLC进行特定指令的下达，调用PLC之前要完成对应程度的编写。整个体系流程如图1所示[1]。

1.2 基本要求

在关于起重机的设计规范中对起重机的设计要求具有明确的规定，当起重机处于高额定荷载的工作状态下，可以正常开展工作。如果供电系统发生了额定值波动，势必会提高额定载荷，不管载荷的位置在哪，都可以对系统进行实时控制，以保证程序的有序开展。这种方式也有效避免了溜钩发问题的发生，当然，如果控制方案合理，不管控制手柄居于哪一个位置，当开展工作后，都需要在额定荷载下保证额定的速度，可以引入变频器的方式，对变频器进行参数设定，以保证彼此之间的有效连接。当制动器线路发生异常，一定要立即采取措施，切段制动电源。在制动器线路中，对需要进行安全保护的装置进行配备，可以采用变频器或者PLC控制系统的方式，完成多点控制。每一个控制点都会产生一种连锁反應，因此不管在什么情况下，都必须只存在一个工作点[2]。如果发生了意外断电，控制系统要立即采取措施，对制动器给予保障，降低设备发生故障的几率。

2  器件选择

2.1 电动机

其中，P表示额定功率;PG表示起重负荷;K表示增容系数;v表示起升速度;m表示电动机的个数;η表示机构总效率。

2.2 变频器

变频器需要具备较好的起动转矩功能，且额定转矩需要具备较强的冲击性能。采用多段控制的方式，进行闭环控制，以满足机械的正常运行。功能齐全、接口标准，可以随时与外部进行通信和远程，动态制动效果要好，借助制动断续器实现制动功能，此方式可以有效缩短时长。

2.3 制动单元

系统在运行的过程中，变频器会发生制动转矩，电动机会接收到机械能，从而对部分能量进行处理。主要处理方式有：利用制动单元或者电阻的方式进行处理;在整流回馈装置的帮助下，将其能量反馈到电网中[3]。

3  起重机传动控制方式

3.1 变频调速的基本原理

3.2 恒压频比控制方式

在交流调速系统中，如果电机的电源频率发生变化，则电机的内部阻抗也会随着电源频率而发生改变，从而出发励磁电流发生改变。当电机的励磁不足或者过多时，都会发生一定的问题。励磁不足会造成电动机的转矩降低;励磁过多则会让电机出现磁饱和，影响电机功率的因数。因此，为了获取合适的转矩-速度，当改变电源频率时，需要采取对应的措施，以保证电动机的气隙磁通保持最佳状态。当定子阻抗上的压降没有达到定子电压，需要控制好电源和频率，让保持常数[4]。

此种控制方式不仅成本低，而且操作简单，适用于大多数场合，尤其是符合较小的工作机构。

4  起重机控制中变频器与PLC应用的特点

4.1 防止“溜钩”

4.1.1 主要功能

大型起重机的主要功能就是对大件物体进行运输。因此，对控制系统的功能要求要满足检测输入信号和控制输出。起重机的控制系统要完成输入检测、信号检测以及开关检测等功能。按钮检测，是通过人工操作台输入按钮进行检测，包括输入按钮、升降机构按钮、小车按钮和大车按钮。当电磁制动器发生动作后，会出现停止甚至是下滑的情况，这种情况成为“溜钩”。发生溜钩现象主要的原因就是当电磁制动器通电后发生突发情况，如断电;或者是变频器反馈值检测到有溜钩现象的发生。检测限位开关时，要对升降机构的上升/下降开关进行检测;对小车和大车的限位开关进行检测。

控制输出是指对电磁制动器进行控制，其目的是为了对重物进行控制，以完成对电磁制动器运行和停止的控制操作;小车电动机、升降机、大车电动机控制，都是对电动机的运行方向、运行情况等进行控制。溜钩问题是起重机在作业的过程中经常出现的一个问题，溜钩分为两种情况，一种是悬停，另一种是悬空。当重物发生悬停，首先要做的就是设定一个停止频率，如果变频器的工作频率低于设定的频率，变频器会发出信号，随后电磁制动器根据变频器发出的信号发出运行指令，经过延迟后，电磁制动器会抱住重物，使变频器的频率降低到原始状态;当发生悬空，需要设定上升启动频率命令，当变频器的工作频率与设定的值相重合，会停止上升操作，变频器会发出信号，然后电磁制动器根据变频器发出的信号进行运行，同样也需要延迟。电磁制动器松开重物后，变频器的工作频率会升高，直到符合标准频率为止。

4.1.2 总体设计

如果从安全角度考虑，当起重机在起动阶段，电动机处于闭合状态，则需要先通过变频器的励磁功能，找到打开力矩确认的方式，并对电动机的电流和力矩进行检测，当电流值达到阈值状态，则会打开抱闸，反之关闭抱闸。整个控制系统都是以PLC为核心，结合限位开关对控制面板进行检测，并利用按钮实现输入操作，从而完成对设备的控制工作，具体的设计流程如图3所示。

4.2 运行特点

4.2.1 变频器运行特点

变频器在起重机系统中的应用极为广泛，主要体现在：系统中的电动机具有优化磁通的功能，可以降低噪音，满足电动机日常的负载需要，从而提高运行效率。在整个运行过程中，系统的运行效率主要是根据电动机的负载情况进行操作，可以起到一定的提升效果;安装滤波器的目的是保护电动机的绝缘件，因为电动机在转动的过程中会产生电流脉冲，在电动机和变频器之间安装滤波器就可以起到对绝缘件的保护。同时，磁通制动还可以对系统的运行速度进行控制，从而保证系统的精度不受影响;利用DTC技术，可以在任何不适用的情况下实现对低电流的控制，从而完成系统的反馈。挂技术不仅可以让最大转矩达到额定转矩的2倍以上，同时更满足了在负载情况下，电动机对力矩的要求。

4.2.2 综合管理

通过控制电控系统，实现对起重机运行的控制。采用PLC电控系统，根据PLC强大的功能，实现对所有设备的自动控制。触摸屏功能可以第一时间反映故障的情况，实时反映系统的运行状态。此外，电控系统还可以实现对外电气元件的检测，提高系统操作的方便准确性。在实际使用过程中需要定期对系统进行维护，如定期进行电阻试验，定期进行直阻测试，这两种测试方式，主要针对的对象是电动机和变压器。在具体的测试过程中，如果直阻的测试数值超过触头温度，需要对其进行分解测试，考虑周围一切因素，并对其分析和检查后再次测试，直到达标为止。

5  变频器在大型起重机控制中的具体应用

物料搬运作为人类生产生活的重要组成，关系到人们的生存和发展。随着生产规模的不断扩大，自动化操作已经得到了全面普及。而起重机是作为物料搬运的重要设备，在现代化生产中的影响很大，因此对起重机的自动化操作要求也越来越高。起重机的发展取决于电气传动与控制系统，结合先进的电子技术，实现对起重机的自动化和智能化改进。以安川A1000变频器和西门子S7-300 PLC为例，分析两大设备在大型起重机中的应用。

5.1 电气系统设计

大型起重机的电气系统硬件接线图如图4所示。

在实际的系统应用中，PLC主要是根据手柄的编码器发生变化，利用PLC的特殊曲线功能，得到不同的输出曲线，通过向变频器提供初级速度信号，得到反馈的力矩和电流。结合转动的惯量、负载转矩、手柄信号，确定最终的给定信号，并根据变频器的反馈信号完成闭环调整，使得变频器可以在PLC的控制下保持恒功率状态，达到提高生产效率的效果。同时，PLC还可以根据变频器反馈的信息，对就周边的元件运行状态经监控，可以及时准确的检测出任何微小的异样，以保证设备的安全稳定运行。

5.2 闭环矢量控制

在起重机的控制系统中，变频器要想进行闭环矢量控制，需要严格遵循操作步骤。首先，上电之前与检查变频器的连接是否正确。确认电机状态，选择控制模式，进入到变频器菜单后，进行电机参数和编码器的参数设置;然后进行自学习，自学习结束后，变频器会显示最终的学习状态;起重机的变频器一般情况下是速度控制状態，要确认正反转是否正常。如果不正常，需要检查编码器与参数的设定是否正确;最后，为了保证大车的同步运行，可以将2#大车设置成转矩控制。如果电机的状态是正转，说明反馈不正常。此时需要将电机转矩设置为反转，操作方式为：将参数的外部转矩指令设置为极性反转指令;变频器多段速接线短接后会引出线接开关，当变频器正转后，开关断开，反之闭合。表1为起升1#大车变频器的参数列表。

5.3 分布式I/O设置

在大型起重机的自动化系统控制设计过程中，需要将过程的输入和输出集中在一起，将其统一集成到自动化系统中，如果输入和输出距离可编程控制器较远，则需要铺设长电缆达到通信的目的。如果是移动式的起重机设备，要想实现铺设功能难度较大，容易存在电磁干扰，从而降低系统的可靠性。分布式I/O设备，可以有效解决上述问题。通过控制CPU，将PLC控制系统设定到中央位置，将I/O设备分别布置在不同的地方进行分布式运行，然后再通过现场总线PROFIBUS-DP的数据传输功能，完成设备的通信。

6  结束语

在起重机的设备控制中，应用变频器和PLC，可以降低设备的维修成本，延长设备的使用寿命。传统的系统中，会频繁的进行接触器作业，导致接触器的触头损耗严重，不仅增加了设备的成本，同时让设备的寿命大打折扣。应用了变频器和PLC，这些问题很好的得到了改善，提高了系统的运行效率。总而雅虎，变频器和PLC控制系统的引入，提高了系统的自动化水平，推动了起重机控制系统的更好发展。

参考文献：

[1]林海文.解析变频器和PLC在大型起重机控制中的应用[J].中国设备工程，2020（10）：97-98.

[2]杨鑫.大型起重机控制如何应用变频器和PLC[J].科学与财富，2017（20）：79.

[3]凌夏楠.西门子PLC及变频器在铸造起重机控制系统的研究与应用[D].内蒙古：内蒙古科技大学，2017.

[4]罗晓霜.解析变频器和PLC在大型起重机控制系统中的应用[J].科学与财富，2020（22）：186.