采用“变频器、PLC”改造老式塔机的方案

关键词：变频器、可编程序控制器、塔机管理软件

摘要：随着现代科技的迅猛发展，变频调速技术和可编程序控制器在电力拖动系统中得到广泛应有。采用变频调速技术取代老式变阻调速，实现塔机电机无机调速。采用可编程序控制器以程序控制取代交流接触器控制系统，提高了控制精度和系统的可靠性，进而实现了起重机的半自动化控制。本文主要阐述了采用“变频器、PLC”改造老式塔机的方法措施。

        塔机管理软件是基于组态软件开发出来的塔机管理程序。可以不断升级。运行于Windows XP/Vista系统。可同时对多台塔机进行管理。它能设置和显示各塔机运行工况并自动保存。可以直接设置日期、各机构运行速度、升降高度、小车行程、回转角度等参数。如果塔机故障，软件可自行检测并显示故障部位。在设备管理方面，利用人机界面，建立塔机工作“自动履历书”。它可按年、月、日、时、分、秒自动记录开机、关机、工作状况等参数。当塔机硬件安装完成，在塔机底部A箱连接电脑（RS-485通讯）启动管理软件，将运行数据写入塔机控制系统，塔机便按照新的数据运行。根据合同设定塔机使用日期，到期后塔机系统不再启动运行。

1、老式塔机系统分析

        原设备电气驱动系统分为主卷扬机、回转、大车、小车四部分。主卷扬机由一台50KW左右的绕线转子异步电动机驱动、回转和大车均由两台2.2KW异步电动机驱动、小车由一台2.2-3KW多级异步电动机驱动。在原传动控制中，采用转子串接电阻的调速方式。由于工作环境差，粉尘和有害气体对电机的集电环、电刷和交流接触器腐蚀性大，加上工作任务重，实际过载率高。由于冲击电流偏大，容易造成电动机或触头烧坏、电刷冒烟、电动机及转子所串电阻烧损和断裂等故障，影响现场生产和安全。工人维修量和生产的维修费用也很高。并且原调速方式机械性能较差，调速不够平稳，所串电阻长期发热浪费能量。综上所述原设备存在的主要缺点如下：

（1） 拖动电动机容量大，起动时电流对电网冲击大。

（2） 主卷扬机、回转、大车、小车起动停止速度过快，而且都是惯性负载，机械冲击也较大，机械设备使用寿命短，操作人员的安全系数较差，设备运行可靠性较低。

（3） 由于电动机一直在额定转矩下工作，而每次升降的负载是变化的，因此容易造成比较大的电能浪费。

（4） 起重机每天需要进行大量的装卸工作，由于绕线转子电机调速是通过电气驱动系统中的主要元件――交流接触器来接入和断开电动机转子上串接的电阻，切换十分频繁，在电流比较大的情况下，容易烧坏触头。同时因工作环境恶劣，转子回路串接的铜电阻因灰尘、设备震动等原因经常烧坏、断裂。因而设备故障比较高，维修工作量比较大。同样回转、大车、小车的运转也存在上述问题。

（5） 在起重机起升的瞬间，升降电机有时会受力不均匀，易过载，直接造成电机或传动机械损坏，甚至造成钢丝绳断裂。

（6） 为了适应起重机的工况，起重机的操作人员经常性反复操作，起重机的电器元件和电动机始终处于大电流工作状态，降低了电器元件和电动机的使用寿命。

（7） 起重机工作的协调性主要靠操作人员的熟练程度。由于升降、回转、大车、小车联动台控制器之间没有固定的联系，在起重机工作时操作人员劳动强度比较大，容易疲劳，易产生误操作。

2.变频器调速技术和特点

变频调速原理

交流电由输入端子进入变频器后，经整流滤波变换成直流电。再通过电子开关电路转换为频率和电压均可调的三相交流电，然后滤波输出供给电动机。

由电动机的转速公式：n=60f/p(n是电机转速、f为供电电源频率、p是电机的极对数)可知，改变供电电源频率即可改变电机转速。达到调速目的。

变频器可以使普通异步电动机实现无机调速。并具有启动电流小、启动平滑、对电机具有保护功能，、适应电源范围宽（304－460V），无相序要求。它还具有显著的节电效果。

2.2变频调速控制系统的优点

变频调速系统是通过改变电动机电源频率实现调速，多级转速切换时，电机转速将在加速时间或减速时间内完成。因此，即使电机在反向最高速突然切换到正向最高速时，电机也会在减速时间内将转速降至0，再在加速时间内将转速慢慢提起。不会对电动机及如何设备产生冲击。变频器的加、减速时间可以分别在0～66秒任意设定。

2.2.1变频调速控制系统的保护功能强

（1）变频调速控制系统以其体积小、通用性强、动态相应快、工作频率高、保护性能完善、可靠性好、使用方便等卓越的性能而优于以往的任何调速方式。

（2）使用变频器控制电动机运行，可以进行电机软启动，而让电机具有很快的动态响应并且实现无机调速。另外对电机的一些参数做到补偿。对电源的缺相、欠压、过压、过流等都能做到很及时，很准确的检测，而自动采取应变措施保护电机。

2.2.2工作可靠性显著提高，主要有一下几个方面

（1）电磁制动器寿命可大大延长。原拖动系统是在运动状态下进行抱闸的，采用变频调速后，是在基本停止后进行抱闸。闸皮磨损情况大为改善。

（2）联动台不易损坏。控制信号电流较大，属于易损件。采用变频调速控制系统后，联动台属于小信号处理（最大电流不超过2A）部分。不易损坏。

（3）控制系统故障率大为下降。原系统是由十分复杂的继电器、交流接触器系统进行控制，故障率较高。采用变频调速控制系统后，控制系统可大大简化，可靠性大为提高。

2.2.3节能效果十分可观

绕线转子异步电动机在低速运行时，转子回路的外接电阻消耗大量电能。采用变频调速控制系统后，非但外接电阻消耗的电能可以节约，并且在起重机放下重物时还可将重物释放的位能反馈给电源。

2.2.4调速质量明显提高

采用变频调速控制系统后，调速范围宽（闭环矢量型；1：1000，矢量型；1：100）、速度控制精度高（闭环矢量型；0.05％；矢量型；0.5％）并且调速平稳，能够长时间低速运行。具有很高的定位精度和运行效率。

2.2.5可简化传动链

由于可以进行无机调速，从而在机械上省去了非标设计的减速箱，使传动链结构简单，设计标准化。

3、可编程序控制器(PLC)

可编程序控制器（PLC）是在继电器和计算机控制的基础上发展起来的。它以微处理器为核心，是把自动化、计算机、通讯技术等融为一体的新型工业自动控制装置。采用功能强、可靠性高、通用性好、使用方便的可编程序控制器装置，是电动电控的发展方向，是提高工控系统电气控制水平的一条新路，更是提高产品质量一个行之有效的方法。

控制程序以阶梯图软件编写，在系统中完成塔机运行过程控制。输出点驱动设备运行，输入点读取控制信号和检测设备运行状态，构成闭环控制。

4、塔机改造的控制要点

在塔机控制系统中需要注意的是关于防止溜钩的控制。在电磁制动器抱住之前和松开之后的瞬间，极容易发生重物由停止状态下滑的现象，称为溜钩。

防止溜钩的控制需要注意的关键问题是：

（1）电磁制动器在通电到断电（或从断电到通电）之间是需要时间的，大约0.6秒（视型号和大小而定）。因而，变频器如过早的停止输出，将容易出现溜钩。

（2）变频器必须避免在电磁制动器抱闸的情况下输出较高频率，以免发生“过流”而跳闸的误动作。

为此，具体控制方法如下：

4.1重物在高空停止的控制过程

（1）设定一个“停止起始频率”FBS，当变频器的工作频率下降到FBS时，变频器发出一个“频率达到信号”控制电磁制动器断电。

（2）设定一个FBS频率的维持时间TBB，TBB长短应大于电磁制动器动作过程所需要的时间；

（3）变频器将工作频率下降至“0”。

4.2重物升降过程

（1）设定一个“升降起始频率”FRD，当变频器的工作频率上升到FRD时，将暂停上升。为了确保当制动器松开后，变频器已经能够控制住重物升降而不会溜钩，所以，在变频器达到FRD的同时，变频器将开始检测电流，并设定检测电流所需要的时间TRC；

（2）当变频器已经有足够大的输出电流时，将发出一个“松开指令”使电磁制动器开始通电；

（3）设定一个FRD频率的维持时间TRD，TRD的长短应大于电磁制动器从通电到松开所需要的时间；

（4）变频器工作频率上升到所需频率。

4.3变频器零速全转矩功能和直流制动励磁功能

（1）0速全转矩功能   变频器可以在速度为0的状