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40吨固定式起重机电控系统改造

本文主要是介绍了我公司一台40吨固定式起重机电气控制系统的改造情况。述说了整个系统的控制思路和电气元件的选取及要求。
关键词：PLC 变频器 继电器

概述：

本文以电气控制系统改造为题，进行一些探讨与分析，进行改造的起重机的机构主要分为：起升，变幅，旋转三大部分，但是不能行走，这样在生产中带来不便, 它的主要电气控制元件使用继电器和交流接触器。因为各机构电动机功率相当大，原系统采用了转子串电阻进行降压起动，调速也是通过切除转子所串电阻进行调速。转子串电阻方式调速范围窄，很难达到集装箱低速着地的要求。由于该机使用频率高、线路复杂、接头触点多、耗电量大、起动电流大等原因造成需经常更换交流接触器，导致故障率高，使该机存在运行质量低等弊端。这次改造中，主要是对起升、变幅、旋转三大机构的电控系统进行改进，并增加大车行走控制系统。在这次改造中整机的电气控制系统由我负责安装与调试。

我公司是外运系统中的一个仓码公司，以集装箱装卸业务为主，大型起重机装卸机械是我司主要的生产工具。随着我司业务的发展，一些旧设备日渐跟不上生产需要，必须对其进行改造，使其发挥最高效能。现我司有四台龙门吊及三台40吨固定式起重机，为了提高生产能力，促进我司的发展。在2003年10月我司对自编为3号的GQ4024集装箱固定式起重机进行改造，将其改造成MQ4035轨道式门座起重机，改造后提高了控制系统的自动化程度，简化操作，大大地提高了工作效率及方便了装卸船作业。下面分三部分对改造后电气系统进行叙述。

一、控制系统硬件配置

该机改造后的控制硬件配置主要由操纵手柄、PLC、变频器、电动机及其它电

气单元组成。如下（图1）所示：

我们采用日本欧姆龙PLC与日本安川变频器，取代了原有的电气元件。我利用PLC代替了继电器逻辑控制，使可靠性大为提高，用变频器调速解决了电机转子串联电阻调速存在的起动电流大、电气元件故障率高、调速范围窄的问题。

二、PLC控制系统

(1)PLC选择

PLC是通过监视输入信号和提供输出信号进行工作的，根据原系统现场输入，输出信号的作用及数量，结合改造要求选择PLC型号规格。通过对本机工况的了解，实际需要输入点84个，输出点需要40个。可选用欧姆龙C200HE系列PLC，输入模块选用IA222，16个点，输出模块选用OC225，16个点，但是考虑输入或输出点寿命的问题及日后系统扩展的需要，故实际中使用6个输入模块共96点，4个输出模块共64点。这样可以大大满足日后要求。



为了直观，看图方便，使用每一个模块分组设计，如咐图纸MQ4035—C2至MQ4035—C12所示。第一二组模块作为起升、行走、变幅、回转操纵手柄信号输入点，第三、四、五、六组作为各机构运行电路条件，保护限位，及机构保护回检测电路的信号输入点。第七、八组模块作为起升、行走、变幅、回转档位信号输出点。第九、十组模块作为中继及指示灯信号输出点。这样需要更换模块也比较方便。

（3）PLC软件的使用
PLC程序采用欧姆龙CX-Programm versin3.0软件程序来编写的，此软件可以分不同项目名称来进行编写的，项目分为：电源、起升、变幅、旋转、行走五部分编写，这样看起来比较直观，而且我们维修中也相当方便。具体梯形图请看咐梯形图纸的各部分程序。

三、变频器调速系统

在装卸作业中，机械是由电动机拖动运转的，电动机的运行总是和其各个机构联在一起的，电动机和工作机构两者之间的机械活动构成了一个机电运行整体，在选用变频器调速时考虑电动机特性与实际各机构中的应用。因本起重机有四个运行机构，不同的机构需选择各种不同功率的变频器。我们选择了日本安川公司VARIPEED—616G5系列高性能变频器。下面将具体从起升机构叙述变频器的控制原理，其它机构变幅、旋转、行走与起升基本相同。

（1）起升机构

在起重机中，其核心是起升机构，它是个位能变动性负载，因此，要求系统具有良好的动态性能，这样才能使货物平稳，安全可靠。如果利用原有绕线式电动机使用变频调速控制是很难满足条件的，故此电动机必需更换成更具有优越性，高性能的变频专用电动机，选用了132kw电动机，故选用型号为CIMR-G5A4185变频器。带PG—B2速度反馈卡进行闭环矢量控制，系统具有足够的硬度和良好的低频转矩特性。即使在０ＨＺ电动机也能以１５０％额定转矩输出，且速度控制精度达到１：１０００。因采用了变频器控制，制动器的松闸和抱闸都由变频器给出的信号来控制，采用闭环控制后，变频器中加了ＰＧ—Ｂ２速度反馈卡可以很好的检测到脉冲编码器发生的信号，从而检测电动机的实际转速，实现零速抱闸。这样就可以大大的延长制动器闸瓦、减速箱、钢丝绳的寿命。

起升机构控制线路见咐图纸：MQ4035-H1~MQ4035-H3；

在起升机构变频器的控制回路端子的连接电路图如下（图２）：

其中用到数子字输入端1号2号，多功能输入端子4、6、7、11号，多功能输出端子9、10、18、19号，其中1号和2号端子为变频器定义好的正转，反转端子，其中1号或2号端子与11号公共端子接通时，电动机作正转或反转运行，不接通时电动机停止。4号端子在变频器出厂时默认为故障复位，实际设计也是故障复位，所以变频器参数中H1—０２不用更改，６号端子７号端子分别定义为多速１、多速２。变频器中参数相应改为H1—０4=3 , H1—０5=4其中６号７号端子都与11号公共端子不接通时变频器输出速度1；6号端子与11号公共端子接通，7号不接通时，变频器输出速度2；6号不接通，7号接通时，变频器输出速度3；6号、7号端子都同时接通时，变频器输出速度4。其中在变频中d1-01、d1-02、d1-03、d1-04中分别设定4种速度的频率。9号10号端子为运行频率检出信号，则H2-01设为的37，有频率输出时9号10号端子接通。当变频器有故障时18号20号端子由常开变为常闭信号，信号反馈到PLC使起升机构停止工作。

（2）变幅机构

变幅机构控制线路见咐图纸：MQ4035-L1~MQ4035-L3；
变幅机构也是一个位能变动性负载，使用一台22KW变频专用电动机驱动。选用CIMR-G5A4037变频器，利用交流变频调速，开环V/F控制模式。

（3）旋转/行走机构

旋转机构控制线路见咐图纸：MQ4035-S1~MQ4035-S3；
行走机构控制线路见咐图纸：MQ4035-G1~MQ4035-G3；

（a）旋转机构：原旋转机构是2台22KW绕线式电动机，考虑改造中既要节约成本开支，又能满足技术和生产要求的情况下，将原来电动机不更换，分别把两台电动机的转子绕组抽头端子短接，去除原来的电阻不要，可实现变频调速的要求。

（b）行走机构：行走机构是非工作性机构亦是这次改造加装的机构，左腿与右腿共使用了8台变频专用电动机驱动。

在本起重机工作中，防止事故的发生，旋转与行走机构是不能同时运行的。且经计算，旋转总功率为：2台Ｘ２２ＫＷ＝４４ＫＷ；行走总功率为：８台Ｘ５．５ＫＷ＝４４ＫＷ；鉴于以上因素，故采用共用一台变频器调速，使用CIMR-G5A4075变频器，利用交流变频调速，开环V/F控制模式。

>>>本文相关图纸

四、结后语

本起重机改造后已运行有三个多月了，一切性能稳定良好，维护工作量也减小。与改造前比较有以下优点：

1、制动器闸瓦损耗少，制动轮无磨擦发热现象。
2、在机械机构方面，减速器和传动部份噪音减少了。
3、在节能方面，改造前每月用电量6640度左右，改造后用电量5680度左右，大概节约了14.5%。
4、改造后经过一段时间检查，钢丝绳磨损的程度大大减少。
5、通过使用PLC、变频器控制后，在检修中十分方便快捷。
6、据司机驾驶反应，整机运行中较平稳，工作效率也相对提高。

致谢：

在撰写中得到了广东工业大学梁耀光教授和刘守操教授等专家的具体指导，使我掌握了很多宝贵的知识，在此表示衷心的感谢！因水平能力不足，本文中难免存在不足之处，望各位专家、教授多多指正。谢谢！