浅谈PLC控制系统和变频器在大型起重机中的技术应用

吴亢（浙江省质量技术监督局，浙江杭州310013）

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。

变频器；PLC；起重机；控制

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。

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