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摘要：采用可编程序控制器（PLC）和变频器对桥式吊车控制系统进行改进设计，实现起吊车的变频调速，达到设备安全可靠运行，减轻人员劳动强度、提高工作效率的目的。本文就PLC控制的变频调速在桥式吊车改造系统的应用进行分析探讨。
关键词：PLC；变频调速；桥式吊车
随着我国经济迅速发展的时代背景下，桥式吊车作为一种大型的搬运起重设备在人们生产生活中的应用越来越普遍。桥式吊车通过借助于变频器和可编辑控制器等控制器件，增加桥式吊车的自动定位功能，希望吊车这种功能的实现，能够提高吊车在具体生产生活应用过程中的工作效率。如在桥式吊车改造中采用变频技术进行调速，取消起动电阻，采用PLC控制系统减少动、断触点，可以改善电动机的起动条件，减少故障，简化控制和操作。下面，我们就PLC控制的变频调速在桥式吊车改造系统的应用进行介绍。
1、转子串接电阻调速和变频调速的比较
异步电动机转速的表达式为：
（1）式 中n，为空载转速；s 为转差率 1为供电电源频率；P为定子绕组的极对数。
根据式（1）要调节异步电动机的转速n，可以通过改变：定子绕组的极对数P；或供电电源频率 1或电动机的转差率（串接电阻、串级、变电源、滑差、脉冲等）来完成。
1.1转子串电阻调速
改变转子回路串人电阻值的大小，绕线式异步电动机可获得不同的转速。由于行吊是恒转矩负载，其机械特性如图1所示。
显然，转子所串电阻值越大，转速将越低。若忽略电动机机械损耗.则电动机的输出功率为：
（2）
式中， 为总机械功率 为电磁功率。
圈1异步电动机转子串电阻调速机械特性
n一转速；n1一空载转速；s一转差率；sN一额定转差率；s1、s2、s3、s4一串接不同电阻后的转差率；T一转矩；TL一负载转矩；TN一额定转矩；Tm一最大转矩；R2一转子电阻；rc1、rc2、rc3、rc4一串接的分段电阻。
调速时转子回路的效率为：
（3）
由式（3）可见，当转速调低时，s增高，转子回路总铜耗量增加，效率下降，因此经济性不佳。
1.2变频调速
三相异步电动机的相电压在忽略定子漏阻抗的情况下有：
（4）
式中，U1为三相异步电动机的相电压，E1为感应电动势，N1，KW1分别为转子绕组匝数和绕组系数， m为主磁通。
由式（4）可知，如果U1额定不变，降低 ， m将增大，引起磁路过分饱和而使励磁电流急剧增加，造成不良后果，并且功率因数降低，电动机功率得不到充分利用而造成浪费。因此降低电源频率时，应同时减小电源电压。
1.3 恒定定变频控制
保持 =常数， 常数。由电动机原理可知此时电动机的电磁转矩为：
（5）
式中， 为同步角速度， ，为定子绕组相数， 为转子电阻、电抗折算值。
最大转矩为：
常数 （6）
式中， 为转子静止时漏电感系数的归算值， 。
最大转矩时的转速降落：
常数 （7）
式中， 为最大转差率。
由式（6）、（7）可知， =常数变频调速时，各机械特性的 及△ 均与 无关，为一常数，由式（4）可绘出其机械特性如图2所示。
图2 E1 / 恒定调速机械特性n1、n2、n3、n4、n5一不同电源频率（f1-f2）时电动机空载转速
令不同 时 为常数，则由式（5）得：
常数
即 =常数=C1
由此可解出：
式中， 为常数。这时，电动机的转子电流为：
综上所述，当E1/ 恒定变频调速时，若电磁转矩不变，可充分合理地利用电动机，恰好满足恒转矩调速方式的要求，而且，调速范围大、平滑性较高。
2.变频器、PLC系统在行吊上的实例应用
2.1实例1
由于E1/ 恒定变频调速的优越性能，将其与PLC控制系统相结合，应用于一行吊的改造。其控制系统示意图如图3所示。
圈3 控制系统示意圈
利用4台变频器分别启动主升、辅升、大车、小车电动机，将变频器在控制过程中的实际信号以及操作控制信号、安全保护装置信号输人至PLC，充分利用PLC小型、可靠、快速、灵活的控制特点，通过软件编程优化系统控制并实现多种报警功能。
通过改造，变频、PLC控制系统具有明显的优点：
（1）电动机转子引出线直接短接，取消电阻箱，避免了因滑环碳刷磨损或腐蚀引起接触不良等造成电动机损坏或不能启动的故障。同时，由于电动机起动电流限制得较小，频繁起动和停止时电动机热耗减少，寿命延长。
（2）交流接触器、控制继电器数量大大减少、电动机运行实现了无触点化，避免了因触头频繁动作而烧损造成的电动机故障等，降低了維修费。
（3）采用了软起动和停止，避免了通常直接启动或用电磁制动器急刹车时所造成的振动，特别在加速时振动和冲击减小，减少了负载摇晃，实现平滑运行。
（4）变频调速系统机械特性硬，负载变化时各档速度基本不变。轻载时不会因操作不当而出现下降变为上升的失控现象。
（5）灵活设置各种故障报警功能，使操作工即时监控可能发生的故障，并方便检修、维护。
（6）节能效果明异.涌常节电25%～300。
2.2实例2
实现桥式吊车的自动定位功能，可以大大地降低吊车操作人员的劳动强度，提高吊车的工作效率。通过借助于变频器和可编辑控制器等控制器件，增加桥式吊车的自动定位功能，提高吊车在具体生产生活应用过程中的工作效率。以下就借助于变频器和PLC对桥式吊车自动定位程序控制系统的设计进行介绍。 2.2.1.桥式吊车场地模型
在对桥式吊车进行自动定位程序控制系统设计的时候，我们要根据吊车的具体场地来进行。这里，我们以某仓库为例，该仓库的桥式吊车安装在仓库大厅的顶部，可以把货物搬运到仓库的任意一个位置，具体的吊车场地模型如下图（图4）。其中，大长方形就代表仓库大厅。中间的一些矩形虚线框代表仓库大厅的一些功能分区，如B、C、D、E 等；D 区中的带圆圈的序号代表定位点；代表光电开关。这里我们主要以仓库 C区和 D区为例，对桥式吊车的自动定位进行设计。
图4 某仓库大厅平面示意图
2.2.2.桥式吊车控制系统
2.2.2.1桥式吊车控制系统的组成。
橋式吊车控制系统主要由可编辑控制器、光电开关以及变频器等部件构成，如下图（图5）。整个吊车控制系统的控制功能通过编制可编辑控制器用户程序来实现。在具体的操作过程中，操作员界面发出相关指令，进入到可编辑控制器，经过逻辑运算等处理后，利用变频器对大小车以及吊钩电机等进行控制，而吊车的具体位置信息通过光电开关进入可编辑控制器，从而实现定位点的自动对中。
图5 桥式吊车控制系统图
2.2.2.2桥式吊车的操作员界面。
桥式吊车的控制系统由控制柜和控制台两个操作界面组成，用于吊车控制和相关状态显示。控制台的具体操作界面如下图（图6）。其中，“米”字形图标代表的是大小吊钩和吊车的手动控制开关；“个位”、“十位”等图标代表的是状态波段开关，这些开关是用来对自动定位中的定位点编号进行选择的。
图6 桥式吊车控制台界面
2.3.桥式吊车自动定位设计
通过对桥式吊车进行自动定位设计，吊车的吊钩可以自动从仓库大厅的任何一个区域到指定的另外一个区域位置。具体设计如下。
2.3.1.仓库大厅分区和光电开关设置。
在大车方向设置KL 、KL 和 KL 三个光电开关，从而把仓库大厅分为 B、C、D、E四个功能区。然后在小车方向也设置KL 、KL 和KL 三个光电开关，把D 区分为 12排 336个定位点，每排三个，共四排。具体情况见图1。
2.3.2.桥式吊车自动定位的具体运行。
在一般情况下，吊车的吊钩沿着大车或者小车分时进行行走作业。但是，如果大小车能够同时行走，就能够以更快的速度到达指定的位置。具体来讲，当桥式吊车在自动运转的情况下，小车首先进行到KL 所对应的区域，这时小车停止运作，大车开始向目标位置移动，当大车达到目标位置之后，小车再向目标位置行进，而当小车也到达目标位置的时候就对中了目标位置。
总之，通过借助于变频器和可编辑控制器等控制器件，实现桥式吊车的自动定位功能，可以大大地降低吊车操作人员的劳动强度，提高吊车的工作效率。
3.结束语
通过以上的分析，用变频器、PLC系统控制桥式吊车的运行可大大提高运行的可靠性和平滑性，故障明显下降，维修工作量大为降低，减少维修费用，并且节能效果明显.是今后桥式吊车改造中应予以推广的一种方法。
参考文献：
[1]李自强，李光建，潘隆轩.桥式吊车多点自动定位程序控制系统设计[J].核动力工程.2010（01）：34-35.
[2]王志刚.桥式起重机自控系统设计及关键技术研究[D].长安大学.2009.
[3]刘小庆；基于PLC控制的变频调速在桥式起重机中的应用[D]；武汉科技大学；2005年
关键词：PLC；变频调速；桥式吊车
随着我国经济迅速发展的时代背景下，桥式吊车作为一种大型的搬运起重设备在人们生产生活中的应用越来越普遍。桥式吊车通过借助于变频器和可编辑控制器等控制器件，增加桥式吊车的自动定位功能，希望吊车这种功能的实现，能够提高吊车在具体生产生活应用过程中的工作效率。如在桥式吊车改造中采用变频技术进行调速，取消起动电阻，采用PLC控制系统减少动、断触点，可以改善电动机的起动条件，减少故障，简化控制和操作。下面，我们就PLC控制的变频调速在桥式吊车改造系统的应用进行介绍。
1、转子串接电阻调速和变频调速的比较
异步电动机转速的表达式为：
（1）式 中n，为空载转速；s 为转差率 1为供电电源频率；P为定子绕组的极对数。
根据式（1）要调节异步电动机的转速n，可以通过改变：定子绕组的极对数P；或供电电源频率 1或电动机的转差率（串接电阻、串级、变电源、滑差、脉冲等）来完成。
1.1转子串电阻调速
改变转子回路串人电阻值的大小，绕线式异步电动机可获得不同的转速。由于行吊是恒转矩负载，其机械特性如图1所示。
显然，转子所串电阻值越大，转速将越低。若忽略电动机机械损耗.则电动机的输出功率为：
（2）
式中， 为总机械功率 为电磁功率。
圈1异步电动机转子串电阻调速机械特性
n一转速；n1一空载转速；s一转差率；sN一额定转差率；s1、s2、s3、s4一串接不同电阻后的转差率；T一转矩；TL一负载转矩；TN一额定转矩；Tm一最大转矩；R2一转子电阻；rc1、rc2、rc3、rc4一串接的分段电阻。
调速时转子回路的效率为：
（3）
由式（3）可见，当转速调低时，s增高，转子回路总铜耗量增加，效率下降，因此经济性不佳。
1.2变频调速
三相异步电动机的相电压在忽略定子漏阻抗的情况下有：
（4）
式中，U1为三相异步电动机的相电压，E1为感应电动势，N1，KW1分别为转子绕组匝数和绕组系数， m为主磁通。
由式（4）可知，如果U1额定不变，降低 ， m将增大，引起磁路过分饱和而使励磁电流急剧增加，造成不良后果，并且功率因数降低，电动机功率得不到充分利用而造成浪费。因此降低电源频率时，应同时减小电源电压。
1.3 恒定定变频控制
保持 =常数， 常数。由电动机原理可知此时电动机的电磁转矩为：
（5）
式中， 为同步角速度， ，为定子绕组相数， 为转子电阻、电抗折算值。
最大转矩为：
常数 （6）
式中， 为转子静止时漏电感系数的归算值， 。
最大转矩时的转速降落：
常数 （7）
式中， 为最大转差率。
由式（6）、（7）可知， =常数变频调速时，各机械特性的 及△ 均与 无关，为一常数，由式（4）可绘出其机械特性如图2所示。
图2 E1 / 恒定调速机械特性n1、n2、n3、n4、n5一不同电源频率（f1-f2）时电动机空载转速
令不同 时 为常数，则由式（5）得：
常数
即 =常数=C1
由此可解出：
式中， 为常数。这时，电动机的转子电流为：
综上所述，当E1/ 恒定变频调速时，若电磁转矩不变，可充分合理地利用电动机，恰好满足恒转矩调速方式的要求，而且，调速范围大、平滑性较高。
2.变频器、PLC系统在行吊上的实例应用
2.1实例1
由于E1/ 恒定变频调速的优越性能，将其与PLC控制系统相结合，应用于一行吊的改造。其控制系统示意图如图3所示。
圈3 控制系统示意圈
利用4台变频器分别启动主升、辅升、大车、小车电动机，将变频器在控制过程中的实际信号以及操作控制信号、安全保护装置信号输人至PLC，充分利用PLC小型、可靠、快速、灵活的控制特点，通过软件编程优化系统控制并实现多种报警功能。
通过改造，变频、PLC控制系统具有明显的优点：
（1）电动机转子引出线直接短接，取消电阻箱，避免了因滑环碳刷磨损或腐蚀引起接触不良等造成电动机损坏或不能启动的故障。同时，由于电动机起动电流限制得较小，频繁起动和停止时电动机热耗减少，寿命延长。
（2）交流接触器、控制继电器数量大大减少、电动机运行实现了无触点化，避免了因触头频繁动作而烧损造成的电动机故障等，降低了維修费。
（3）采用了软起动和停止，避免了通常直接启动或用电磁制动器急刹车时所造成的振动，特别在加速时振动和冲击减小，减少了负载摇晃，实现平滑运行。
（4）变频调速系统机械特性硬，负载变化时各档速度基本不变。轻载时不会因操作不当而出现下降变为上升的失控现象。
（5）灵活设置各种故障报警功能，使操作工即时监控可能发生的故障，并方便检修、维护。
（6）节能效果明异.涌常节电25%～300。
2.2实例2
实现桥式吊车的自动定位功能，可以大大地降低吊车操作人员的劳动强度，提高吊车的工作效率。通过借助于变频器和可编辑控制器等控制器件，增加桥式吊车的自动定位功能，提高吊车在具体生产生活应用过程中的工作效率。以下就借助于变频器和PLC对桥式吊车自动定位程序控制系统的设计进行介绍。 2.2.1.桥式吊车场地模型
在对桥式吊车进行自动定位程序控制系统设计的时候，我们要根据吊车的具体场地来进行。这里，我们以某仓库为例，该仓库的桥式吊车安装在仓库大厅的顶部，可以把货物搬运到仓库的任意一个位置，具体的吊车场地模型如下图（图4）。其中，大长方形就代表仓库大厅。中间的一些矩形虚线框代表仓库大厅的一些功能分区，如B、C、D、E 等；D 区中的带圆圈的序号代表定位点；代表光电开关。这里我们主要以仓库 C区和 D区为例，对桥式吊车的自动定位进行设计。
图4 某仓库大厅平面示意图
2.2.2.桥式吊车控制系统
2.2.2.1桥式吊车控制系统的组成。
橋式吊车控制系统主要由可编辑控制器、光电开关以及变频器等部件构成，如下图（图5）。整个吊车控制系统的控制功能通过编制可编辑控制器用户程序来实现。在具体的操作过程中，操作员界面发出相关指令，进入到可编辑控制器，经过逻辑运算等处理后，利用变频器对大小车以及吊钩电机等进行控制，而吊车的具体位置信息通过光电开关进入可编辑控制器，从而实现定位点的自动对中。
图5 桥式吊车控制系统图
2.2.2.2桥式吊车的操作员界面。
桥式吊车的控制系统由控制柜和控制台两个操作界面组成，用于吊车控制和相关状态显示。控制台的具体操作界面如下图（图6）。其中，“米”字形图标代表的是大小吊钩和吊车的手动控制开关；“个位”、“十位”等图标代表的是状态波段开关，这些开关是用来对自动定位中的定位点编号进行选择的。
图6 桥式吊车控制台界面
2.3.桥式吊车自动定位设计
通过对桥式吊车进行自动定位设计，吊车的吊钩可以自动从仓库大厅的任何一个区域到指定的另外一个区域位置。具体设计如下。
2.3.1.仓库大厅分区和光电开关设置。
在大车方向设置KL 、KL 和 KL 三个光电开关，从而把仓库大厅分为 B、C、D、E四个功能区。然后在小车方向也设置KL 、KL 和KL 三个光电开关，把D 区分为 12排 336个定位点，每排三个，共四排。具体情况见图1。
2.3.2.桥式吊车自动定位的具体运行。
在一般情况下，吊车的吊钩沿着大车或者小车分时进行行走作业。但是，如果大小车能够同时行走，就能够以更快的速度到达指定的位置。具体来讲，当桥式吊车在自动运转的情况下，小车首先进行到KL 所对应的区域，这时小车停止运作，大车开始向目标位置移动，当大车达到目标位置之后，小车再向目标位置行进，而当小车也到达目标位置的时候就对中了目标位置。
总之，通过借助于变频器和可编辑控制器等控制器件，实现桥式吊车的自动定位功能，可以大大地降低吊车操作人员的劳动强度，提高吊车的工作效率。
3.结束语
通过以上的分析，用变频器、PLC系统控制桥式吊车的运行可大大提高运行的可靠性和平滑性，故障明显下降，维修工作量大为降低，减少维修费用，并且节能效果明显.是今后桥式吊车改造中应予以推广的一种方法。
参考文献：
[1]李自强，李光建，潘隆轩.桥式吊车多点自动定位程序控制系统设计[J].核动力工程.2010（01）：34-35.
[2]王志刚.桥式起重机自控系统设计及关键技术研究[D].长安大学.2009.
[3]刘小庆；基于PLC控制的变频调速在桥式起重机中的应用[D]；武汉科技大学；2005年