基于 PLC与变频的桅杆式架梁起重机的电气系统设计论文

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　　摘要 ：桅杆式架梁起重机结构简单 、起重量大， 操作方便， 广泛应用于各类桥梁建设项目中的桥梁杆件吊装 。 目前， 桅杆式架梁 起重机传统电控系统中的继电器控制模式和串电阻调速模式已不能满足要求 。随着 PLC 技术和变频器驱动技术的发展，“PLC+变 频器”新型控制模式已经出现 。将这种新型控制模式引入桅杆式架梁起重机的电气系统设计中， 可以简化设计难度 、加快设计速 度 、方便后期安装调试， 提高起重机控制性能 。以 70 t 桅杆式起重机为例， 从电气系统控制方案和拖动方案设计出发， 介绍桅杆 式架梁起重机的结构形式， 采用全变频及 PLC 控制模式设计了“PLC+变频器”控制模式的电控系统， 并给出了详细的设计思路和 设计结果， 所提设计具有一定的实用性和借鉴意义。


　　Abstract: With its simple structure, large lifting capacity and convenient operation, mast girder erection cranes are widely used for liftingbridge poles in various bridge construction projects. At present, the relay control mode and series resistance speed control mode in thetraditional electric control system of mast girder crane can no longer meet the requirements . With the development of PLC technology andinverter drive technology, a new control mode of "PLC+inverter" has emerged. The new control mode was introduced into the design of theelectrical system of the mast girder crane, which could simplify the design difficulty, speed up the design, facilitate the later installation andcommissioning, and improve the crane control performance. Taking a 70 t mast crane as an example, starting from the design of the electricalsystem control scheme and the dragging scheme, the structural form of the mast girder crane was introduced, the electric control system wasdesigned using the "PLC+ converter" control mode using full frequency conversion and PLC control modes , and the detailed design ideas andresults were provided. The proposed design has certain practicality and reference significance .

　　Key words: mast crane; PLC; frequency converter; electrical system

　　0 引言

　　在桥梁建设过程中， 桥梁架设装备需要满足安装空 间小 、作业覆盖面大 、装备自重对桥梁结构稳定性影响 弱， 设备造价及施工成本低等使用要求， 因此可选的桥 梁装备范围和拼装工艺工法十分有限 。以垂直桅杆为主 承载构件的桅杆式架梁起重机， 因其具有作业覆盖面大、 自重轻 、回转空间小 、结构紧凑 、起重能力大， 并能满 足桥梁零号节段和合拢节段复杂拼装工况施工要求的特 点[ 1]， 而被广泛应用于我国的桥梁建设中 。在早期的起 重机电气系统中， 主要采用以继电器 、接触器 、主令器 件为核心的逻辑控制模式， 这种模式电控系统规模大、 线路复杂 、节点多 、维修难 、安全可靠性低 。传统起重 机电机驱动模式虽然方式多， 但是控制精度差 、起动力 矩小， 启动电流大， 特别是启动和挡位变化时， 为有级变速， 对设备结构冲击大 。在使用时对设备和桥梁本身 均存在隐患 。近年来， 随着起重机装备越来越多地从传 统的“继电器+接触器”的控制模式发展为“PLC+变频 器”控制模式， 实现了起重机变频无级调速和智能控制， 同时电气规模的减小， 结构的简化， 调试的灵便和极高 的系统稳定性已经在起重机制造领域得到认可。

　　本文以 70 t 桅杆式起重机为工程实例， 重点介绍桅 杆式架梁起重机的电气系统控制方案和拖动方案设计， 以及关键参数的选取设置， 阐述起重机电气系统设计和 元件选择等， 以供同类桅杆式架梁起重机电气系统设计 参考。

　　1 起重机系统主要组成

　　桅杆式架梁起重机主要由吊臂 、立柱 、斜撑 、转盘、 底盘 、起升机构 、变幅机构 、走行机构 、后锚系统 、电气控制系统和司机室等组成， 桅杆式架梁起重机结构示 意如图 1 所示 。在桥梁施工时， 根据桥梁特点和架设拼 装工艺要求， 桅杆式架梁起重机可安装在大型驳船或主 桁梁上 。武汉天兴洲长江大桥主塔 0 号节段与合拢节段 均使用安装在大型驳船上的 120 t 桅杆起重机， 采用杆件 散拼工法完成施工 。南京大胜关长江大桥则采用主桁梁 上站位架梁模式工作 。桅杆式架梁起重机， 具有提升、 变幅 、 回转 、底盘调平 、整机前移和定位锚固的功能 。 特别是起重机在钢桁拱形梁上工作时， 底盘可随拱形坡 度变化进行调整保持上平面水平状态。

　　2 电气系统组成

　　桅杆式架梁起重机电气系统主要由电源系统 、主钩 系统 、副钩系统 、变幅系统 、回转系统 、走行电液站系 统 、PLC 控制系统 、安全保护监控系统和照明系统等组 成 。桅杆式架梁起重机电气系统结构如图 2 所示。

　　( 1 ) 电源供应系统： 整机采用三相五线制外接电源供电， 电源电压波动在±10% 范围内， 设备总功率 180 kW。 供电方式一般采用电缆直接敷设 。因起重机需沿桥面施 工前移， 进线电缆长度应预留， 进线电缆规格也应考虑 远距离供电的压降损耗 。其中控制电源使用单相变压器 将 AC400 V 供电电压转换为 AC220 V 电压， 给控制系统 供电， 再通过直流开关电源获得 24 V 直流电压供应。

　　( 2 ) 主/副钩驱动系统： 主钩机构驱动采用一台 YZ ‐ PF280M-6 型变频电机， 功率为 75 kW 。副钩机构驱动采 用一台 YZPF225M-6 型变频电机， 功率为 37 kW 。主/副 钩驱动变频器采用矢量控制， 初步设定三级三挡速度 (一挡 20 Hz 、二挡 30 Hz 、三挡 50 Hz， 挡位频率可根据现场情况调整速度)。

　　( 3 ) 变幅驱动系统： 变幅机构驱动采用一台 YZ ‐ PF280M-8 型变频电机， 功率为 55 kW 。工作原理同主/ 副钩驱动系统 。根据控制要求， 主钩驱动机构和变幅驱 动机构不需要同时动作， 可采用主钩驱动机构与变幅驱 动机构共用一台变频器方案， 节省制造成本， 变频器启 动第二电机参数功能完成设置。

　　( 4 ) 回转驱动系统： 回转机构驱动采用两台 YZ ‐ PF200L-8 型变频电机， 单台电机功率 15 kW 。 由一台变 频器驱动两台电机 (左右各一台)， 采用矢量开环控制模 式， 初步设定三级三挡速度 (一挡 20 Hz 、二挡 30 Hz、 三挡 50 Hz， 挡位频率可根据现场情况调整速度)。

　　( 5 ) 走行电液驱动系统： 由一台 30 kW 电机驱动液 压泵， 通过操控液压阀实现起重机步履走行， 液压泵电 机采用星三角降压启动模式。

　　( 6 ) PLC 控制系统： 采用西门子 S7- 1200 系列可编 程控制器为控制核心， 根据安装及控制需求， 在司机室 和集装箱式电控房内分别设置两组 PLC， 构成主从控制， 主站设置在司机室内 。另司机室内设置触摸屏可实时显 示起重机状态。

　　( 7 ) 安全保护监控系统： 起重机主/副起升 、变幅卷 扬机上安装有上下限位接近开关或过欠缠绕限位开关， 同时安装有力矩限制器， 当相关机构运行到极限位置时 或吊重力矩超过设定值时， 可自动切断运行， 使机构只 能向安全方向动作， 并且发出声光报警， 以提醒操作人 员 。另根据现场施工情况， 设置视频监控摄像头若干， 在司机室内集中显示 。方便操作者观测现场情况。

　　( 8 ) 照明系统： 为满足夜间施工工况需求， 设置 20 盏施工照明灯具， 主要设置在司机室顶部 、电气房 、卷 扬机 、滑轮组 、液压站 、施工作业面等关键部位， 同时 可根据现场情况进行调整。

　　2.1 PLC 控制系统

　　桅杆式架梁起重机的控制核心是 PLC 系统， 桅杆式 起重机的操作控制均通过该系统来完成 。PLC 选型时遵 循以下原则[2]：

　　( 1 ) 计算 I/O 点数量时应有足够的备用余量， 通常保 证 15% 的备用量， 但由于选用的控制器具备 I/O 模块的扩 展功能， 因此只要考虑控制器自带 I/O点数的最大能力， 设计柜体时在控制器右侧留出备用模块的扩展空间即可;

　　( 2 ) 适当的存储器容量;

　　( 3 ) 具有数学运算 、逻辑控制和通信等功能;

　　( 4 ) 内部寄存器的配置和容量;

　　( 5 ) 编程指令的种类及功能。

　　本设计为方便电气系统施工安装， 提高信号传输速 度和系统抗干扰能力 。采用 PLC 主从网络控制模式， PLC 系统组态如图 3 所示。

　　主站 PLC 设置在司机室内， 根据主站 I/O点数量需求， 中央处理单元选用西门子 S7- 1200 系列 CPU1215C 模 块， 另根据 I/O 需求扩展 1 台 SM1223 数字量扩展模块， 扩展 1 台 SM1231 模拟量扩展模块 。CPU1215C 中央处理 单元具有两个以太网口， 14 个数字量输入端口 、10 个数 字量输出端口 。配合扩展模块， 主站系统可满足与触摸 屏 ( KTP1200basic PN) 和从站 PLC 系统的网络组态构建 要求 。 同时也能满足主令控制器信号 、大风报警信号、 力矩限制信号 、报警指示 、运行指示等系统控制需求 。 西门子触摸屏， 显示界面大 、图形控件丰富 、分辨率高， 方便操作者对起重机参数的读取和操作。

　　从站 PLC 系统设置在集装箱式电控房内， 中央处理 单元选用型号为西门子 S7- 1200 系列CPU1214C， 另根据 I/O 需求扩展 2 台 SM1223 数字量扩展模块 。该从站处理 控制的信号主要包括变频器故障信号 、变频器制动信号、 限位信号 、各高 、低制动器开闭信号 、变频器端子信号、 液压站液压阀控制信号 、报警信号等。

　　2.2 电气驱动系统

　　传统起重机调速方式很多， 但性能较差， 起停或换 挡时对机械结构冲击大 。起重机在重载停止或二次起升 工况时容易出现下滑状况 。变频器具有无级调速 、启动 电流冲击小 、启动转矩大 、高效节能 、工作稳定等特点， 配合 PLC 使用可以使整个系统更加灵敏精确， 实现智能 控制 。按照桅杆式架梁起重机的使用需求， 起重机工作 时要求起制动冲击小， 同时可满足钢结构拼装时的精确 对位和微动调整功能， 在整体长行程吊装时工作平稳， 在起重机空钩时可实现 2 倍数起降运行以提高工作效率。 桅杆式架梁起重机电气驱动系统采用全变频器驱动方式 可以满足控制需求。

　　( 1 ) 变频器的选用

　　主/副钩机构 、变幅机构工作时为位能性恒转矩负 载 。变频器驱动系统可以满足起重作业高起动转矩 、低 速满转矩 、转矩建立时间短， 抱闸顺序可控等要求 。加 入速度闭环反馈时在零转速也能输出额定转矩， 不会出 现重物下滑 、溜钩现象， 变频器依靠优异的调控特性已 被广泛应用在起重行业 。本设计选用西门子 G120 系列变 频器， 体积小， 启动转矩大， 调控性能好， 与西门子 PLC 组网方便 。主钩与变幅机构工作时动作互锁， 因此可以共用一台变频器， 西门子变频器的 BICO 技术可实 现电机参数组自由切换， 解决不同功率大小电机共用一 台变频器的技术问题 。在变频器功率选择上， 为提高安 全性， 变频器功率应比电机功率高一个等级。

　　回转机构工作时为惯性负载， 其负载特性表现为惯 量大但变化小， 属于阻力性负载 。变频器选用价格较低 的日本安川 A1000 系类或西门子 MMC440 系列变频器 。 变频器采用压频控制方式或矢量开环控制方式均可以满 足控制要求 。因回转机构由两台电机进行驱动， 在变频 器功率选择上， 一般比两台电机功率和高一个功率等级。

　　( 2 ) 变频器控制

　　变频器调速具有数字量端子控制 、模拟量端子控制、 通信方式控制等多种方式 。针对起重机挡位操作要求， 一般采用多段速数字量端子控制方式 。变频器工作运行 时， 操作者通过操作手柄向 PLC 输入挡位及方向指令， PLC 接受都指令后综合起重机其他运行状态信号， 执行 预定逻辑输出， PLC 的输出指令信号通过小型中间继电 器控制给变频器外部控制端子 。通过变频器 I/O 端子开 闭组合， 控制变频器输出的频率和电机旋转方向 。本设 计选用西门子 G120 矢量变频器， 主钩/变幅变频器电路 如图 4 所示 。在调试时， 一般三级挡位速度分别初步设 定为 20% 、60% 、100% 的额定速度， 如有其他需求可根 据现场情况进行调整 。主钩/变幅变频器因存在变频器共 用问题， 在参数设置时， 首先设置： P0180=2 (驱动数 据组数量为 2 组)， P0705=99 (数字输入 5 使能 BICO 参 数 设 置)， 设 置 然 后 将 数 字 输 入 5 的 状 态 传 给 参 数 P0820. 即 P0820=722.5; 就可以通过数字端子 5 来实现 主钩和变幅电机参数的切换。

　　2.3 起重机安全监控系统

　　起重机的操作安全至关重要， 同时随着物联网技术 和信息管理技术的发展， 起重机安全监控系统也可以成为项目信息化管理平台的子系统 。桅杆式架梁起重机安 全监控系统主要由信息采集模块 、信息处理模块 、信息 输出模块 、人机界面模块 、通信模块组成 。具体如下。

　　( 1 ) 信息采集模块： 变频器 、各安全限位开关 、 回 转开关 、高度开关 、过欠缠绕开关 、编码器 、力矩传感 器 、风速器 、摄像头等。

　　( 2 ) 信息处理模块： 力矩限制器、上位工控机、PLC。

　　( 3 ) 信息输出模块： PLC 、力矩限制器。

　　( 4 ) 人机界面模块： 司机室操作台视频显示器 、触 摸屏 、信息化管理平台主机显示器

　　( 5 ) 通信模块： 光纤 、路由器 、交换机 、无线通信 设备。

　　起重机安全监控系统总体框架如图 5 所示。

　　3 应用效果

　　该设计方案已在安庆桥项目上应用， 效果显著 。起 重机主钩起重吨位 70 t 、主钩起升速度 0 ~ 5 m/min; 副 钩起重吨位 15 t， 副钩钩起升速度 0 ~ 11 m/min 。空钩或 轻载情况可实现双倍速工作， 5 ~ 10 min 可实现主钩完全 下放， 工作效率提高 50% 以上， 同时也解决了空钩下放 难的问题 。通过 PLC 和变频器的应用引入， 首先将原系 统 1 200×2 000×500 电控柜 4 组缩减为 2 000×2 000×1 000 集装箱式电控柜一组 。大型交流接触器和中间继电器数 量减少 70% 。规模的减小， 取消了原有的柜体间电气汇 联的安装工作， 极大地方便了电气系统的成套和安装， 同时提高了系统工作稳定性 。集装箱式电控柜还具有优 良的防护性功能， 配合空调 、加热除湿器的使用， 可以 延长电气系统使用寿命 。其次起重机的启停 、制动 、加 减调速等过程平稳， 动作响应快， 吊装定位精确， 方便 桥梁拼装操作 。再次， 各种变频控制设备以及起重机运 行设备冲击减小， 使用寿命长， 能耗少， 主要元器件基 本实现长期使用 。另外， 经过变频调速应用， 调速系统 运行过程中的电流小， 系统节能 20% 以上 。除此之外， 由于变频控制系统运行得更加稳定， 能够有效降低在调 速控制的过程中， 电流不稳定造成对电网的冲击。


　　4 结束语

　　桅杆式架梁起重机在桥梁施工中的应用日益成熟，该装备有效地缩减了桥梁建设时间， 提高了桥梁建设速 度和效率 。随着我国装备技术的快速发展， 上海振华重 工集团先后于 2014 年和 2018 年设计研制出 500 t 桅杆式 起重机和 1 600 t 桅杆式起重机， 使我国桅杆式起重机技 术走在了世界的前列 。在技术装备的支持下， 我国桥梁 建设的中心也从内河建设向跨海桥梁建设转移， 这一些 都离不开装备研发的支持 。 电气控制系统作为桥梁装备 的关键， 负责操控 、检测桥梁装备各个机构的运行状态; 本系统设计采用全变频及 PLC 控制模式， 操控简单可靠。 通过本文的论述可知， 基于 PLC 和变频器的变频调速控 制能够有效解决传统桅杆式起重机控制存在的问题， 提 升控制系统的可靠性， 保障设备的正常安全运行 。桅杆 式起重机采用变频调速系统对结构冲击小 、调速性能优、 节能效果好 、维修工作量小 、工作效率高 。对此电控系 统的总结为后续桥梁起重机电气系统的发展具有推广和 借鉴意义。

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