1引言
橋式起重機作為物料搬運機械在整個國民經濟中有著十分重要的地位。經過幾十年的發展，我國橋式起重機製造廠和使用部門在設計、製造工藝，設備使用維修、管理方面，不斷積累經驗，不斷改造，推動了橋式起重機的技術進步。但在實際使用中，結構開裂仍時有發生。究其原因是頻繁的超負荷作業及過大的機械振動衝擊所引起的機械疲勞。因此，除了機械上改進設計外，改善交流電氣傳動，減少起制動衝擊，也是一個很重要的方面。由於傳統橋式起重機的電控系統採用轉子迴路串接電阻進行有級調速，致使機械衝擊頻繁，振動劇烈，因此，電氣控制上採用平滑的無級調速是解決問題的有效手段。
2橋式起重機的工藝要求
2.1橋式起重機的主要技術參數
(1)起重機：15/3t
(2)工作速度：
起升速度：8～20m/min；
小車速度：30～50m/min；
大車速度：80～120m/min。
2.2提升機構與移動機構對電氣控制的要求
為了提高起重機的生產率和生產安全，對起重機提升機構電力拖動自動控制提出如下要求：
(1)具有合適的升降速度，空鉤能快速升降，輕載提升速度應大於額定負載的提升速度。
(2)具有一定的調速範圍，普通起重機調速範圍為3:1，對要求較高的起重機，調速範圍可達(5～10):1。
(3)適當的低速區，提升重物開始或下降重物到預定位置附近，都需要低速。為此，在30%額定速度內應分成幾檔，以便靈活操作。高速向低速過渡應逐級減速，保持穩定運行。
(4)提升的第一檔為預備檔，用以消除傳動間隙，將鋼絲張緊，避免過大的機械衝擊。但預備級的起動轉矩不能大，一般限制在額定轉矩的一半以下。
(5)負載放下時，依據負載大小，拖動電動機可以是電機狀態、倒拉反接制動狀態與再生髮電制動狀態。
(6)為了安全，有機械抱閘的機械制動，以減輕機械抱閘的負擔。不允許只有電氣制動而無機械制動，不然發生電源事故停電時，在無制動力矩作用下，重物將自由下落，造成設備或人身事故。
大車運行機構與小車運行機構對電力拖動自動控制的要求比較簡單，只要有一定的調速範圍，分幾檔進行控制即可。為實現準確停車，應採取制動停車。
2.3起重機數字化控制系統的簡述
該系統通過主令控制器給定plc的速度信號來對整個系統進行調速，橋式起重機大車、小車、主鉤、副鉤電動機都需獨立運行，大車為兩台電動機同時拖動，所以整個系統有5台電動機，4台變頻器，並由1台plc分別加以控制。
可編程序控制器：完成系統邏輯控制部分控制電動機的正、反轉調速等控制信號進入plc，plc經處理后，向變頻器發出起停、調速等信號，使電動機工作，是系統的核心。
變頻器：為電動機提供可變頻率的電源，實現電動機的調速。
制動電阻：起重機放下重物時，由於重力加速度的原因電動機將處於再生制動狀態，拖動系統的動能要反饋到變頻器直流電路中，使直流電壓不斷上升，甚至達到危險的地步。因此，必須將再生到直流電路里的能量消耗掉，使直流電壓保持在允許範圍內。制動電阻就是用來消耗這部分能量的。
3系統設備的選用
3.1電機的選擇
起重機提升和運行機構的調速比一般不大於1:20，且為斷續工作制，通常接電持續在60%以上，負載多為大慣量系統。嚴格意義上的變頻電機，轉動慣量較小，響應速度較快，可工作在比額定轉速高出很多的工況條件下，這些特性均非起重機的特定要求。普通電機與變頻電機在不連續工作狀態下特性基本一致；在連續工作時考慮到冷卻效果限制了普通電機轉矩應用值，普通電機僅在連續工作時的變頻驅動特性比變頻電機稍差。
普通變頻器在調度比為1:20的範圍內確保起重機上普通電機有150％的過載力矩值。此外起重機電機多用於大慣量短時工作制，通常不工作時間大於或略小於工作時間。電機在起動過程中可承受2.5倍額定電流值，因此高頻引起的1.1倍電流值可不予考慮。但若電機要求在整個工作周期內在大於1:4的速比下持續運行則必須採用風冷式電機。
作為提升機構的電機選用適合頻繁起動、轉動慣量小、起動轉矩大的變頻用電機。目前，國外以四極電機作變頻電機首選極數。電機功率為：
式中p——功率，kw；
w——額定起重量(最小幅度時)＋吊釣重量＋鋼絲繩重量，n；
v——提開速度，m/s；
η——機械效率。
用變頻器驅動非同步電動機時，由於變頻器的換向衝擊電壓及開關元件瞬間的開閉而產生衝擊電壓(浪涌電壓)引起電機絕緣惡化，對電壓型pwm變頻器應盡量縮短變頻器與電機間接線距離或者考慮加入阻尼迴路(濾波器)。
電動機功率的選擇，必須根據生產的需求來決定。一般來說，起重機用電動機比一般工業生產機械所用的電動機的功率大10%左右。
電動機的選擇取決於下面兩個主要條件：
(1)發熱。電動機在工作時，一方面將電能轉變為機械能而作功，另一方面由於電動機繞組本身的阻抗要消耗一部分電能轉變成熱能，使電動機的溫度升高。電動機由於受體積結構等的限制，內部絕緣材料的耐熱能力很差，極易造成老化。當溫度超過電動機所允許的限度時，絕緣能力被破壞，電動機將燒毀。電動機銘牌上都規定有電動機的溫升，它指的是電動機在額定負載下運行時，定子發熱后的允許溫升與周圍環境溫度之差。
(2)過載能力。各種電動機都有一定的過載能力。交流電動的過載能力tm是最大轉矩m與額定轉矩mc的比值，即一般起重機用的交流非同步電動機的過載能力為2.5～3.3。交流電動機的過載能力為：式中，imax——電動機允許的最大電流值；
ic——電動機的額定電流值。
各種電動機的過載能力可從設計手冊中查得。
電動機因過載而發生溫升需要有一段時間，從發熱方面來說，容許有短時的過載。但就過載能力而言，即使在很短時間內也是允許的。所以發熱和過載能力必須同時考慮。
橋式起重機的電氣傳動系統有大車電動機兩台、小車動機一台、15噸大鉤、3噸小鉤提升電動機各一台，這次設計總的思路是用4台變額器來控制5台電機。根據分析計算后電機的基本選型見表1。表1電機的選擇
3.2plc的選型
3.2.1在選擇plc時的注意要點
(1)根據生產工藝要求，分析被控對象的複雜程度；
(2)對i/o點數和i/o點的類型(數字量、模擬量等)統計；
(3)適當進行內存容量估計的基礎上，確定留有適當的余量而不浪費資源的機型(小、中、大形機器)；
(4)結合市場情況，考察plc生產廠家的產品及其售後服務、技術支持、網路通信等綜合情況，選定價格性能比較好的plc機型。在plc實際應用中，是以其為控制核心組成電氣控制系統，實現對生產、工業過程的控制。
3.2.2選型時的注意事項
(1)在plc選型時主要是根據所需功能和容量進行選擇，並考慮維護的方便性，備件的通用性，是否易於擴展，有無特殊功能要求等。
(2)plc輸入/輸出點確定：i/o點數選擇時要留出10%～15%的余量。
(3)plc儲存容量：系統有模擬量信號存在或進行大量數據處理時容量選擇大一些。
(4)儲存時間、維持時間：一般儲存期保持1～3年(與使用次數有關)。若要長期或斷電保持應選用eeprom儲存(不需備用電源)，也可選外用儲存卡盒。
(5)plc的擴展：可通過增加擴展模塊，擴展單元與主單元連接的方式。擴展模塊有輸入單元、輸出單元，輸入/輸出一體單元。擴展部分超出主單元驅動能力時應選用帶電源的擴展模塊或另外加電源模塊給予支持。
(6)plc的聯網：plc的聯網方式分為plc與計算機聯網和plc之間互聯網兩種。與計算機聯網可通過rs-232c介面直接連接，rs-422+rs-232c。一台計算機與多台plc聯網，可通過採用通訊處理器，網路適配器等方式進行連接，連接介質為雙絞線或光纜；plc之間互聯時可通過專用通訊電纜直接連接，通訊板卡或模塊+數據線連接等方式。
(7)不要將交流電源線接到輸入端子上，以免燒壞plc。
(8)充分合理利用軟、硬體資源。
(9)不參與控制循環前已經投入的指令可不接入plc。
(10)多重指令空閑等待一個任務時，可在plc外部將它們並聯后再接入一個輸入點。
(11)盡量利用plc內部功能軟體，充分調用中間狀態，使程序具有完整連貫性，易於開發。同時也能減少硬體投入，降低成本。
(12)條件允許的情況下最好獨立每一路輸出，便於控制和檢查，也保護其它輸出迴路；當一個輸出點出現故障時只會導致相應輸出迴路失控。
(13)輸出若為正/反向控制的負載，不僅要從plc內部程序上聯鎖，並要在plc外部採取措施，防止負載在兩方向動作。
(14)plc緊急停止應使用外部開關切斷，以確保安全。
3.2.3plc型號的確定
本設計應用了德國西門子公司simatics7-300系列的plc進行控制。由於它有極強的通信功能，在大型網路控制系統中也能充分發揮其作用。設計中應用的i/o端子數分別是：輸入點數為56個，輸出點數為39個；根據要求選用的模塊如表2所示。表2plc模塊的型號
3.3主令控制器的選用
主令控制器主要用於要求按一定順序頻繁操縱的控制線路中，如繞線電動機按順序切除轉子附加電阻，也可實現與其它控制線路聯鎖、轉換的目的。它的結構與萬能轉換開關有些類似，也是通過手柄操作凸輪，使觸點按規定的接通表閉合或斷開電路，但其觸點對數較多。主令控制器的觸點沒有滅弧裝置，使觸點分斷能力只比按鈕稍大。
有觸點的主令控制器有兩種：一種是凸輪可以調整，另一種是凸輪不能調整。有觸點的主令控制器，對電路輸出的是開關量主令信號；無觸點的主令控制器(又稱無級主令控制器)，對電路輸出的是模擬量主令信號；無觸點主令控制器的內部是一個自整角機，其轉子由操作手柄帶動。
本系統選用的主令控制器的型號是lk5-052/2-1003。特點：lk5系列主令控制器適用於交流50hz電壓至380v及直流電壓至440v的電路中，主要用於各類型電力驅動裝置的遙遠控制，可以控制需要較多控制電路的聯鎖與轉換裝置，適合於頻繁操作任務。但它不適用於有化學活躍性，易燃氣體及充滿灰塵以及非常潮濕的場所。它的手柄在各操作位置時，各觸點閉合或斷開情況用表3來表示，表中「ⅹ」處代表觸點在該位置上閉合，空格代表觸點處於斷開狀態。表3主令控制器觸點接通表(lk5-052/2-1003型)
4結束語
橋式起重機變頻調速技術具有節能、減少機械磨損、啟動性能好等優點。
本文主要研究的是起重機數字化控制系統的設計，通過用主令控制器給定plc控制信號，該信號分別控制大車、小車、主鉤、副鉤的速度檔和行走方向，從而控制電機的方向和轉速，在變頻器的輸入端設定3個速度信號端子，然後通過plc編程式控制制來實現。
採用plc來控制，具有可靠和靈活的切換邏輯功能。plc與變頻器兩者的結合應用於橋式起重機控制系統中，具有很好的實用價值和顯著的經濟效益。
