摘要： 大型起重机在很多领域都得到了广泛应用，但是由于大型起重机的运行环境较为复杂，为了保证起重机运行的可靠性，对起重机的控制要求越来越严格。传统的控制方式存在起动转矩小、调速范围窄的问题，对此引入了变频调速技术，结合 PLC 技术，形成一种新的控制方式，不仅可以降低起重机的维修成本，还可以提升运行质量。
关键词： 变频器;PLC;大型起重机;控制
0 引言
变频器具备一定的保护功能，当出现紧急故障如电流问题、接地问题，可以及时对系统起到一定的保护效果。变频器的抗冲击力也非常重要，在运转的过程中，利用运动转矩，对多段进行控制。所以，变频器的合理选择，不仅可以有效改善转矩的控制效果，还可以提升系统的运行效果。
1 起重机控制系统以及基本要求
1.1 控制系统
在使用起重机时，利用变频器和 PLC 对电气控制系统进行实时控制，借助制动单元完成能耗吸收和消耗配置，从而对电器元件起到一定的维护作用。从整体角度出发，启动系统主要利用凸轮进行控制，根据 PLC 进行特定指令的下达，调用 PLC 之前要完成对应程度的编写。整个体系流程如图 1 所示[1]。
1.2 基本要求
在关于起重机的设计规范中对起重机的设计要求具有明确的规定，当起重机处于高额定荷载的工作状态下，可以正常开展工作。如果供电系统发生了额定值波动，势必会提高额定载荷，不管载荷的位置在哪，都可以对系统进行实时控制，以保证程序的有序开展。这种方式也有效避免了溜钩发问题的发生，当然，如果控制方案合理，不管控制手柄居于哪一个位置，当开展工作后，都需要在额定荷载下保证额定的速度，可以引入变频器的方式，对变频器进行参数设定，以保证彼此之间的有效连接。当制动器线路发生异常，一定要立即采取措施，切段制动电源。在制动器线路中，对需要进行安全保护的装置进行配备，可以采用变频器或者 PLC 控制系统的方式，完成多点控制。每一个控制点都会产生一种连锁反应，因此不管在什么情况下，都必须只存在一个工作点[2]。如果发生了意外断电，控制系统要立即采取措施，对制动器给予保障，降低设备发生故障的几率。
2.2 变频器
变频器需要具备较好的起动转矩功能，且额定转矩需要具备较强的冲击性能。采用多段控制的方式，进行闭环控制，以满足机械的正常运行。功能齐全、接口标准，可以随时与外部进行通信和远程，动态制动效果要好，借助制动断续器实现制动功能，此方式可以有效缩短时长。
2.3 制动单元
系统在运行的过程中，变频器会发生制动转矩，电动机会接收到机械能，从而对部分能量进行处理。主要处理方式有：利用制动单元或者电阻的方式进行处理;在整流回馈装置的帮助下，将其能量反馈到电网中[3]。
3 起重机传动控制方式
3.1 变频调速的基本原理
3.2 恒压频比控制方式
在交流调速系统中，如果电机的电源频率发生变化，则电机的内部阻抗也会随着电源频率而发生改变，从而出发励磁电流发生改变。当电机的励磁不足或者过多时，都会发生一定的问题。励磁不足会造成电动机的转矩降低;励磁过多则会让电机出现磁饱和，影响电机功率的因数。因此，为了获取合适的转矩-速度，当改变电源频率时，需要采取对应的措施，以保证电动机的气隙磁通保持最佳状态。
4 起重机控制中变频器与 PLC 应用的特点
4.1 防止“溜钩”
4.1.1 主要功能
大型起重机的主要功能就是对大件物体进行运输。因此，对控制系统的功能要求要满足检测输入信号和控制输出。起重机的控制系统要完成输入检测、信号检测以及开关检测等功能。按钮检测，是通过人工操作台输入按钮进行检测，包括输入按钮、升降机构按钮、小车按钮和大车按钮。当电磁制动器发生动作后，会出现停止甚至是下滑的情况，这种情况成为“溜钩”。发生溜钩现象主要的原因就是当电磁制动器通电后发生突发情况，如断电;或者是变频器反馈值检测到有溜钩现象的发生。检测限位开关时，要对升降机构的上升/下降开关进行检测;对小车和大车的限位开关进行检测。
控制输出是指对电磁制动器进行控制，其目的是为了对重物进行控制，以完成对电磁制动器运行和停止的控制操作;小车电动机、升降机、大车电动机控制，都是对电动机的运行方向、运行情况等进行控制。溜钩问题是起重机在作业的过程中经常出现的一个问题，溜钩分为两种情况，一种是悬停，另一种是悬空。当重物发生悬停，首先要做的就是设定一个停止频率，如果变频器的工作频率低于设定的频率，变频器会发出信号，随后电磁制动器根据变频器发出的信号发出运行指令，经过延迟后，电磁制动器会抱住重物，使变频器的频率降低到原始状态;当发生悬空，需要设定上升启动频率命令，当变频器的工作频率与设定的值相重合，会停止上升操作，变频器会发出信号，然后电磁制动器根据变频器发出的信号进行运行，同样也需要延迟。电磁制动器松开重物后，变频器的工作频率会升高，直到符合标准频率为止。
4.1.2 总体设计
如果从安全角度考虑，当起重机在起动阶段，电动机处于闭合状态，则需要先通过变频器的励磁功能，找到打开力矩确认的方式，并对电动机的电流和力矩进行检测，当电流值达到阈值状态，则会打开抱闸，反之关闭抱闸。整个控制系统都是以 PLC 为核心，结合限位开关对控制面板进行检测，并利用按钮实现输入操作，从而完成对设备的控制工作，具体的设计流程如图 3 所示。
4.2 运行特点
4.2.1 变频器运行特点
变频器在起重机系统中的应用极为广泛，主要体现在：系统中的电动机具有优化磁通的功能，可以降低噪音，满足电动机日常的负载需要，从而提高运行效率。在整个运行过程中，系统的运行效率主要是根据电动机的负载情况进行操作，可以起到一定的提升效果;安装滤波器的目的是保护电动机的绝缘件，因为电动机在转动的过程中会产生电流脉冲，在电动机和变频器之间安装滤波器就可以起到对绝缘件的保护。同时，磁通制动还可以对系统的运行速度进行控制，从而保证系统的精度不受影响;利用 DTC 技术，可以在任何不适用的情况下实现对低电流的控制，从而完成系统的反馈。挂技术不仅可以让最大转矩达到额定转矩的 2 倍以上，同时更满足了在负载情况下，电动机对力矩的要求。
4.2.2 综合管理
通过控制电控系统，实现对起重机运行的控制。采用 PLC 电控系统，根据 PLC 强大的功能，实现对所有设备的自动控制。触摸屏功能可以第一时间反映故障的情况，实时反映系统的运行状态。此外，电控系统还可以实现对外电气元件的检测，提高系统操作的方便准确性。在实际使用过程中需要定期对系统进行维护，如定期进行电阻试验，定期进行直阻测试，这两种测试方式，主要针对的对象是电动机和变压器。在具体的测试过程中，如果直阻的测试数值超过触头温度，需要对其进行分解测试，考虑周围一切因素，并对其分析和检查后再次测试，直到达标为止。
5 变频器在大型起重机控制中的具体应用
物料搬运作为人类生产生活的重要组成，关系到人们的生存和发展。随着生产规模的不断扩大，自动化操作已经得到了全面普及。而起重机是作为物料搬运的重要设备，在现代化生产中的影响很大，因此对起重机的自动化操作要求也越来越高。起重机的发展取决于电气传动与控制系统，结合先进的电子技术，实现对起重机的自动化和智能化改进。以安川 A1000 变频器和西门子 S7-300 PLC 为例，分析两大设备在大型起重机中的应用。
5.1 电气系统设计
大型起重机的电气系统硬件接线图如图 4 所示。
在实际的系统应用中，PLC 主要是根据手柄的编码器发生变化，利用 PLC 的特殊曲线功能，得到不同的输出曲线，通过向变频器提供初级速度信号，得到反馈的力矩和电流。结合转动的惯量、负载转矩、手柄信号，确定最终的给定信号，并根据变频器的反馈信号完成闭环调整，使得变频器可以在 PLC 的控制下保持恒功率状态，达到提高生产效率的效果。同时，PLC 还可以根据变频器反馈的信息，对就周边的元件运行状态经监控，可以及时准确的检测出任何微小的异样，以保证设备的安全稳定运行。
5.2 闭环矢量控制
在起重机的控制系统中，变频器要想进行闭环矢量控制，需要严格遵循操作步骤。首先，上电之前与检查变频器的连接是否正确。确认电机状态，选择控制模式，进入到变频器菜单后，进行电机参数和编码器的参数设置;然后进行自学习，自学习结束后，变频器会显示最终的学习状态;起重机的变频器一般情况下是速度控制状态，要确认正反转是否正常。如果不正常，需要检查编码器与参数的设定是否正确;最后，为了保证大车的同步运行，可以将 2# 大车设置成转矩控制。如果电机的状态是正转，说明反馈不正常。此时需要将电机转矩设置为反转，操作方式为：将参数的外部转矩指令设置为极性反转指令;变频器多段速接线短接后会引出线接开关，当变频器正转后，开关断开，反之闭合。表 1 为起升 1# 大车变频器的参数列表。
5.3 分布式 I/O 设置
在大型起重机的自动化系统控制设计过程中，需要将过程的输入和输出集中在一起，将其统一集成到自动化系统中，如果输入和输出距离可编程控制器较远，则需要铺设长电缆达到通信的目的。如果是移动式的起重机设备，要想实现铺设功能难度较大，容易存在电磁干扰，从而降低系统的可靠性。分布式 I/O 设备，可以有效解决上述问题。通过控制 CPU，将 PLC 控制系统设定到中央位置，将 I/O 设备分别布置在不同的地方进行分布式运行，然后再通过现场总线 PROFIBUS-DP 的数据传输功能，完成设备的通信。
6 结束语
在起重机的设备控制中，应用变频器和 PLC，可以降低设备的维修成本，延长设备的使用寿命。传统的系统中，会频繁的进行接触器作业，导致接触器的触头损耗严重，不仅增加了设备的成本，同时让设备的寿命大打折扣。应用了变频器和 PLC，这些问题很好的得到了改善，提高了系统的运行效率。总而雅虎，变频器和 PLC 控制系统的引入，提高了系统的自动化水平，推动了起重机控制系统的更好发展。——论文作者：徐莉 XU Li
参考文献：
[1]林海文.解析变频器和 PLC 在大型起重机控制中的应用 [J].中国设备工程，2020(10)：97-98.
[2]杨鑫.大型起重机控制如何应用变频器和 PLC[J].科学与财富，2017(20)：79.
[3]凌夏楠.西门子 PLC 及变频器在铸造起重机控制系统的研究与应用[D].内蒙古：内蒙古科技大学，2017.
[4]罗晓霜.解析变频器和 PLC 在大型起重机控制系统中的应用[J].科学与财富，2020(22)：186.
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