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摘要：桥式起重机又称天车，是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重机。天车是厂矿、仓库等部门常用的起重设备，在工业生产过程中起重举足轻重的作用。随着人们对天车自动控制系统的要求越来越高，PLC、变频器等控制技术在工厂设备中的应用越来越广泛。本文就此阐述控制技术在天车上的应用。
关键词：天车；天车；控制技术；PLC；变频器；应用
中图分类号：F540.3 文献标识码：A 文章编号：
引言
天车是生产物流过程中一种主要的起重运输设备，其利用的效率关系着企业的生产节奏。然而传统的天车控制技术已经很难满足生产的需求，因此对天车控制技术进行完善，在天车中充分应用PLC、变频器等控制技术对天车具有极其重要的意义。
1、天车拖动系统
1.1 天车的运行机构
第一，大车拖动系统拖动整台起重机顺着车间方向左右移动（以司机的坐向为参考）；第二，小车拖动系统拖动吊钩及重物顺着桥架作前后运动；第三，吊钩拖动系统拖动重物作吊起或放下的上下运动。
1.2 负荷特点
天车的拖动系统负载都属于恒转矩性质，且其起升机构为位能性负载。
1.3 控制要求
第一，起升机构要求起动转矩大，起动运行平稳。能够实现正反转运行且要有超载、限位、限流等多种保护；第二，起升机构在启停过程中易出现“溜钩”问题。由于制动器从抱紧到松开，以及从松开到抱紧的动作过程需要时间（约0.65秒），而电动机转矩的产生或消失，是在通电或断电瞬间就立刻反应的。因此，制动器和电动机在动作的配合上极易出现问题。要有相应的防止措施。起升机构中要有机械制动器。起重用变频器具有零速全转矩功能，若重物停在空中时出现电源瞬间停电等情况，就会有重物下滑的危险。因此，电动机轴上必须加装制动器。常用的有电磁铁制动器和液压电磁制动器等。
2、天车传统控制技术的缺陷
天车是工矿企业中应用十分广泛的一种起重机械。天车电力拖动系统多采用绕线式交流异步电机，转子回路内串入多段外接电阻调速，采用凸轮控制器、继电器、接触器控制。这种控制系统主要缺点是：(1)天车工作环境恶劣，工作任务重，电动机以及所串电阻烧损和断裂故障时有发生。(2)继电——接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高。(3)转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想。所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。要从根本上解决这些问题，只有彻底改变传统的控制方式。(4)由于现场环境中的金属粉尘、有害气体对电动机集电环、继电器的腐蚀与短路，再加上继电器、接触器控制系统切换频繁，起动时，冲击电流大，因此触头烧损、电刷冒火、电动机烧损故障时有发生，故障率高。(5)系统抱闸是在运动状态下进行的，对制动器损害很大，闸皮磨损严重而引起的安全隐患。
随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展，电气传动和自动控制领域也日新月异。其中，具有代表性的交流变频装置和可编程控制器获得了广泛的应用，为PLC控制的变频调速技术在天车拖动系统中的应用提供了有利条件。
3、PLC的主要构成
PLC是一种数字运算操作的电子系统，被广泛应用于自动化控制系统，控制机械运行。它结构的中枢部分是一个可编程的存储器，用户将逻辑运算、控制流程、定时、数字输入、模拟输入等程序指令编写好并储存到存储器中，通过I/O设备或接口输出，进而控制各种机械设备的运行和生产。PLC有丰富的编程元件，编程使用梯形图，比较简单易掌握，且可以实现复杂的控制功能。它用软件代替继电器，减少了触点接触，提高了系统的可靠性和稳定性。
PLC主要包括CPU、输入模块、输出模块和编程装置几个部分，I/O模块可多可少，最大数量由CPU的容量决定。CPU模块主要由微处理器和储存器组成，用来采集信号、执行用户程序、处理中断和存储程序及数据。I/O模块用来接收输入设备输入的数字或模拟信号、输出控制信号，变频器、接触器、电磁阀、调节阀、指示灯和数字显示装置等外部设备都是由输出接口的信号来控制的[4]。编程器用来产生用户程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。
4、变频调速的基本原理
根据异步电机的知识，异步电机的转速公式为：
n=60f（1-S）/P(1)
其中：n为异步电动机的转速，单位为r/min；f为定子的电源频率，单位为Hz；S为电机的转速滑差率；P为电机的极对数。单从式(1)来看，只要改变定子交流电的频率f就可以调节电动机的转速，但是事实上，只改变f并不能实现正常的调速。实际应用时，通常不仅要求实现转速调节，同时还要求调速系统具有满足生产工艺要求的机械特性和调速性能指标。
Eg=4.44f1N1KN1Фm (2)
Te=CmФmI2cosφ2 (3)
其中：Eg为气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值(V)；N1为定子每相绕组串联匝数；KN1—电动机基波绕组系数；Фm电动机气隙中每极合成主磁通(Wb)；Te为电磁(N.m)；Cm为电动机转矩常数；I2为转子电流折算到定子一侧的电流有效值(A)；cosφ2为转子电的各相功率因数。由式(2)，(3)可知，当改变f1进行变频调速时，会引起电动机Фm、Eg、Te等物理量的变化。对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通Фm保持额定值不变。
5、PLC和变频器控制技术的应用
5.1 系统配置
第一，变频器。天车的平移机构对拖动系统的性能要求不高，为了节省成本，选用V/F控制方式的通用变频器即可满足要求。本文以安川VS—616G5变频器为例分析。该变频器具有零速全转矩功能，这就保证了吊钩由运行状态降为零速时，电动机能够使重物在空中暂时停住，直到电磁制动器将电动机轴抱住为止，从而防止了溜钩。第二，PLC可选择日本三菱的FX卫N—08MR。第三，平移机选用普通电机；主副提升机构都采用变频电机并装有光电编码器，变频器附有PG-理速度反馈控制卡与光电编码器相连接；为了保证足够的启动和运行力矩，主提升机构的变频器一般比电动机容量放大一个等级（若电动机为90KW，则变频器的容量可选110KW）。
5.2 PLC程序
本系统PLC程序为一般的顺序控制程序，其中的关键是要理清系统工作过程中实际需要的控制关系。
5.3 工作过程
系统上电后，在无故障反馈情况下，司机室驾驶员通过联动台的主令控制器发出操作指令信号给PLC，PLC根据内部程序的执行结果输出给变频器正反转和多段速输入端，从而控制主钩的升降运行和变速。
5.4 溜钩的防止
Vs-616 GS矢量控制型变频具有零速全转矩功能，在设计天车起升机构时只需考虑PLC和变频器的适当配合，即可圆满解决“溜钩”问题。
5.5 功能扩展
第一，如果需要，可在PLC輸入端连接遥控器对天车的拖动系统进行控制。第二，可以配置触摸屏或液晶显示器对系统的主钩高度、载荷、运行状态、故障状态等进行监视。输出脉冲到PLC高频脉冲输入端，经SPD脉冲速度计算指令计算用于速度控制和显示。PLC与触摸屏通过R32串行接口相连，Pl刃中的接口程序在PLC中为触摸屏设立数据读取区及相关状态标志，用于触摸屏的监视。
5.6 系统保护
变频器本身具有短路、过载、过压、缺相、失速等多种保护和故障输出功能，对主起升机构来说，变频器驱动一台电动机，所以变频器的输出可以直接连接电动机而不必接热继电器作过载保护。司机可以通过联动台中的启停按钮控制总接触器进而控制总电源的通断，在无法用接触器通断电路的情况下，可以通过急停开关接通总断路器的分励脱扣线圈来断开电源电路。另外在总电源控制回路中还串有门限位开关和钥匙开关作为安全保护措施。
结束语
随着我国科技水平的不断提升以及工业生产中传统天车控制技术无法满足生产需求的情况下，将PLC、变频器等控制技术应用到天车系统中，将极大地提升天车的运行效率，从而为企业获取更多的效益。
参考文献
[1]夏颖怡.桥式起重机起升机构控制改造与应用研究[D].云南昆明：昆明理工大学,2011.
关键词：天车；天车；控制技术；PLC；变频器；应用
中图分类号：F540.3 文献标识码：A 文章编号：
引言
天车是生产物流过程中一种主要的起重运输设备，其利用的效率关系着企业的生产节奏。然而传统的天车控制技术已经很难满足生产的需求，因此对天车控制技术进行完善，在天车中充分应用PLC、变频器等控制技术对天车具有极其重要的意义。
1、天车拖动系统
1.1 天车的运行机构
第一，大车拖动系统拖动整台起重机顺着车间方向左右移动（以司机的坐向为参考）；第二，小车拖动系统拖动吊钩及重物顺着桥架作前后运动；第三，吊钩拖动系统拖动重物作吊起或放下的上下运动。
1.2 负荷特点
天车的拖动系统负载都属于恒转矩性质，且其起升机构为位能性负载。
1.3 控制要求
第一，起升机构要求起动转矩大，起动运行平稳。能够实现正反转运行且要有超载、限位、限流等多种保护；第二，起升机构在启停过程中易出现“溜钩”问题。由于制动器从抱紧到松开，以及从松开到抱紧的动作过程需要时间（约0.65秒），而电动机转矩的产生或消失，是在通电或断电瞬间就立刻反应的。因此，制动器和电动机在动作的配合上极易出现问题。要有相应的防止措施。起升机构中要有机械制动器。起重用变频器具有零速全转矩功能，若重物停在空中时出现电源瞬间停电等情况，就会有重物下滑的危险。因此，电动机轴上必须加装制动器。常用的有电磁铁制动器和液压电磁制动器等。
2、天车传统控制技术的缺陷
天车是工矿企业中应用十分广泛的一种起重机械。天车电力拖动系统多采用绕线式交流异步电机，转子回路内串入多段外接电阻调速，采用凸轮控制器、继电器、接触器控制。这种控制系统主要缺点是：(1)天车工作环境恶劣，工作任务重，电动机以及所串电阻烧损和断裂故障时有发生。(2)继电——接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高。(3)转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想。所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。要从根本上解决这些问题，只有彻底改变传统的控制方式。(4)由于现场环境中的金属粉尘、有害气体对电动机集电环、继电器的腐蚀与短路，再加上继电器、接触器控制系统切换频繁，起动时，冲击电流大，因此触头烧损、电刷冒火、电动机烧损故障时有发生，故障率高。(5)系统抱闸是在运动状态下进行的，对制动器损害很大，闸皮磨损严重而引起的安全隐患。
随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展，电气传动和自动控制领域也日新月异。其中，具有代表性的交流变频装置和可编程控制器获得了广泛的应用，为PLC控制的变频调速技术在天车拖动系统中的应用提供了有利条件。
3、PLC的主要构成
PLC是一种数字运算操作的电子系统，被广泛应用于自动化控制系统，控制机械运行。它结构的中枢部分是一个可编程的存储器，用户将逻辑运算、控制流程、定时、数字输入、模拟输入等程序指令编写好并储存到存储器中，通过I/O设备或接口输出，进而控制各种机械设备的运行和生产。PLC有丰富的编程元件，编程使用梯形图，比较简单易掌握，且可以实现复杂的控制功能。它用软件代替继电器，减少了触点接触，提高了系统的可靠性和稳定性。
PLC主要包括CPU、输入模块、输出模块和编程装置几个部分，I/O模块可多可少，最大数量由CPU的容量决定。CPU模块主要由微处理器和储存器组成，用来采集信号、执行用户程序、处理中断和存储程序及数据。I/O模块用来接收输入设备输入的数字或模拟信号、输出控制信号，变频器、接触器、电磁阀、调节阀、指示灯和数字显示装置等外部设备都是由输出接口的信号来控制的[4]。编程器用来产生用户程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。
4、变频调速的基本原理
根据异步电机的知识，异步电机的转速公式为：
n=60f（1-S）/P(1)
其中：n为异步电动机的转速，单位为r/min；f为定子的电源频率，单位为Hz；S为电机的转速滑差率；P为电机的极对数。单从式(1)来看，只要改变定子交流电的频率f就可以调节电动机的转速，但是事实上，只改变f并不能实现正常的调速。实际应用时，通常不仅要求实现转速调节，同时还要求调速系统具有满足生产工艺要求的机械特性和调速性能指标。
Eg=4.44f1N1KN1Фm (2)
Te=CmФmI2cosφ2 (3)
其中：Eg为气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值(V)；N1为定子每相绕组串联匝数；KN1—电动机基波绕组系数；Фm电动机气隙中每极合成主磁通(Wb)；Te为电磁(N.m)；Cm为电动机转矩常数；I2为转子电流折算到定子一侧的电流有效值(A)；cosφ2为转子电的各相功率因数。由式(2)，(3)可知，当改变f1进行变频调速时，会引起电动机Фm、Eg、Te等物理量的变化。对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通Фm保持额定值不变。
5、PLC和变频器控制技术的应用
5.1 系统配置
第一，变频器。天车的平移机构对拖动系统的性能要求不高，为了节省成本，选用V/F控制方式的通用变频器即可满足要求。本文以安川VS—616G5变频器为例分析。该变频器具有零速全转矩功能，这就保证了吊钩由运行状态降为零速时，电动机能够使重物在空中暂时停住，直到电磁制动器将电动机轴抱住为止，从而防止了溜钩。第二，PLC可选择日本三菱的FX卫N—08MR。第三，平移机选用普通电机；主副提升机构都采用变频电机并装有光电编码器，变频器附有PG-理速度反馈控制卡与光电编码器相连接；为了保证足够的启动和运行力矩，主提升机构的变频器一般比电动机容量放大一个等级（若电动机为90KW，则变频器的容量可选110KW）。
5.2 PLC程序
本系统PLC程序为一般的顺序控制程序，其中的关键是要理清系统工作过程中实际需要的控制关系。
5.3 工作过程
系统上电后，在无故障反馈情况下，司机室驾驶员通过联动台的主令控制器发出操作指令信号给PLC，PLC根据内部程序的执行结果输出给变频器正反转和多段速输入端，从而控制主钩的升降运行和变速。
5.4 溜钩的防止
Vs-616 GS矢量控制型变频具有零速全转矩功能，在设计天车起升机构时只需考虑PLC和变频器的适当配合，即可圆满解决“溜钩”问题。
5.5 功能扩展
第一，如果需要，可在PLC輸入端连接遥控器对天车的拖动系统进行控制。第二，可以配置触摸屏或液晶显示器对系统的主钩高度、载荷、运行状态、故障状态等进行监视。输出脉冲到PLC高频脉冲输入端，经SPD脉冲速度计算指令计算用于速度控制和显示。PLC与触摸屏通过R32串行接口相连，Pl刃中的接口程序在PLC中为触摸屏设立数据读取区及相关状态标志，用于触摸屏的监视。
5.6 系统保护
变频器本身具有短路、过载、过压、缺相、失速等多种保护和故障输出功能，对主起升机构来说，变频器驱动一台电动机，所以变频器的输出可以直接连接电动机而不必接热继电器作过载保护。司机可以通过联动台中的启停按钮控制总接触器进而控制总电源的通断，在无法用接触器通断电路的情况下，可以通过急停开关接通总断路器的分励脱扣线圈来断开电源电路。另外在总电源控制回路中还串有门限位开关和钥匙开关作为安全保护措施。
结束语
随着我国科技水平的不断提升以及工业生产中传统天车控制技术无法满足生产需求的情况下，将PLC、变频器等控制技术应用到天车系统中，将极大地提升天车的运行效率，从而为企业获取更多的效益。
参考文献
[1]夏颖怡.桥式起重机起升机构控制改造与应用研究[D].云南昆明：昆明理工大学,2011.