背景
橋式起重機是工礦企業中應用十分廣泛的一種裝卸設備，由于工作環境惡劣，橋式起重機經常需要在重載下頻繁進行起動、制動、正反轉和變速等操作，沖擊電流大，振動大，所以在傳統的繼電器-接觸器控制的電氣系統中，接觸器的觸頭因電機經常有沖擊電流而易被燒壞，維修量大，維護成本極高，由此帶來的生產線停產損失更加不可估量，且傳統的起重機調速系統的綜合技術指標較差，已不能滿足工業生產的要求。
隨著電力電子技術的快速發展，如今變頻器在起重行業已得到了廣泛的應用，該應用技術日趨成熟，其不僅大大簡化了整個電氣控制系統的結構，而且降低了系統的故障率，提高了起重機械控制的靈活性、可靠性和可維護性。
大連起重礦山機械有限公司(下面簡稱大連起重礦山)是中國著名的起重機專業制造商與起重機服務供應商，主要生產各類橋式起重機、雙兩門式起重機和鑄造橋式起重機等產品。憑借領先的技術和高水平的產品質量，其生產的起重機產品除行銷全國外，還出口日本、法國、瑞士、芬蘭、韓國、印度尼西亞、孟加拉和馬來西來等國家，出口量占產品總量的30%以上。為滿足客戶在起重效率和設備可靠性方面不斷提高的要求，在起重機最重要的起升機構控制上，大連起重礦山希望尋求更加可靠、精準、靈活和經濟的控制解決方案。
挑戰
起重機系統負載屬于恒轉矩性質，且其起升機構為位能性負載，在整個驅動系統中，起升機構的驅動系統尤為重要。起重機各機構的電動機處于頻繁的起動、制動狀態，每小時的接電次數較多，而且負載是不規律的，時輕時重，且經常承受大的過載和機械沖擊，所以起升機構所用的變頻調速控制，不但要求低頻轉矩高、高頻穩定性好、過載能力強，而且要求動態響應特性應滿足負載突變且具備零速轉矩保持功能。所以，若要實現起重機械各個機構安全、精準、可靠的控制，選擇一臺合適的高性能變頻器是至關重要的。
此外，對于起重機起升機構的控制，常規的變頻器控制方案大都是采用一臺變頻器驅動一臺電機，而對于有主副鉤兩套起升機構的起重機械如果仍采用常規配置，會增加設備成本，同時也降低了變頻器的利用率。
解決方案
對于變頻起升機構，變頻器約占電氣系統成本的一半左右，而主、副鉤變頻器的容量遠大于大車及小車用變頻器容量，如對常規方案進行改進，可大大降低電氣系統成本。根據以上要求和條件，羅克韋爾自動化建議通過使用PowerFlex755變頻器實現了一種經濟的起重機起升機構變頻調速方案以優化起升控制系統。
在用戶綜合全面的評定后，最終決定起重機的起升及走行機構分別采用羅克韋爾自動化PowerFlex755及PowerFlex525系列的交流變頻器。
PowerFlex755的優異性能完全滿足對起重機起升機構的控制要求：
·模塊化的結構設計——讓維護和故障處理更為簡單；
·主板和其他選件板標配加強涂層——更加適合惡劣的使用環境；
·零速滿轉矩性能——由PowerFlex755驅動的電機能夠在零速起動時獲得電機的額定轉矩，即使沒有速度反饋也一樣可以；
·滿足負載所需的起動轉矩——磁通矢量控制提供精確的轉矩控制使得PowerFlex755能夠提供可控且平穩的最大起動轉矩；
·對負載的精確控制——PowerFlex755的動態轉速控制在開環應用時為基速的0.1%，在閉環應用時為0.001%。PowerFlex755變頻器的頻率精度可達輸出頻率的0.01% ；
·快速的轉矩響應——動態轉矩階躍響應時間，在開環應用時能達到1~5 ms；
·電源閃落時的運行——PowerFlex755可利用正在旋轉著的電機的動能繼續運行，只要電機旋轉并產生能量，PowerFlex755將繼續運行。
其主副起升機構的電氣原理圖如圖1所示，即主、副起升電機由一臺變頻器驅動，變頻器的選擇以主起升電機(容量較大的電機)容量配置為準，變頻器輸出經過兩個接觸器互鎖切換，當需要主提升運行時，在變頻器無電流輸出或者變頻器停止運行時首先切換變頻器輸出至主起升電機(即KM11 閉合，KM12 斷開)后，通過變頻器進行主起升控制；如需要副起升運行時，在確保變頻器無電流輸出或者變頻器停止運行時，切換變頻器輸出至副鉤電機(即KM12 閉合，KM11 斷開)后，通過變頻器進行副起升控制。
變頻器對于起升機構的控制有兩個關鍵點。第一，抱閘的控制；第二，主副起升機構的切換。下面分別進行詳細的介紹。
抱閘控制通過PowerFlex755變頻器自帶的TorqProve功能實現，該功能可分為轉矩校驗、懸停功能及溜鉤保護三部分。TorqProve功能確保停車后機械抱閘可靠地控制負載，當收到運行命令，機械抱閘打開時，變頻器能控制負載。此功能易于調試，僅需完成幾個參數設置即可，而且抱閘的控制完全由變頻器完成，不需要PLC和特殊的軟件。力矩校驗功能對抱閘控制的實現比其他由PLC 控制實現類似功能的方案響應更快，可提供更加完美可靠的起升控制性能。圖2為變頻器電氣接口示意圖，其中ROC、RONO為I/O模塊的繼電器輸出端子，用于控制起升機構的抱閘。
·轉矩校驗
當變頻器收到運行命令后，變頻器將快速磁通建立，輸出轉矩。確認轉矩輸出存在后，釋放抱閘。當收到停車命令后(懸停時間結束)，變頻器將輸出控制抱閘閉合，確認抱閘已控制住負載后，輸出轉矩撤消(溜鉤保護)，力矩校驗功能要求變頻器設置為FVC磁通定向控制(力矩校驗時序如圖3所示)。
·懸停功能
當收到停車命令后，變頻器減速到零速，維持零速一段時間(可設置)后控制抱閘閉合。這個功能允許操作工可以重新定位，而不需要抱閘頻繁動作。
·溜鉤保護
當負載移動停止，機械抱閘閉合后，變頻器將停止輸出轉矩，同時監測編碼器反饋，確認負載被控制。如果監測到編碼器反饋有變化(溜鉤)，變頻器會馬上增加輸出轉矩，重新控制負載，按照預先設定的速度下放負載。變頻器會重復以上的周期，直到抱閘能控制負載或負載安全下放到地面。
主副起升機構的切換是通過PowerFlex755變頻器自帶的DeviceLogix控制技術來實現的。DeviceLogix是位于PowerFlex755系列變頻器端口14上的嵌入式組件。用于控制輸出和管理變頻器內部的狀態信息。PowerFlex755系列變頻器的DeviceLogix編程是通過DeviceLogix編輯器組件實現的，該組件集成在RSLogix 5000、DriveExplorer或DriveTools變頻器軟件中。PowerFlex755系列DeviceLogix可以為應用提供基本邏輯功能，根據程序的大小以及更新I/O 所需的時間，可以實現5~25 ms的掃描時間。下圖4為在DriveTools 軟件中的DeviceLogix編輯器示意圖。
使用了SEL指令，其選擇條件為DeviceLogix的數字量輸入點1(DIP 1)，與PowerFlex755 I/O模塊的數字量輸入端子3(主/副起選擇)進行連接，用于選擇主副起升的控制。其中需要切換的參數主要包括電機銘牌參數、電機辨識參數(如定子壓降，磁通電流等參數)、速度限幅參數和速度環控制等。
效果
羅克韋爾自動化為大連起重礦山提供的起重機變頻控制解決方案選用了高端的PowerFlex755變頻器，通過采用主、副起升電機由一臺變頻器驅動的全新方法，以最大程度的優化方案來控制起重機起升機構，可節約25%左右的電氣系統成本。目前，該方案已成功的應用于用戶現場8臺20t/22.5m 橋式起重機中。
通過采用羅克韋爾自動化的變頻控制方案，橋式起重機的起升機構控制完全達到了預期的控制功能及效果。該方案實現了對負載的精確控制和快速的轉矩響應，PowerFlex755驅動的電機能夠在零速起動時獲得電機的額定轉矩，可以提供可控且平穩的最大起動轉矩，適合惡劣的使用環境，模塊化的結構也使設備的維護和故障處理更為簡單。羅克韋爾自動化提供的解決方案得到了大連起重礦山的一致認可和好評，并表示，該方案不僅大大節省了工程投資成本，提高了設備的利用率，同時也為大連起重礦山提高市場競爭力、進一步拓展海外市場提供了先機。
