背景
桥式起重机是工矿企业中应用十分广泛的一种装卸设备，由于工作环境恶劣，桥式起重机经常需要在重载下频繁进行起动、制动、正反转和变速等操作，冲击电流大，振动大，所以在传统的继电器-接触器控制的电气系统中，接触器的触头因电机经常有冲击电流而易被烧坏，维修量大，维护成本极高，由此带来的生产线停产损失更加不可估量，且传统的起重机调速系统的综合技术指标较差，已不能满足工业生产的要求。
随着电力电子技术的快速发展，如今变频器在起重行业已得到了广泛的应用，该应用技术日趋成熟，其不仅大大简化了整个电气控制系统的结构，而且降低了系统的故障率，提高了起重机械控制的灵活性、可靠性和可维护性。
大连起重矿山机械有限公司(下面简称大连起重矿山)是中国著名的起重机专业制造商与起重机服务供应商，主要生产各类桥式起重机、双两门式起重机和铸造桥式起重机等产品。凭借领先的技术和高水平的产品质量，其生产的起重机产品除行销全国外，还出口日本、法国、瑞士、芬兰、韩国、印度尼西亚、孟加拉和马来西来等国家，出口量占产品总量的30%以上。为满足客户在起重效率和设备可靠性方面不断提高的要求，在起重机最重要的起升机构控制上，大连起重矿山希望寻求更加可靠、精准、灵活和经济的控制解决方案。
挑战
起重机系统负载属于恒转矩性质，且其起升机构为位能性负载，在整个驱动系统中，起升机构的驱动系统尤为重要。起重机各机构的电动机处于频繁的起动、制动状态，每小时的接电次数较多，而且负载是不规律的，时轻时重，且经常承受大的过载和机械冲击，所以起升机构所用的变频调速控制，不但要求低频转矩高、高频稳定性好、过载能力强，而且要求动态响应特性应满足负载突变且具备零速转矩保持功能。所以，若要实现起重机械各个机构安全、精准、可靠的控制，选择一台合适的高性能变频器是至关重要的。
此外，对于起重机起升机构的控制，常规的变频器控制方案大都是采用一台变频器驱动一台电机，而对于有主副钩两套起升机构的起重机械如果仍采用常规配置，会增加设备成本，同时也降低了变频器的利用率。
解决方案
对于变频起升机构，变频器约占电气系统成本的一半左右，而主、副钩变频器的容量远大于大车及小车用变频器容量，如对常规方案进行改进，可大大降低电气系统成本。根据以上要求和条件，罗克韦尔自动化建议通过使用PowerFlex755变频器实现了一种经济的起重机起升机构变频调速方案以优化起升控制系统。
在用户综合全面的评定后，最终决定起重机的起升及走行机构分别采用罗克韦尔自动化PowerFlex755及PowerFlex525系列的交流变频器。
PowerFlex755的优异性能完全满足对起重机起升机构的控制要求：
·模块化的结构设计——让维护和故障处理更为简单；
·主板和其他选件板标配加强涂层——更加适合恶劣的使用环境；
·零速满转矩性能——由PowerFlex755驱动的电机能够在零速起动时获得电机的额定转矩，即使没有速度反馈也一样可以；
·满足负载所需的起动转矩——磁通矢量控制提供精确的转矩控制使得PowerFlex755能够提供可控且平稳的最大起动转矩；
·对负载的精确控制——PowerFlex755的动态转速控制在开环应用时为基速的0.1%，在闭环应用时为0.001%。PowerFlex755变频器的频率精度可达输出频率的0.01% ；
·快速的转矩响应——动态转矩阶跃响应时间，在开环应用时能达到1~5 ms；
·电源闪落时的运行——PowerFlex755可利用正在旋转着的电机的动能继续运行，只要电机旋转并产生能量，PowerFlex755将继续运行。
其主副起升机构的电气原理图如图1所示，即主、副起升电机由一台变频器驱动，变频器的选择以主起升电机(容量较大的电机)容量配置为准，变频器输出经过两个接触器互锁切换，当需要主提升运行时，在变频器无电流输出或者变频器停止运行时首先切换变频器输出至主起升电机(即KM11 闭合，KM12 断开)后，通过变频器进行主起升控制；如需要副起升运行时，在确保变频器无电流输出或者变频器停止运行时，切换变频器输出至副钩电机(即KM12 闭合，KM11 断开)后，通过变频器进行副起升控制。
变频器对于起升机构的控制有两个关键点。第一，抱闸的控制；第二，主副起升机构的切换。下面分别进行详细的介绍。
抱闸控制通过PowerFlex755变频器自带的TorqProve功能实现，该功能可分为转矩校验、悬停功能及溜钩保护三部分。TorqProve功能确保停车后机械抱闸可靠地控制负载，当收到运行命令，机械抱闸打开时，变频器能控制负载。此功能易于调试，仅需完成几个参数设置即可，而且抱闸的控制完全由变频器完成，不需要PLC和特殊的软件。力矩校验功能对抱闸控制的实现比其他由PLC 控制实现类似功能的方案响应更快，可提供更加完美可靠的起升控制性能。图2为变频器电气接口示意图，其中ROC、RONO为I/O模块的继电器输出端子，用于控制起升机构的抱闸。
·转矩校验
当变频器收到运行命令后，变频器将快速磁通建立，输出转矩。确认转矩输出存在后，释放抱闸。当收到停车命令后(悬停时间结束)，变频器将输出控制抱闸闭合，确认抱闸已控制住负载后，输出转矩撤消(溜钩保护)，力矩校验功能要求变频器设置为FVC磁通定向控制(力矩校验时序如图3所示)。
·悬停功能
当收到停车命令后，变频器减速到零速，维持零速一段时间(可设置)后控制抱闸闭合。这个功能允许操作工可以重新定位，而不需要抱闸频繁动作。
·溜钩保护
当负载移动停止，机械抱闸闭合后，变频器将停止输出转矩，同时监测编码器反馈，确认负载被控制。如果监测到编码器反馈有变化(溜钩)，变频器会马上增加输出转矩，重新控制负载，按照预先设定的速度下放负载。变频器会重复以上的周期，直到抱闸能控制负载或负载安全下放到地面。
主副起升机构的切换是通过PowerFlex755变频器自带的DeviceLogix控制技术来实现的。DeviceLogix是位于PowerFlex755系列变频器端口14上的嵌入式组件。用于控制输出和管理变频器内部的状态信息。PowerFlex755系列变频器的DeviceLogix编程是通过DeviceLogix编辑器组件实现的，该组件集成在RSLogix 5000、DriveExplorer或DriveTools变频器软件中。PowerFlex755系列DeviceLogix可以为应用提供基本逻辑功能，根据程序的大小以及更新I/O 所需的时间，可以实现5~25 ms的扫描时间。下图4为在DriveTools 软件中的DeviceLogix编辑器示意图。
使用了SEL指令，其选择条件为DeviceLogix的数字量输入点1(DIP 1)，与PowerFlex755 I/O模块的数字量输入端子3(主/副起选择)进行连接，用于选择主副起升的控制。其中需要切换的参数主要包括电机铭牌参数、电机辨识参数(如定子压降，磁通电流等参数)、速度限幅参数和速度环控制等。
效果
罗克韦尔自动化为大连起重矿山提供的起重机变频控制解决方案选用了高端的PowerFlex755变频器，通过采用主、副起升电机由一台变频器驱动的全新方法，以最大程度的优化方案来控制起重机起升机构，可节约25%左右的电气系统成本。目前，该方案已成功的应用于用户现场8台20t/22.5m 桥式起重机中。
通过采用罗克韦尔自动化的变频控制方案，桥式起重机的起升机构控制完全达到了预期的控制功能及效果。该方案实现了对负载的精确控制和快速的转矩响应，PowerFlex755驱动的电机能够在零速起动时获得电机的额定转矩，可以提供可控且平稳的最大起动转矩，适合恶劣的使用环境，模块化的结构也使设备的维护和故障处理更为简单。罗克韦尔自动化提供的解决方案得到了大连起重矿山的一致认可和好评，并表示，该方案不仅大大节省了工程投资成本，提高了设备的利用率，同时也为大连起重矿山提高市场竞争力、进一步拓展海外市场提供了先机。
