變頻器、PLC在橋式起重機(jī)自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、變頻器、PLC在橋式起重機(jī)自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用一、原系統(tǒng)分析： 橋式起重機(jī)情況: 橋式起重機(jī)(天車)是一種用來起吊、放下和搬運(yùn)重物、并使重物在一定距離內(nèi)水平移動的起重、搬運(yùn)設(shè)備，在生產(chǎn)過程中有著重要應(yīng)用。5噸橋式起重機(jī)，原設(shè)備電氣驅(qū)動系統(tǒng)分為起重機(jī)升降、小車、大車三部份。其中起重機(jī)升降由一臺13kW的繞線式異步電動機(jī)驅(qū)動，大車由兩臺4 kW繞線式異步電動機(jī)、小車由一臺2.5 kW繞線式異步電動機(jī)驅(qū)動。在原傳動控制中，采用轉(zhuǎn)子串接電阻的調(diào)速方式.由于工作環(huán)境差,粉塵和有害氣體對電機(jī)的集電環(huán)、電刷和接觸器腐蝕性大，加上工作任務(wù)重,實(shí)際過載率高,由于沖擊電流偏大,容易造成電動機(jī)觸頭燒損、電刷冒火、電

2、動機(jī)及轉(zhuǎn)子所串電阻燒損和斷裂等故障, 影響現(xiàn)場生產(chǎn)和安全,工人維修量和產(chǎn)生的維修費(fèi)用也很高.并且原調(diào)速方式機(jī)械特性較差,調(diào)速不夠平滑，所串電阻長期發(fā)熱浪費(fèi)能量。綜上所述原設(shè)備存在的主要缺點(diǎn)如下：（1） 拖動電動機(jī)容量大，起動時電流對電網(wǎng)沖擊大，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。（2） 起重機(jī)升降、小車、大車起動、停止速度過快，而且都是慣性負(fù)載，機(jī)械沖擊也較大，機(jī)械設(shè)備使用壽命縮短，操作人員的安全系數(shù)較差，設(shè)備運(yùn)行可靠性較低。（3） 由于電動機(jī)一直在額定轉(zhuǎn)矩下工作，而每次升降的負(fù)載是變化的，因此容易造成比較大的電能浪費(fèi)。（4） 起重機(jī)每天需進(jìn)行大量的裝卸操作，由于繞線式電機(jī)調(diào)速是通過電氣驅(qū)動系統(tǒng)中的主要控制元件-交

3、流接觸器來接入和斷開電動機(jī)轉(zhuǎn)子上串接的電阻，切換十分頻繁，在電流比較大的狀態(tài)下，容易燒壞觸頭。同時因工作環(huán)境惡劣，轉(zhuǎn)子回路串接的銅電阻因灰塵、設(shè)備振動等原因經(jīng)常燒壞、斷裂。因而設(shè)備故障率比較高，維修工作量比較大。同樣小車、大車的運(yùn)轉(zhuǎn)也存在上述問題。（5） 在起重機(jī)起升的瞬間，升降電動機(jī)有時會受力不均勻，易過載，直接造成電機(jī)損壞或者鋼絲繩斷裂。（6） 為適應(yīng)起重機(jī)的工況，起重機(jī)的操作人員經(jīng)常性的反復(fù)操作，起重機(jī)的電器元件和電動機(jī)始終處于大電流工作狀態(tài)，降低了電器元件和電動機(jī)的使用壽命。（7） 起重機(jī)工作的協(xié)調(diào)性主要靠操作人員的熟練程度。由于升降、大車、小車三個凸輪控制器之間沒有固定的聯(lián)系，在起重

4、機(jī)工作時操作人員勞動強(qiáng)度比較大，容易疲勞，易產(chǎn)生誤操作。 針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本次改造的起重機(jī)采用先進(jìn)的可編程控制技術(shù)（PLC）和變頻器技術(shù)，以程序控制取代繼電器-接觸器控制，交流電動機(jī)調(diào)速方式采用變頻調(diào)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)的半自動化控制。二、改造方案： 交流電動機(jī)的調(diào)速方式很多,針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，綜合各種性能最佳者為變頻調(diào)速方式。2.1拖動系統(tǒng)1、電動機(jī)選型A.大車與小車用電動機(jī) 可選用普通的籠型轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)；B.升降用電動機(jī) 由于要求比較高，應(yīng)選用變頻專用的籠型轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)。原設(shè)備系統(tǒng)采用的是繞線式異步電動機(jī)，出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，通過短接轉(zhuǎn)子回路也能進(jìn)行使用。2、調(diào)速

5、方法 采用目前國際先進(jìn)技術(shù)具有矢量控制功能的變頻調(diào)速系統(tǒng)。變頻后轉(zhuǎn)速可以分檔控制，一般采用6段速度運(yùn)行，從低到高自由切換。3、制動方式 采用再生制動、直流制動和電磁機(jī)械制動相結(jié)合的方法。A.首先，通過變頻器調(diào)速系統(tǒng)的再生制動和直流制動把運(yùn)動中的大車、小車和起重機(jī)的速度迅速而準(zhǔn)確地降到0(使它們停止) ；B.對于起重機(jī)，常常會有重物在半空中停留一段時間（如重物在半空中平移），而變頻調(diào)速系統(tǒng)雖然能使重物靜止，但因設(shè)備容易受到外界因素的干擾，（如在平移過程中常易出現(xiàn)的瞬間斷電）因此，利用電磁制動器進(jìn)行機(jī)械制動仍然是必須的。22變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制要點(diǎn)橋式起重機(jī)拖動系統(tǒng)的控制動作包括：大車的左、右行走及

6、速度檔位；小車的前、后行走及速度檔位；起重機(jī)的升、降及速度檔位等。所有這些，都可以通過可編程序控制器（PLC）進(jìn)行無觸點(diǎn)控制。橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)中需要引起注意的是關(guān)于防止溜鉤的控制。在電磁制動器抱住之前和松開之后的瞬間，極易發(fā)生重物由停止?fàn)顟B(tài)下滑的現(xiàn)象，稱為溜鉤。防止溜鉤的控制需要注意的關(guān)鍵問題是：1）電磁制動器在通電到斷電（或從斷電到通電）之間是需要時間的，大約0.6秒（視型號和大小而定）。因此，變頻器如過早地停止輸出，將容易出現(xiàn)溜鉤。2）變頻器必須避免在電磁制動器抱閘的情況下輸出較高頻率，以免發(fā)生“過流”而跳閘的誤動作。為此，具體控制方法如下：1重物高空停止的控制過程A設(shè)定一個“停止起始頻

7、率”fBS,當(dāng)變頻器的工作頻率下降到fBS時，變頻器將輸出一個“頻率到達(dá)信號”，發(fā)出制動電磁鐵斷電指令；B. 設(shè)定一個fBS 的維持時間tBB, tBB長短應(yīng)略大于制動電磁鐵從開始釋放到完全抱閘所需要的時間；C. 變頻器將工作頻率下降止0。 圖1-1 重物高空停止的控制過程2 重物升降的過程A 設(shè)定一個“升降起始頻率”fRD,當(dāng)變頻器的工作頻率上升到fRD 時，將暫停上升。為了確保當(dāng)制動電磁鐵松開后，變頻器已經(jīng)能控制住重物的升降而不會溜鉤，所以，在工作頻率達(dá)到fRD的同時，變頻器將開始檢測電流，并設(shè)定檢測電流所需要的時間tRC；B當(dāng)變頻器確認(rèn)已經(jīng)有足夠大的輸出電流時，將發(fā)出一個“松開指令”，使

8、制動電磁鐵開始通電；C. 設(shè)定一個fRD的維持時間tRD，tRD的長短應(yīng)略大于制動電磁鐵從通電到完全松開所需要的時間；D. 變頻器將工作頻率上升止所需頻率。如圖1-2 所示:3. 變頻器的零速全轉(zhuǎn)矩功能和直流制動勵磁功能 艾默生高性能矢量TD3000系列變頻器，具備了有效的防止溜鉤的一些獨(dú)特的制動功能，如： A.零速全轉(zhuǎn)矩功能 變頻器可以在速度為0的狀態(tài)下，保持電動機(jī)有足夠大的轉(zhuǎn)矩。這一功能保證了起重機(jī)有升降狀態(tài)降為0時，電動機(jī)能夠使重物在空中停止，直到電磁制動器將軸抱住為止，從而防止了溜鉤的放生。 B.起動前的直流強(qiáng)勵磁功能 變頻器可以在起動之前自動進(jìn)行直流強(qiáng)勵磁。使電動機(jī)有足夠大的轉(zhuǎn)矩（有

9、速度傳感器的矢量控制：200%rpm；無速度傳感器的矢量控制：150%/0.5Hz）,維持重物在空中的停住狀態(tài)，以保證電磁制動器在釋放過程中不會溜鉤。三橋式起重機(jī)采用變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)和系統(tǒng)介紹 3.1變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)1.變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)的保護(hù)功能強(qiáng) A.變頻調(diào)速以其體積小、通用性強(qiáng)、動態(tài)響應(yīng)快、工作頻率高、保護(hù)性能完善、可靠性好、使用方便等卓越的性能而優(yōu)于以往的任何調(diào)速方式； B.使用變頻器控制電機(jī)的運(yùn)行控制，可以進(jìn)行電機(jī)的軟啟動，而讓電機(jī)具有很快的動態(tài)響應(yīng)并且實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速；另外對電機(jī)的一些參數(shù)做到補(bǔ)償；對電源的缺相、欠壓、過壓、過流等都能做到很及時很準(zhǔn)確的檢測而自動采取應(yīng)變措施保護(hù)電機(jī)

10、； 2.工作可靠性顯著提高，主要有以下幾個方面： A.電磁鐵的壽命可大大延長 原拖動系統(tǒng)是在運(yùn)動的狀態(tài)下進(jìn)行抱閘的，采用變頻調(diào)速后，可以在基本停住的狀態(tài)下進(jìn)行抱閘，閘皮的磨損情況大為改善；B.操作手柄不易損壞 原系統(tǒng)的操作手柄因常常受力過大，屬于易損件。采用變頻調(diào)速后，操作手柄的受力將大大的減小，不容易損壞；C.控制系統(tǒng)的故障率大為下降 原系統(tǒng)是由于十分復(fù)雜的接觸器、繼電器系統(tǒng)進(jìn)行控制的，故障率較高。采用了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)可大大簡化，可靠性大為提高。3.節(jié)能效果十分可觀 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)在低速運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子回路的外接電阻內(nèi)消耗大量的電能。采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，非但外接電阻內(nèi)消耗的大量

11、電能可以完全節(jié)約，并且在起重機(jī)放下重物時，還可將重物釋放的位能反饋給電源。5調(diào)速質(zhì)量明顯提高 采用了變頻調(diào)速系統(tǒng)后，調(diào)速范圍有PG矢量控制時1：1000，無PG矢量控制時1：100，速度控制精度有速度傳感器矢量控制0.05%，無速度傳感器矢量控制0.5%最高頻率，并且調(diào)速平穩(wěn)，能夠長時間低速運(yùn)行，具有很高的定位精度和運(yùn)行效率。6可簡化傳動鏈 由于可以進(jìn)行無級調(diào)速，從而在機(jī)械上省去了非標(biāo)設(shè)計(jì)的減速箱，使傳動鏈結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。3.2變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的介紹 1.大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu) 大車為雙梁結(jié)構(gòu)，分別由兩臺4KW電動機(jī)拖動，用一臺較大的變頻器（15KW）供電；小車由單臺2.5KW電動機(jī)拖動，并且

12、由單獨(dú)的變頻器（3.7KW）供電。 大、小車變頻器都有預(yù)置為V/F控制方式。大、小車系統(tǒng)圖如1-3圖和1-4圖所示；圖1-3 起重機(jī)大車行走系統(tǒng)圖圖1-4 起重機(jī)小車行走系統(tǒng)圖2.起重機(jī)升降機(jī)構(gòu) 起重機(jī)升降的電動機(jī)由一臺電動機(jī)（13KW）驅(qū)動。系統(tǒng)框圖如圖1-5所示：3.制動單元和制動電阻 本系統(tǒng)對于重物下降時電動機(jī)再生的電能，采取由變頻器外接的制動單元（TD3000系列變頻器22KW及其以下機(jī)型中，已內(nèi)置了制動單元；但是所有的制動電阻都需要外接）和制動電阻消耗掉的方式。針對橋式起重機(jī)的起重機(jī)升降機(jī)構(gòu)起、制動頻繁，要求制動的轉(zhuǎn)矩較大，以及下降時制動狀態(tài)的持續(xù)時間較長等特點(diǎn)，因此：A.制動單元用

13、標(biāo)準(zhǔn)配置就可以實(shí)現(xiàn)制動過程的功能。B.制動電阻的額定功率可以稍稍的加大一倍。總的系統(tǒng)方框圖如下：4. 可編程序控制器（PLC）選擇： 此方案,選用美國緊湊型EC20系列可編程序控制器。EC20系列可編程序控制器是艾默生(EMERSON)公司致力于工業(yè)自動化領(lǐng)域全新推出的新一代可編程序控制器，它代表了工業(yè)自動化控制的最高水平，是最新計(jì)算機(jī)技術(shù)與工業(yè)控制技術(shù)的完美結(jié)合。具特點(diǎn)主要如下：體積小，結(jié)構(gòu)緊湊；采用功能強(qiáng)大的最新MCU和CPLD工業(yè)控制專用芯片；豐富的硬件資源，高執(zhí)行速度；強(qiáng)大的組網(wǎng)功能：支持MODBUS協(xié)議和自由端口協(xié)議；功能強(qiáng)大的用戶指令集，包括PID等復(fù)雜指令；獨(dú)特的抗干擾設(shè)計(jì)，重要

14、數(shù)據(jù)的掉電保護(hù)功能；板件嚴(yán)格的三防處理，寬電壓設(shè)計(jì)，適應(yīng)惡劣現(xiàn)場環(huán)境。PLC 按控制程序、輸入控制信號來完成起重機(jī)各種工況的協(xié)調(diào)，并決定起重機(jī)的各種工作狀態(tài)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用 PLC梯形圖語言來編程完成，用 PLC控制工作可靠，掃描速度快，控制非常靈活。5. 變頻器選擇：此方案，變頻器選用安川品牌變頻器。 采用變頻器驅(qū)動異步電動機(jī)調(diào)速，通常應(yīng)根據(jù)異步電動機(jī)的額定電流來選擇變頻器，或者根據(jù)異步電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的電流值（最大值）來選擇變頻器，通常令變頻器的額定電流（1.051.10）電動機(jī)的額定電流或電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的最大電流。 I1nv（1.051.10）In或（1.051.10）Imax式中I1nv-變頻器額定輸出電流（A）； In-電動機(jī)的額定電流（A）； Imax-電動機(jī)實(shí)際最大電流（A）。 大車小