變頻器、PLC在橋式起重機自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　一、原系統(tǒng)分析：
　 橋式起重機情況:
　　橋式起重機（天車）是一種用來起吊、放下和搬運重物、并使重物在一定距離內(nèi)水平移動的起重、搬運設(shè)備，在生產(chǎn)過程中有著重要應(yīng)用。5噸橋式起重機，原設(shè)備電氣驅(qū)動系統(tǒng)分為起重機升降、小車、大車三部份。其中起重機升降由一臺13kW的繞線式異步電動機驅(qū)動，大車由兩臺4 kW繞線式異步電動機、小車由一臺2.5 kW繞線式異步電動機驅(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的集電環(huán)、電刷和接觸器腐蝕性大，加上工作任務(wù)重,實際過載率高,由于沖擊電流偏大,容易造成電動機觸頭燒損、電刷冒火、電動機及轉(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)生的維修費用也很高.并且原調(diào)速方式機械特性較差,調(diào)速不夠平滑，所串電阻長期發(fā)熱浪費能量。綜上所述原設(shè)備存在的主要缺點如下：
　?。?） 拖動電動機容量大，起動時電流對電網(wǎng)沖擊大，電能浪費嚴(yán)重。
　?。?） 起重機升降、小車、大車起動、停止速度過快，而且都是慣性負(fù)載，機械沖擊也較大，機械設(shè)備使用壽命縮短，操作人員的安全系數(shù)較差，設(shè)備運行可靠性較低。
　?。?） 由于電動機一直在額定轉(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。
　?。?） 起重機每天需進(jìn)行大量的裝卸操作，由于繞線式電機調(diào)速是通過電氣驅(qū)動系統(tǒng)中的主要控制元件---交流接觸器來接入和斷開電動機轉(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、大車的運轉(zhuǎn)也存在上述問題。
　　（5） 在起重機起升的瞬間，升降電動機有時會受力不均勻，易過載，直接造成電機損壞或者鋼絲繩斷裂。
　?。?） 為適應(yīng)起重機的工況，起重機的操作人員經(jīng)常性的反復(fù)操作，起重機的電器元件和電動機始終處于大電流工作狀態(tài)，降低了電器元件和電動機的使用壽命。
　?。?） 起重機工作的協(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，在起重機工作時操作人員勞動強度比較大，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，本次改造的起重機采用*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，交流電動機調(diào)速方式采用變頻調(diào)速，進(jìn)而實現(xiàn)了起重機的半自動化控制。
　　二、改造方案：
　　 交流電動機的調(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*者為變頻調(diào)速方式。
　　2.1拖動系統(tǒng)
　　1、電動機選型
　　A.大車與小車用電動機 可選用普通的籠型轉(zhuǎn)子異步電
　　動機；
　　B.升降用電動機 由于要求比較高，應(yīng)選用變頻的籠
　　型轉(zhuǎn)子異步電動機。
　　原設(shè)備系統(tǒng)采用的是繞線式異步電動機，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)速方法
　　 采用目前*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動中的大車、小車和起重機的速度迅速而準(zhǔn)確地降到0（使它們停止） ；
　　B.對于起重機，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)行機械制動仍然是必須的。
　　
　　2．2變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制要點
　　橋式起重機拖動系統(tǒng)的控制動作包括：大車的左、右行走及速度檔位；小車的前、后行走及速度檔位；起重機的升、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)行無觸點控制。
　　橋式起重機控制系統(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*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*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*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
　　機有足夠大的轉(zhuǎn)矩。這一功能保證了起重機有升降狀態(tài)降為0時，電動機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.起動前的直流強勵磁功能 變頻器可以在起動之前自動進(jìn)行直流強勵磁。使電動機有足夠大的轉(zhuǎn)矩（有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．橋式起重機采用變頻調(diào)速的優(yōu)點和系統(tǒng)介紹
　　 3.1變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的優(yōu)點
　　1.變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)的保護(hù)功能強
　　 A.變頻調(diào)速以其體積小、通用性強、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的運行控制，可以進(jìn)行電機的軟啟動，而讓電機具有很快的動態(tài)響應(yīng)并且實現(xiàn)無級調(diào)速；另外對電機的一些參數(shù)做到補償；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；
　　 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)子異步電動機在低速運行時，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)消耗的大量電能可以*節(jié)約，并且在起重機放下重物時，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%zui高頻率，并且調(diào)速平穩(wěn)，能夠長時間低速運行，具有很高的定位精度和運行效率。
　　6．可簡化傳動鏈 由于可以進(jìn)行無級調(diào)速，從而在機械上省去了非標(biāo)設(shè)計的減速箱，使傳動鏈結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化。
　　3.2變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的介紹
　　 1.大、小車運行機構(gòu) 大車為雙梁結(jié)構(gòu)，分別由兩臺4KW電動機拖動，用一臺較大的變頻器（15KW）供電；小車由單臺2.5KW電動機拖動，并且由單獨的變頻器（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 起重機大車行走系統(tǒng)圖
　　

 

　　圖1-4 起重機小車行走系統(tǒng)圖
　　2.起重機升降機構(gòu) 起重機升降的電動機由一臺電動機（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。針對橋式起重機的起重機升降機構(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，因此：
　　A.制動單元用標(biāo)準(zhǔn)配置就可以實現(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zui高水平，是計算機技術(shù)與工業(yè)控制技術(shù)的結(jié)合。具特點主要如下：
　　·體積小，結(jié)構(gòu)緊湊；
　　·采用功能強大的MCU和CPLD工業(yè)控制芯片；
　　·豐富的硬件資源，高執(zhí)行速度；
　　·強大的組網(wǎng)功能：支持MODBUS協(xié)議和自由端口協(xié)議；
　　·功能強大的用戶指令集，包括PID等復(fù)雜指令；
　　·*的抗干擾設(shè)計，重要數(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，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各種工況的協(xié)調(diào)，并決定起重機的各種工作狀態(tài)。系統(tǒng)軟件設(shè)計采用 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)動異步電動機調(diào)速，通常應(yīng)根據(jù)異步電動機的額定電流來選擇變頻器，或者根據(jù)異步電動機實際運行中的電流值（zui大值）來選擇變頻器，通常令變頻器的額定電流≥（1.05～1.10）電動機的額定電流或電動機實際運行中的zui大電流。
　　 I1nv≥（1.05～1.10）In或（1.05～1.10）Imax
　　式中I1nv--變頻器額定輸出電流（A）；
　　 In--電動機的額定電流（A）；
　　 Imax--電動機實際zui大電流（A）。
　　 大車小車行走是一般的負(fù)載，因此采用安川系列和安川系列變頻器驅(qū)動。對于起重機升降電動機，考慮到功能性負(fù)載，工作時總是重載起動、制動。而且要求盡可能地快速起動、制動。變頻器的容量是按上式計算得到的。根據(jù)實際情況，經(jīng)過與同類變頻器的性能與價格及售后服務(wù)等方面的綜合考慮，變頻器選用安川公司高性能矢量控制變頻器。安川變頻器采用目前*的矢量控制方式，通過對電機勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行解耦控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，能以很高的精度進(jìn)行寬范圍的調(diào)速運行。