变频器PLC在桥式起重机自动控制系统中的应用.docx

变频器PLC在桥式起重机自动控制系统中的应用.docx

《变频器PLC在桥式起重机自动控制系统中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变频器PLC在桥式起重机自动控制系统中的应用.docx（5页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

变频器PLC在桥式起重机自动控制系统中的应用

變頻器、PLC在橋式起重機自動控制系統中的應用

　　一、原系統分析：

　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、並使重物在一定距離內水準移動的起重、搬運設備，在生產過程中有著重要應用。

5噸橋式起重機，原設備電氣驅動系統分為起重機升降、小車、大車三部份。

其中起重機升降由一臺13kW的繞線式非同步電動機驅動，大車由兩臺4kW繞線式非同步電動機、小車由一臺2.5kW繞線式非同步電動機驅動。

在原傳動控制中，採用轉子串接電阻的調速方式.由於工作環境差,粉塵和有害氣體對電機的集電環、電刷和接觸器腐蝕性大，加上工作任務重,實際超載率高,由於衝擊電流偏大,容易造成電動機觸頭燒損、電刷冒火、電動機及轉子所串電阻燒損和斷裂等故障,影響現場生產和安全,工人維修量和產生的維修費用也很高.並且原調速方式機械特性較差,調速不夠平滑，所串電阻長期發熱浪費能量。

綜上所述原設備存在的主要缺點如下：

（1）拖動電動機容量大，起動時電流對電網衝擊大，電能浪費嚴重。

（2）起重機升降、小車、大車起動、停止速度過快，而且都是慣性負載，機械衝擊也較大，機械設備使用壽命縮短，操作人員的安全係數較差，設備運行可靠性較低。

　　（3）由於電動機一直在額定轉矩下工作，而每次升降的負載是變化的，因此容易造成比較大的電能浪費。

　　（4）起重機每天需進行大量的裝卸操作，由於繞線式電機調速是通過電氣驅動系統中的主要控制元件---交流接觸器來接入和斷開電動機轉子上串接的電阻，切換十分頻繁，在電流比較大的狀態下，容易燒壞觸頭。

同時因工作環境惡劣，轉子回路串接的銅電阻因灰塵、設備振動等原因經常燒壞、斷裂。

因而設備故障率比較高，維修工作量比較大。

同樣小車、大車的運轉也存在上述問題。

　　（5）在起重機起升的瞬間，升降電動機有時會受力不均勻，易超載，直接造成電機損壞或者鋼絲繩斷裂。

　　（6）為適應起重機的工況，起重機的操作人員經常性的反復操作，起重機的電器元件和電動機始終處於大電流工作狀態，降低了電器元件和電動機的使用壽命。

　　（7）起重機工作的協調性主要靠操作人員的熟練程度。

由於升降、大車、小車三個凸輪控制器之間沒有固定的聯繫，在起重機工作時操作人員勞動強度比較大，容易疲勞，易產生誤操作。

　　針對上述現有技術存在的不足，本次改造的起重機採用先進的可編程控制技術（PLC）和變頻器技術，以程式控制取代繼電器----接觸器控制，交流電動機調速方式採用變頻調速，進而實現了起重機的半自動化控制。

　　二、改造方案：

　　交流電動機的調速方式很多,針對上述現有技術存在的不足，綜合各種性能最佳者為變頻調速方式。

　　2.1拖動系統

　　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子非同步電

　　動機；

　　B.升降用電動機由於要求比較高，應選用變頻專用的籠

　　型轉子非同步電動機。

　　原設備系統採用的是繞線式非同步電動機，出於經濟方面的考慮，通過短接轉子回路也能進行使用。

　　2、調速方法

　　採用目前國際先進技術具有向量控制功能的變頻調速系統。

變頻後轉速可以分檔控制，一般採用6段速度運行，從低到高自由切換。

　　3、制動方式

　　採用再生制動、直流制動和電磁機械制動相結合的方法。

　　A.首先，通過變頻器調速系統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確地降到0（使它們停止）；

　　B.對於起重機，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），而變頻調速系統雖然能使重物靜止，但因設備容易受到外界因素的干擾，（如在平移過程中常易出現的瞬間斷電）因此，利用電磁制動器進行機械制動仍然是必須的。

　　2．2變頻調速系統的控制要點

　　橋式起重機拖動系統的控制動作包括：

大車的左、右行走及速度檔位；小車的前、後行走及速度檔位；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）進行無觸點控制。

　　橋式起重機控制系統中需要引起注意的是關於防止溜鉤的控制。

在電磁制動器抱住之前和鬆開之後的瞬間，極易發生重物由停止狀態下滑的現象，稱為溜鉤。

　　防止溜鉤的控制需要注意的關鍵問題是：

　　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．設定一個“停止起始頻率”fBS,當變頻器的工作頻率下降

　　到fBS時，變頻器將輸出一個“頻率到達信號”，發出制動電磁鐵斷電指令；

　　B.設定一個fBS的維持時間tBB,tBB長短應略大於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．設定一個“升降起始頻率”fRD,當變頻器的工作頻率上升到fRD

　　時，將暫停上升。

為了確保當制動電磁鐵鬆開後，變頻器已經能控制住重物的升降而不會溜鉤，所以，在工作頻率達到fRD的同時，變頻器將開始檢測電流，並設定檢測電流所需要的時間tRC；

　　B．當變頻器確認已經有足夠大的輸出電流時，將發出一個“鬆開

　　指令”，使制動電磁鐵開始通電；

　　C.設定一個fRD的維持時間tRD，tRD的長短應略大於制動電磁鐵從通電到完全鬆開所需要的時間；

　　D.變頻器將工作頻率上升止所需頻率。

　　如圖1-2所示:

　　3.變頻器的零速全轉矩功能和直流制動勵磁功能

　　艾默生高性能向量TD3000系列變頻器，具備了有效的防止溜鉤的一些獨特的制動功能，如：

　　A.零速全轉矩功能變頻器可以在速度為0的狀態下，保持電動

　　機有足夠大的轉矩。

這一功能保證了起重機有升降狀態降為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行直流強勵磁。

使電動機有足夠大的轉矩（有速度感測器的向量控制：

200%rpm；無速度感測器的向量控制：

150%/0.5Hz）,維持重物在空中的停住狀態，以保證電磁制動器在釋放過程中不會溜鉤。

　　三．橋式起重機採用變頻調速的優點和系統介紹

　　3.1變頻調速控制系統的優點

　　1.變頻器調速控制系統的保護功能強

　　A.變頻調速以其體積小、通用性強、動態回應快、工作頻率高、保護性能完善、可靠性好、使用方便等卓越的性能而優於以往的任何調速方式；

　　B.使用變頻器控制電機的運行控制，可以進行電機的軟啟動，而讓電機具有很快的動態回應並且實現無級調速；另外對電機的一些參數做到補償；對電源的缺相、欠壓、過壓、過流等都能做到很及時很準確的檢測而自動採取應變措施保護電機；

　　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是在運動的狀態下進行抱閘的，採用變頻調速後，可以在基本停住的狀態下進行抱閘，閘皮的磨損情況大為改善；

　　B.操作手柄不易損壞原系統的操作手柄因常常受力過大，屬於易損件。

採用變頻調速後，操作手柄的受力將大大的減小，不容易損壞；

　　C.控制系統的故障率大為下降原系統是由於十分複雜的接觸器、繼電器系統進行控制的，故障率較高。

採用了變頻調速控制系統後，控制系統可大大簡化，可靠性大為提高。

　　3.節能效果十分可觀繞線轉子非同步電動機在低速運行時，轉子回路的外接電阻內消耗大量的電能。

採用變頻調速系統後，非但外接電阻內消耗的大量電能可以完全節約，並且在起重機放下重物時，還可將重物釋放的位能回饋給電源。

　　5．調速品質明顯提高採用了變頻調速系統後，調速範圍有PG向量控制時1：

1000，無PG向量控制時1：

100，速度控制精度有速度感測器向量控制0.05%，無速度感測器向量控制0.5%最高頻率，並且調速平穩，能夠長時間低速運行，具有很高的定位精度和運行效率。

　　6．可簡化傳動鏈由於可以進行無級調速，從而在機械上省去了非標設計的減速箱，使傳動鏈結構簡單，設計標準化。

　　3.2變頻調速控制系統的介紹

　　1.大、小車運行機構大車為雙梁結構，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，並且由單獨的變頻器（3.7KW）供電。

　　大、小車變頻器都有預置為V/F控制方式。

大、小車系統圖如1-3圖和1-4圖所示；

　　圖1-3起重機大車行走系統圖

　　圖1-4起重機小車行走系統圖

　　2.起重機升降機構起重機升降的電動機由一臺電動機（13KW）驅動。

系統框圖如圖1-5所示：

　　3.制動單元和制動電阻本系統對於重物下降時電動機再生的電能，採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起、制動頻繁，要求制動的轉矩較大，以及下降時制動狀態的持續時間較長等特點，因此：

　　A.制動單元用標準配置就可以實現制動過程的功能。

　　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）公司致力於工業自動化領域全新推出的新一代可編程序控制器，它代表了工業自動化控制的最高水準，是最新電腦技術與工業控制技術的完美結合。

具特點主要如下：

　　·體積小，結構緊湊；

　　·採用功能強大的最新MCU和CPLD工業控制專用晶片；

　　·豐富的硬體資源，高執行速度；

　　·強大的組網功能：

支持MODBUS協議和自由端口協議；

　　·功能強大的用戶指令集，包括PID等複雜指令；

　　·獨特的抗干擾設計，重要數據的掉電保護功能；

　　·板件嚴格的三防處理，寬電壓設計，適應惡劣現場環境。

　　PLC按控制程式、輸入控制信號來完成起重機各種工況的協調，並決定起重機的各種工作狀態。

系統軟體設計採用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。

　　採用變頻器驅動非同步電動機調速，通常應根據非同步電動機的額定電流來選擇變頻器，或者根據非同步電動機實際運行中的電流值（最大值）來選擇變頻器，通常令變頻器的額定電流≥（1.05～1.10）電動機的額定電流或電動機實際運行中的最大電流。

　　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--電動機實際最大電流（A）。

　　大車小車行走是一般的負載，因此採用安川系列和安川系列變頻器驅動。

對於起重機升降電動機，考慮到功能性負載，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。

根據實際情況，經過與同類變頻器的性能與價格及售後服務等方面的綜合考慮，變頻器選用安川公司高性能向量控制變頻器。

安川變頻器採用目前國際先進的向量控制方式，通過對電機勵磁電流和轉矩電流進行解耦控制，實現轉矩的快速回應和準確控制，能以很高的精度進行寬範圍的調速運行。