变频器PLC在桥式起重机自动控制系统中的应用.docx

1、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4 kW繞線式非同步電動機、小車由一臺2.5 kW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

2、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

3、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、

4、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

5、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。22變頻調速系統的控制

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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（1.051.10）電動機的額定電流或電動機實際運行中的最大電流。 I1n

15、v（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。