龔徐科 寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，浙江 寧波 315000

基于PLC的變頻調(diào)速在雙小車(chē)橋式起重機(jī)中的應(yīng)用

龔徐科 寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，浙江 寧波 315000

本文采用可編程控制器和觸摸屏控制技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)的起重機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)其運(yùn)行速度進(jìn)行了變頻調(diào)速,實(shí)現(xiàn)了速度的平滑過(guò)渡，減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

PLC；變頻器；觸摸屏；控制系統(tǒng)

橋式起重機(jī)作為物料搬運(yùn)機(jī)械在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著舉足輕重的地位。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)橋式起重機(jī)制造廠(chǎng)家和使用單位在設(shè)計(jì)、制造、安裝、改造、維修、使用管理等方面，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)技術(shù)，推動(dòng)了橋式起重機(jī)的技術(shù)進(jìn)步。但在實(shí)際使用中，結(jié)構(gòu)開(kāi)裂仍時(shí)有發(fā)生。究其原因是頻繁的超負(fù)荷作業(yè)及過(guò)大的機(jī)械振動(dòng)沖擊所引起的機(jī)械疲勞所致。因此，除了機(jī)械上改進(jìn)設(shè)計(jì)外，改善交流電氣傳動(dòng)，減少起制動(dòng)沖擊，也是一個(gè)很重要的方面。要從根本上解決上述問(wèn)題，必須徹底改變傳統(tǒng)的控制方式。變頻技術(shù)的運(yùn)用使得起重機(jī)的整體特性得到較大提高，可以解決傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)中存在的諸多問(wèn)題，變頻調(diào)速以其可靠性好，高品質(zhì)的調(diào)速性能、節(jié)能效益顯著的特性在起重運(yùn)輸機(jī)械行業(yè)中具有廣泛的發(fā)展前景。

1 傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)

傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的控制系統(tǒng)主要采用交流繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行啟動(dòng)和調(diào)速，繼電-接觸器控制，這種控制系統(tǒng)的主要缺主點(diǎn)有：

1.1 橋式起重機(jī)工作環(huán)境差，工作任務(wù)重，電動(dòng)機(jī)以及所串電阻燒損和斷裂故障時(shí)有發(fā)生；

1.2 繼電-接觸器控制系統(tǒng)可靠性差，操作復(fù)雜，故障率高；

1.3 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，機(jī)械特性軟，負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)速不理想。所串電阻長(zhǎng)期發(fā)熱，電能浪費(fèi)大，效率低；

1.4 接觸器噪音大，接線(xiàn)量多，更改控制邏輯困難；

1.5 機(jī)械沖擊大，起升機(jī)構(gòu)在變速過(guò)程中所產(chǎn)生的機(jī)械沖擊的大小將直接影響起重機(jī)結(jié)構(gòu)件的疲勞損傷程度，從而引發(fā)重大事故。

Te=CmФmI2cos φ2（3）

其中： Eg—?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嗬@組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值(V)；

N1—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

KN1—電動(dòng)機(jī)基波繞組系數(shù)；

Фm電動(dòng)機(jī)氣隙中每極合成主磁通(Wb)；

Te—電磁轉(zhuǎn)矩(N.m)；

Cm—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

I2—轉(zhuǎn)子電流折算到定子一側(cè)的電流有效值(A)；

cos φ2—轉(zhuǎn)子電路的各相功率因數(shù)。

由式(2),(3)可知，當(dāng)改變f1進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)Фm、Eg、Te等物理量的變化。對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，希望電動(dòng)機(jī)的主磁通Фm保持額定值不變。磁通太弱，鐵心利用不充分，同樣轉(zhuǎn)子電流下，電磁轉(zhuǎn)矩小，電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力下降;磁通太強(qiáng)，則處于過(guò)勵(lì)磁狀態(tài)，使勵(lì)磁電流過(guò)大。故僅僅改變電源的頻率難以獲得最佳的調(diào)速特性，因此變頻調(diào)速是通過(guò)改變控制異步電動(dòng)機(jī)的定子電動(dòng)勢(shì)和定子頻率來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而獲得所需要的啟動(dòng)和調(diào)速特性。

要實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，應(yīng)在不損壞電機(jī)的條件下，充分利用電機(jī)鐵心，發(fā)揮電機(jī)轉(zhuǎn)矩的能力，在變頻時(shí)保持每極磁通量為額定值不變。其調(diào)速過(guò)程分為兩種，一種是基頻以下調(diào)速，另一種是基頻以上調(diào)速，把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來(lái)，可得到異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制特性，如圖1所示。如果電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動(dòng)機(jī)都能在溫升容許的條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”，而在基頻以上，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。

圖1 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)的控制特性

2 變頻調(diào)速的基本原理

根據(jù)異步電機(jī)的知識(shí)，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：

其中: n－異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；

f－定子的電源頻率，單位為Hz；

S－電機(jī)的轉(zhuǎn)速滑差率；

P－電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

單從式(1)來(lái)看，只要改變定子交流電的頻率f就可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，但是事實(shí)上，只改變f并不能實(shí)現(xiàn)正常的調(diào)速。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常不僅要求實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，同時(shí)還要求調(diào)速系統(tǒng)具有滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求的機(jī)械特性和調(diào)速性能指標(biāo)。

3 雙小車(chē)橋式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

3.1 雙小車(chē)橋式起重機(jī)總體結(jié)構(gòu)

雙小車(chē)橋式起重機(jī)由40T起重小車(chē)和20T起重小車(chē)、橋架金屬結(jié)構(gòu)、橋架運(yùn)行機(jī)構(gòu)以及電氣控制設(shè)備等四個(gè)部分組成。機(jī)構(gòu)主要包括40T小車(chē)起升機(jī)構(gòu)、20T小車(chē)起升機(jī)構(gòu)、40T小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、20T小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)。在電氣控制系統(tǒng)中，其供電一般是通過(guò)安全滑觸線(xiàn)將電源輸送到起重機(jī)配電箱上，起重機(jī)為低壓供電系統(tǒng)，電氣控制部分集中在電氣房?jī)?nèi)，安全保護(hù)裝置裝在適當(dāng)?shù)奈恢蒙??？刂葡到y(tǒng)主要由PLC控制，四大機(jī)構(gòu)調(diào)速均采用變頻調(diào)速。由于各機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)不同，對(duì)調(diào)速要求也不相同。橋式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由上位機(jī)(工業(yè)觸摸屏系統(tǒng))、下位機(jī)(PLC控制系統(tǒng))、變頻調(diào)速系統(tǒng)組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 雙小車(chē)橋式起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù):

本文所述起重機(jī)型號(hào)為QE40+（20）-16.95A5，其中額定起重量（Q）為40T，跨度(L)為16.95m，40T小車(chē)起升速度為4m/min，20T小車(chē)起升速度為8m/min，兩小車(chē)運(yùn)行速度都為25m/min，大車(chē)運(yùn)行速度為30m/min，工作級(jí)別為A5，操作方式采用遙控加地面隨行操縱。

3.3 PLC控制系統(tǒng)

根據(jù)起重機(jī)的實(shí)際控制要求，系統(tǒng)有輸入點(diǎn)64個(gè)，輸出點(diǎn)37個(gè)，所以采用三菱公司生產(chǎn)的型號(hào)為FX2N-80MR-001的PLC，擴(kuò)展模塊采用FX2N-16EX。操作人員通過(guò)操作按鈕和主令控制器控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速、保護(hù)等。指令信號(hào)傳入PLC，指令信息通過(guò)PLC內(nèi)程序處理后，由PLC向變頻器發(fā)處起停、調(diào)速等指令信號(hào)，變頻器將根據(jù)控制指令按照控制要求調(diào)節(jié)變頻器的輸出相序和頻率來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方向和轉(zhuǎn)速，取代原來(lái)的傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)，在控制過(guò)程中PLC是整個(gè)系統(tǒng)的核心。

3.4 變頻調(diào)速系統(tǒng)

變頻器采用日本安川A1000系列矢量控制變頻器，該類(lèi)型變頻器自身保護(hù)功能齊全，如對(duì)過(guò)熱、過(guò)載、過(guò)壓、過(guò)流、缺相、接地等故障都能及時(shí)報(bào)警及停止，減少了起重機(jī)故障，提高了其安全性能。同時(shí)安川變頻器具有限流功能，可以減少啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，有利于車(chē)間內(nèi)其它設(shè)備正常運(yùn)行。其接線(xiàn)端子有通訊接口，配備相應(yīng)的通訊模塊，通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)集中控制(設(shè)定變頻器控制命令、運(yùn)行頻率、相關(guān)功能碼參數(shù)的修改，變頻器工作狀態(tài)及故障信息的監(jiān)控等)。起升機(jī)構(gòu)電機(jī)使用脈沖編碼器作為速度反饋裝置。通過(guò)測(cè)量脈沖編碼器的脈沖數(shù)，利用二者之差控制電機(jī)的速度。

3.5 觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)采用上下位機(jī)的方式，上位機(jī)采用日本三菱公司的F900GOT觸摸屏，下位機(jī)是PLC，其任務(wù)是執(zhí)行程序，進(jìn)行橋式起重機(jī)變頻調(diào)速控制。

觸摸屏可在惡劣的工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用，具有交互性好、可靠性高、編程簡(jiǎn)單、與PLC連接簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。成為代替普通或工控計(jì)算機(jī)作為人機(jī)界面的良好選擇。觸摸屏主要用于實(shí)時(shí)顯示設(shè)備或系統(tǒng)在操作狀態(tài)方面的實(shí)時(shí)信息，還可多幅畫(huà)面切換顯示圖形、字符串、報(bào)警信息、歷史記錄等。本系統(tǒng)中A960GOT觸摸屏的主要任務(wù)是對(duì)橋式起重機(jī)四個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)故障及時(shí)報(bào)警。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)定的功能，同時(shí)要求人機(jī)界面友好，可靠性好，易于操作和維護(hù)。可分為上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，控制流程圖，如圖3所示。

圖3 控制流程圖

4.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用三菱工業(yè)觸摸屏，主要用于設(shè)定參數(shù)、用戶(hù)登錄、工作時(shí)間和工作量記錄、報(bào)表生成以及和下位機(jī)通訊等。包括的模塊主要有：多用戶(hù)登錄密碼驗(yàn)證模塊、參數(shù)設(shè)定模塊，以及通訊模塊等。

4.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)采用三菱的可編程控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)吊鉤升降、大車(chē)運(yùn)行、小車(chē)運(yùn)行速度的控制。根據(jù)負(fù)荷重量的大小，通過(guò)變頻器，對(duì)起升電機(jī)、大車(chē)電機(jī)和小車(chē)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。接收和處理旋轉(zhuǎn)編碼器和限位器的信號(hào)，并做出響應(yīng)，保證系統(tǒng)的安全性。同時(shí)和上位機(jī)通訊，把數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。

5 總結(jié)

工業(yè)觸摸屏、可編程控制器與變頻器相結(jié)合，應(yīng)用于起重機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，提高了操作精度和穩(wěn)定性，完善了綜合保護(hù)功能，便于發(fā)現(xiàn)和處理故障。此外通過(guò)觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控起重機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況并查詢(xún)運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以通過(guò)觸摸屏的人機(jī)交互界面啟停電機(jī)、設(shè)定變頻器的運(yùn)行頻率等。改善了傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，提高了其可靠性和可操作性，完善了其整體性能，大大提高了其工作效率。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.22.056