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PLC、变频器在天车自动控制系统中的应用

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广东省技师职业资格评审论文

PLC、变频器在天车自动控制系统中的应用

单位:广州市斗原钢铁有限公司
姓名： 徐勤学
工种： 维修电工
时间： 2006.09。03

变频器、PLC在天车自动控制系统中的应用

广州斗原钢铁有限公司 徐勤学

摘要： 针对天车正常使用和维护保养过程当中,出现的电能浪费、设备故障率高、电器元件损耗大的问题进行分析，并通过自控改进解决了问题。
关键词：天车 大车 小车 PLC 变频器 电动机

前 言
天车也称桥式起重机，主要用来起吊、放下和搬运重物、并使重物在一定距离内水平移动的起重、搬运的设备，它是由大车、小车、减速机、电动机、控制系统等设备构成。我们公司是以生产镀锌钢卷为业务的加工型企业，由于钢卷的重量大、形状特殊,因此搬运完全依赖于天车，它的运转情况直接影响到公司的正常生产，甚至涉及到工人的人身安全.
一、问题的出现
因为生产需求，我司在仓库及车间各装配2台25吨起重量的天车，在使用过程当中经常出现相同问题:（1）起动电流过大，对电网冲击大;（2）机械设备使用寿命过短，电机连轴器、钢绳等机械易磨损；（3)接触器、继电器等电器元件的触头、线圈经常烧坏；(4）电动机故障率高。而维修天车属于高空作业，极不方便，而且天车故障很大程度上影响了生产进度。基于上述原因，公司派我对天车故障全面检查,进行改进.
二、故障检查与分析
经过详细的检查、试验以及分析,产生故障的原因有5个方面：
（1） 拖动电动机容量大，起动时电流对电网冲击大，而且电动机一直在额定转矩下工作，电能浪费严重。
　　（2） 天车升降、小车、大车起动、停止速度过快，而且都是惯性负载,机械冲击也较大，机械设备使用寿命缩短，操作人员的安全系数较差,设备运行可靠性较低。
　　（3） 天车每天需进行大量的搬运工作，由于绕线式电机调速是通过电气驱动系统中的主要控制元件-—-交流接触器并通过继电器来接入和断开电动机转子上串接的电阻，切换十分频繁，在电流比较大的状态下，容易烧坏触头、线圈。同时因工作环境恶劣，转子回路串接的铜电阻因灰尘、设备振动等原因经常烧坏、断裂。因而设备故障率比较高，维修工作量比较大。同样小车、大车的运转也存在上述问题.
　　(4） 在天车起升的瞬间，升降电动机有时会受力不均匀,易过载,直接造成电机损坏或者钢丝绳断裂。
　　（5） 为适应天车的工况，操作人员经常性的反复操作，导致天车的电器元件和电动机始终处于大电流工作状态,降低了电器元件和电动机的使用寿命。
针对上述现有技术存在的不足，我决定采用先进的可编程控制技术（PLC）和变频器技术，以程序控制取代继电器————接触器控制,交流电动机调速方式采用变频调速，进而实现天车的半自动化控制.公司看了我的意见之后，在原材料充分的情况下，决定改进仓库入口的天车。

三、改进方案
我认为首先应该改进的是交流电动机的调速方式，改进过程当中，我采取了变频器调节方案。
3。1拖动系统
　　1、电动机选型
　　A.大车与小车所用电动机 这个方面要求不高，选用普通的笼型转子异步电动机即可,因此，原设备系统的电动机不需作改动;
　　B.升降用电动机 由于要求比较高，应选用变频专用的笼型转子异步电动机。原设备系统采用的是绕线式异步电动机，出于经济方面的考虑，通过短接转子回路也能进行使用。
　　2、调速方法
　　 采用目前国际先进技术，具有矢量控制功能的变频调速系统。变频后转速可以分档控制，改进中对主钩电动机我采用3段速度运行，从低到高逐步切换,这样，就有效的防止了电动机的全矩启动。
　　3、制动方式
　　 在改造过程当中，采用何种制动方式显得至关重要，既要准确制动实现自动控制，又要防止突发事件，因此我采用了再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。这种结合方法具有如下两个优点:
　　A.首先，通过变频器调速系统的再生制动和直流制动把运动中的大车、小车和起重机的速度迅速而准确地降到0（使它们停止) ；
　　B。对于天车，常常会有重物在半空中停留一段时间（如重物在半空中平移）,而变频调速系统虽然能使重物静止，但因设备容易受到外界因素的干扰，（如在平移过程中常易出现的瞬间断电）因此，利用电磁制动器进行机械制动仍然是必须的。
3。2变频调速系统的控制要点
　　天车拖动系统的控制动作包括：大车的左、右行走及速度档位；小车的前、后行走及速度档位；起重机的升、降及速度档位等。所有这些，都可以通过可编程序控制器(PLC）进行无触点控制。
　　天车控制系统中需要引起注意的是关于防止溜钩的控制.在电磁制动器抱住之前和松开之后的瞬间，极易发生重物由停止状态下滑的现象，称为溜钩。
　　防止溜钩的控制需要注意的关键问题是：
　　1）电磁制动器在通电到断电(或从断电到通电）之间是需要时间的，经精确测试，大约0.6秒.因此，变频器如过早地停止输出，将容易出现溜钩。
　　2）变频器必须避免在电磁制动器抱闸的情况下输出较高频率，以免发生“过流”而跳闸的误动作。
　　为此，我采取了如下控制方法：
　　1．重物高空停止的控制过程
　　A．设定一个“停止起始频率”5Hz,当变频器的工作频率下降到5Hz时，变频器将输出一个“频率到达信号”，发出制动电磁铁断电指令;
　　B。 另外将5Hz的维持时间设定为0。8秒， 略大于制动电磁铁从开始释放到完全抱闸所需要的时间0.6秒；
　　C. 经过0.8秒之后，变频器将工作频率下降止0,此时,主钩电动机停止工作。
　　2． 重物升降的过程
　　A． 设定一个“升降起始频率”5Hz，当变频器的工作频率上升到5Hz时,将暂停上升.为了确保当制动电磁铁松开后,变频器已经能控制住重物的升降而不会溜钩,所以，在工作频率达到5Hz的同时，变频器将开始检测电流，并将检测电流所需要的时间设定为0。3秒;
　　B．当变频器确认已经有足够大的输出电流时,将发出一个“松开指令"，使制动电磁铁开始通电；
　　C. 此时，还需设定一个升降起始频率的维持时间，改造中，我将此时间设定为0.8秒,略大于制动电磁铁从通电到完全松开所需要的时间；
　　D. 变频器将工作频率上升至所需频率,现在，天车就可以开始起升重物了。
　　3。 变频器的零速全转矩功能和直流制动励磁功能
　　 因此选用的变频器必须具备有效的防止溜钩的一些独特的制动功能，如：
　　 A.零速全转矩功能 变频器可以在速度为0的状态下，保持电动机有足够大的转矩。这一功能保证了起重机有升降状态降为0时，电动机能够使重物在空中停止，直到电磁制动器将轴抱住为止，从而防止了溜钩的放生。
　　 B.起动前的直流强励磁功能 变频器可以在起动之前自动进行直流强励磁。使电动机有足够大的转矩，维持重物在空中的停住状态，以保证电磁制动器在释放过程中不会溜钩。
4。 变频调速控制系统的介绍
　　A。大、小车运行机构 大车为双梁结构,分别由两台7.5KW电动机拖动，用一台较大的变频器（20KW）供电；
B。小车由单台2.2KW电动机拖动，并且由单独的变频器（3.7KW）供电.
C。起重机升降机构 起重机升降由一台电动机（45KW）驱动，所以应选用一台较大的变频器(50KW）。
D。制动单元和制动电阻 本系统对于重物下降时电动机再生的电能，采取由变频器外接的制动单元和制动电阻消耗掉的方式。针对天车的起重机升降机构起、降制动频繁，要求制动的转矩较大，以及下降时制动状态的持续时间较长等特点，因此：原制动系统不需作改变。
　　E。变频器选择：
　　在改造过程中，我选用了三菱系列FR—A540变频器.
采用变频器驱动异步电动机调速，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器,或者根据异步电动机实际运行中的电流值（最大值）来选择变频器，通常令变频器的额定电流≥（1.05～1.10）电动机的额定电流或电动机实际运行中的最大电流。
　　 I1nv≥（1.05～1。10）In或(1。05～1。10）Imax
式中 I1nv—-变频器额定输出电流（A）；
　　 In--电动机的额定电流(A）；
　　 Imax--电动机实际最大电流（A）。
对于起重机升降电动机（45KW），考虑到功能性负载，工作时总是重载起动、制动。而且要求尽可能地快速起动、制动。变频器的容量是按上式计算得到的.根据实际情况，经过与同类变频器的性能与价格及售后服务等方面的综合考虑，变频器选用三菱公司高性能矢量控制变频器.三菱FR—A540变频器采用目前国际先进的磁通矢量控制方式(无速度传感器调节范围1:120，有速度传感器1：1000），通过对电机励磁电流和转矩电流进行解耦控制，实现转矩的快速响应和准确控制，能以很高的精度进行宽范围的调速运行。另外FR—A540具多速控制功能,操作更方便.
5.变频器参数设定：
主钩变频器多段速度设定：将Pr4设定为50Hz，Pr5设定为20Hz,Pr6设定为5Hz（Pr4.Pr5.Pr6为变频器高.中。低速设定），Pr79设定为3（外部控制模式）。
6。可编程序控制器（PLC）选择：
　　 此方案,我选用了三菱FX2N系列的PLC，PLC 按控制程序、输入控制信号来完成起重机各种工况的协调，并决定起重机的各种工作状态.系统软件设计采用 PLC梯形图语言来编程完成，用 PLC控制工作可靠，扫描速度快，控制非常灵活。
7。控制电路:
在控制电路方面，我采取如下方式：打开控制手柄开关,主接触器得电，被控设备包括PLC及所有三个变频器,这时按下控制手柄启动键，PLC运行，天车投入工作，按下控制手柄停止键，PLC断电，天车停止运行,在天车控制方面,实行点动控制,主钩电动机和电磁铁线圈互锁。
控制手柄与PLC接线图
X0
启动
Y0
Y1
Y2
主钩电动机正转低速
主钩电动机正转中速
主钩电动机正转高速
起升低速
起升中速
起升高速
X1
停止
Y3
Y4
Y5
主钩电动机反转低速
主钩电动机反转中速
主钩电动机反转高速
下放低速
下放中速
下放高速

Y6
大车电动机1正转
大车电动机2反转
大车前进

Y7
大车电动机1反转
大车电动机2正转
大车后退

Y8
小车电动机正转
小车向左

Y9
小车电动机反转
小车向右
PLC与变频器接线图服
Y0、Y1、Y2
主钩变频器
STR 正转
Y3、Y4、Y5
主钩变频器
STF 反转
Y6
大车变频器
STR 正转
Y7
大车变频器
STF 反转
Y8
小车变频器
STR 正转
Y9
小车变频器
STF 反转
四、效果
针对原控制系统中的不足，经过改造后的变频调速控制系统具有以下几个优点：
　　1.变频器调速控制系统的保护功能强
使用变频器控制电机的运行，可以进行电机的软启动,而让电机具有很快的动态响应并且实现无级调速；对电源的缺相、欠压、过压、过流等都能做到很及时准确的检测而自动采取应变措施保护电机；
　　2.工作可靠性显著提高，主要有以下几个方面:
　　 A.电磁铁的寿命可大大延长 原拖动系统是在运动的状态下进行抱闸的，采用变频调速后，可以在基本停住的状态下进行抱闸，闸皮的磨损情况大为改善；
　　 B。控制系统的故障率大为下降 原系统是由于十分复杂的接触器、继电器系统进行控制的，故障率较高。采用了变频调速控制系统后，控制系统大大简化，可靠性大为提高；
C。停电减速功能 可以在意外停电时使天车减速停止，消除了突然停车所带来的隐患。
　　3。节能效果十分可观 绕线转子异步电动机在低速运行时，转子回路的外接电阻内消耗大量的电能。采用变频调速系统后，非但外接电阻内消耗的大量电能可以完全节约，并且在起重机放下重物时，还可将重物释放的位能反馈给电源.这样，每小时节省的电费相当可观。
　　4．调速质量明显提高 采用了变频调速系统后，调速平稳，能够长时间低速运行，具有很高的定位精度和运行效率.
　　5．可简化传动链 由于可以进行无级调速,从而在机械上省去了非标设计的减速箱，使传动链结构简单，设计标准化。
五、结束语
通过对本公司天车控制系统的改造，解决了其设计中存在的安全隐患,为企业的正常生产提供了有力保障,获得了明显的经济效益。
在改造的过程中有几点体会特别深刻：
1.节能减耗 面对全球资源日益减少的今天,每一份资源都值得我们珍惜，每一个人都应该作出自己的贡献.相对来说,变频控制对我们来说是一种投资较大、回报较慢的新兴技术，但是从长远来说，日积月累，节省的开支相当可观。
2。技术创新 在科技日新月异的今天，只有不断学习,才能适应时代的发展，创新是一种文化、是一种动力、是发展中不变的主题.创新所带来的是质的飞跃，将会带领我们走向一个又一个高峰。
致谢:
本文在撰写过程中，非常高兴得到了广东省机械技工学校陈令平老师等人的指导，并对本文的修改提出了宝贵的意见，谨此表示感谢！
参考文献：
詹业宏、吴福根编,《电工技术基础》广东教育出版社，1994年8月第一版。

2006.09。10