PLC在天車變頻控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　邢媛

　?。ㄇ鄭u橡膠輪胎設(shè)計(jì)院，山東青島266042）

　　摘要：通過對(duì)工廠現(xiàn)使用的天車進(jìn)行研究和分析，對(duì)該系統(tǒng)通過主令控制器給定plc的速度信號(hào)來對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速，橋式起重機(jī)大車、小車、主鉤、副鉤電動(dòng)機(jī)都需獨(dú)立運(yùn)行，大車為兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)拖動(dòng)，所以整個(gè)系統(tǒng)有5臺(tái)電動(dòng)機(jī)，4臺(tái)變頻器，并由1臺(tái)plc分別加以控制。

　　關(guān)鍵詞：天車；PLC；變頻器；電機(jī)

　　中途分類號(hào)：TP9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

　　前言

　　橋式起重機(jī)是橋架在高架軌道上運(yùn)行的一種橋架型起重機(jī)，又稱天車。橋式起重機(jī)的橋架沿鋪設(shè)在兩側(cè)高架上的軌道縱向運(yùn)行，起重小車沿鋪設(shè)在橋架上的軌道橫向運(yùn)行，構(gòu)成一矩形的工作范圍，就可以充分利用橋架下面的空間吊運(yùn)物料，不受地面設(shè)備的阻礙。橋式起重機(jī)廣泛地應(yīng)用在室內(nèi)外倉庫、廠房、碼頭和露天貯料場(chǎng)等處。橋式起重機(jī)可分為普通橋式起重機(jī)、簡易粱橋式起重機(jī)和冶金專用橋式起重機(jī)三種。

　　起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式可分為兩大類：一類為集中驅(qū)動(dòng)，即用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)長傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)兩邊的主動(dòng)車輪；另一類為分別驅(qū)動(dòng)、即兩邊的主動(dòng)車輪各用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。中、小型橋式起重機(jī)較多采用制動(dòng)器、減速器和電動(dòng)機(jī)組合成一體的“三合一”驅(qū)動(dòng)方式，大起重量的普通橋式起重機(jī)為便于安裝和調(diào)整，驅(qū)動(dòng)裝置常采用萬向聯(lián)軸器。起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)一般只用四個(gè)主動(dòng)和從動(dòng)車輪，如果起重量很大，常用增加車輪的辦法來降低輪壓。當(dāng)車輪超過四個(gè)時(shí)，必須采用鉸接均衡車架裝置，使起重機(jī)的載荷均勻地分布在各車輪上。

　　脫錠起重機(jī)用以把鋼錠從鋼錠模中強(qiáng)制脫出。小車上有專門的脫錠裝置，脫錠方式根據(jù)錠模的形狀而定：有的脫錠起重機(jī)用項(xiàng)桿壓住鋼錠，用大鉗提起錠模；有的用大鉗壓住錠模，用小鉗提起鋼錠。加料起重機(jī)：用以將爐料加到平爐中。主小車的立柱下端裝有挑桿，用以挑動(dòng)料箱并將它送入爐內(nèi)。主柱可繞垂直軸回轉(zhuǎn)，挑桿可上下擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)。副小車用于修爐等輔助作業(yè)。鍛造起重機(jī)：用以與水壓機(jī)配合鍛造大型工件。主小車吊鉤上懸掛特殊翻料器，用以支持和翻轉(zhuǎn)工件；副小車用來抬起工件。

　　某玻璃廠備煤車間的抓斗式橋式吊車用于裝煤，玻璃的放場(chǎng)，將玻璃從地面抓放到停放在附近的列車上。橋式吊車電氣傳動(dòng)共有大車電機(jī)2臺(tái)，小車電機(jī)1臺(tái)，抓斗電機(jī)1臺(tái)，抓斗提升電機(jī)1臺(tái)，均為繞線式交流電動(dòng)機(jī)，采用轉(zhuǎn)子串電阻的方法啟動(dòng)和調(diào)速。由于工作環(huán)境惡劣，粉塵和有害氣體對(duì)電機(jī)滑環(huán)、碳刷及21個(gè)接觸器腐蝕較大，加上任務(wù)重，操作程序難以保證，沖擊電流大，觸頭消蝕嚴(yán)重，碳刷冒火，電機(jī)及轉(zhuǎn)子繞組所串電阻燒損、斷裂故障時(shí)有發(fā)生，平均每月發(fā)生較大的故障2.5次，對(duì)生產(chǎn)影響較大.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)速效果差，所串電阻長期發(fā)熱，電能浪費(fèi)大，效率低，因此要從根本上解決橋式吊車故障率高的問題，只有利用PLC作為控制裝置以及徹底改變繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速方式。

　　120/5t天車基本參數(shù)

　　天車早已系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。其統(tǒng)一參數(shù)如下：

　　1.質(zhì)量和載荷參數(shù)：起重量G，有效起重量Gp，額定起重量Gn，總起重量Gt，最大起重量Gmax，起重力矩M，起重傾覆力矩MA，起重機(jī)總質(zhì)量Go，輪壓P

　　2.起重機(jī)尺寸參數(shù)：幅度L，最大幅度Lmax，最小幅度Lmin，懸臂有效伸縮距l(xiāng)，起升高度H，下降深度h，起升范圍D，起重臂長度Lb，起重機(jī)傾角

　　3.運(yùn)動(dòng)速度參數(shù)：起升（下降）速度Vn，微速下降速度Vm，回轉(zhuǎn)速度ω，起重機(jī)(大車)運(yùn)行速度Vk，小車運(yùn)行速度Vt，變幅速度Vr

　　4.與起重機(jī)運(yùn)行線路有關(guān)的參數(shù)：跨度S

　　5.一般性能參數(shù)：工作級(jí)別，機(jī)構(gòu)工作級(jí)別

　　6.跨度指橋式起重機(jī)運(yùn)行軌道中心線之間的水平距離，單位為m，橋式起重機(jī)的小車運(yùn)行軌道中心線之間的距離稱為小車的軌距，地面有軌運(yùn)行的臂架式起重機(jī)的運(yùn)行軌道中心線之間的距離稱為該起重機(jī)的軌距。圖表1為通用橋式起重機(jī)技術(shù)參數(shù)表。表2為通用橋式起重機(jī)技術(shù)參數(shù)表。

　　2、天車電機(jī)的選擇

　　起重機(jī)提升和運(yùn)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速比一般不大于1:20，且為斷續(xù)工作制，通常接電持續(xù)在60%以上，負(fù)載多為大慣量系統(tǒng)。嚴(yán)格意義上的變頻電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，響應(yīng)速度較快，可工作在比額定轉(zhuǎn)速高出很多的工況條件下，這些特性均非起重機(jī)的特定要求。普通電機(jī)與變頻電機(jī)在不連續(xù)工作狀態(tài)下特性基本一致；在連續(xù)工作時(shí)考慮到冷卻效果限制了普通電機(jī)轉(zhuǎn)矩應(yīng)用值，普通電機(jī)僅在連續(xù)工作時(shí)的變頻驅(qū)動(dòng)特性比變頻電機(jī)稍差。

　　普通變頻器在調(diào)度比為1:20的范圍內(nèi)確保起重機(jī)上普通電機(jī)有150％的過載力矩值。此外起重機(jī)電機(jī)多用于大慣量短時(shí)工作制，通常不工作時(shí)間大于或略小于工作時(shí)間。電機(jī)在起動(dòng)過程中可承受2.5倍額定電流值，因此高頻引起的1.1倍電流值可不予考慮。但若電機(jī)要求在整個(gè)工作周期內(nèi)在大于1:4的速比下持續(xù)運(yùn)行則必須采用風(fēng)冷式電機(jī)。

　　作為提升機(jī)構(gòu)的電機(jī)選用適合頻繁起動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的變頻用電機(jī)。目前，國外以四極電機(jī)作變頻電機(jī)首選極數(shù)。電機(jī)功率為：

　　式中p——功率，kw；

　　w——額定起重量(最小幅度時(shí))＋吊釣重量＋鋼絲繩重量，n；

　　v——提開速度，m/s；

　　η——機(jī)械效率。

　　用變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于變頻器的換向沖擊電壓及開關(guān)元件瞬間的開閉而產(chǎn)生沖擊電壓(浪涌電壓)引起電機(jī)絕緣惡化，對(duì)電壓型pwm變頻器應(yīng)盡量縮短變頻器與電機(jī)間接線距離或者考慮加入阻尼回路(濾波器)。

　　電動(dòng)機(jī)功率的選擇，必須根據(jù)生產(chǎn)的需求來決定。一般來說，起重機(jī)用電動(dòng)機(jī)比一般工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械所用的電動(dòng)機(jī)的功率大10%左右。

　　電動(dòng)機(jī)的選擇取決于下面兩個(gè)主要條件：

　　(1)發(fā)熱。電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，一方面將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能而作功，另一方面由于電動(dòng)機(jī)繞組本身的阻抗要消耗一部分電能轉(zhuǎn)變成熱能，使電動(dòng)機(jī)的溫度升高。電動(dòng)機(jī)由于受體積結(jié)構(gòu)等的限制，內(nèi)部絕緣材料的耐熱能力很差，極易造成老化。當(dāng)溫度超過電動(dòng)機(jī)所允許的限度時(shí)，絕緣能力被破壞，電動(dòng)機(jī)將燒毀。電動(dòng)機(jī)銘牌上都規(guī)定有電動(dòng)機(jī)的溫升，它指的是電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，定子發(fā)熱后的允許溫升與周圍環(huán)境溫度之差。

　　(2)過載能力。各種電動(dòng)機(jī)都有一定的過載能力。交流電動(dòng)的過載能力tm是最大轉(zhuǎn)矩m與額定轉(zhuǎn)矩mc的比值，即一般起重機(jī)用的交流異步電動(dòng)機(jī)的過載能力為2.5～3.3。

　　3天車電氣原理

　　1）吊鉤升降、開閉機(jī)構(gòu)電氣拖動(dòng)系統(tǒng)吊鉤升降、開閉機(jī)構(gòu)拖動(dòng)系統(tǒng)各有一臺(tái)電機(jī)，由于吊鉤升降、開閉機(jī)構(gòu)拖動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)同時(shí)工作，因此兩套機(jī)構(gòu)不能共用一套變頻器。在司機(jī)操作室聯(lián)動(dòng)臺(tái)上分別設(shè)有吊鉤升降、開閉機(jī)構(gòu)主令控制器Ks、Kf。系統(tǒng)的控制指令，由司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令控制器Ks、Kf給出，經(jīng)PLC運(yùn)算后給出控制變頻指令：上升、下降、打開、關(guān)閉、加速、減速。吊鉤升降、開閉機(jī)構(gòu)制動(dòng)打開由變頻器輸出繼電器經(jīng)PLC邏輯運(yùn)算后驅(qū)動(dòng)制動(dòng)器控制接觸器Cs、Cf，使制動(dòng)器動(dòng)作。

　　變頻器有短路、過壓、缺相、失壓、過流、超速、接地等各種保護(hù)功能和故障自診斷及顯示報(bào)警功能。當(dāng)變頻器出現(xiàn)短路、過流等故障時(shí)，變頻器給出故障信號(hào)輸入PLC，并停止輸出，PLC接到故障信號(hào)后，切斷變頻器電源，控制制動(dòng)器抱閘，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

　　吊鉤升降、開閉機(jī)構(gòu)除了變頻器內(nèi)部有保護(hù)功能外，還設(shè)置了線路保護(hù)：

　?。?）零位保護(hù)，由主令控制器零位觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)此功能；

　　（2）限位保護(hù)，由高度限制器實(shí)現(xiàn)；

　?。?）線路設(shè)有低壓斷路器作為短路保護(hù)。

　　2）小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)電氣拖動(dòng)系統(tǒng)小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)由一臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用1臺(tái)變頻器控制，系統(tǒng)控制方法與起升機(jī)構(gòu)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)類似。

　　3）大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)電氣拖動(dòng)系統(tǒng)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)由兩臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用1臺(tái)變頻器控制，系統(tǒng)控制方法與小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)類似。如圖1所示為天車主令控制器通斷表。

　　4、PLC控制

　　4.1PLC選型

　　本系統(tǒng)中選用日本歐姆龍CPM2AE-60CDR-A型PLC來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制，接線簡化，電源功率損耗減少。設(shè)置回路故障診斷功能和有效的電氣保護(hù)功能使系統(tǒng)具有一定的智能性和更高的可靠性。天車PLC邏輯控制圖如圖2所示。

　　其主要功能如下：

　　1）變頻器運(yùn)行、停止控制；

　　2）控制制動(dòng)器，保證電動(dòng)機(jī)停止時(shí)能夠及時(shí)制動(dòng)，既不提前，也不延后；

　　3）升降變頻器控制方式切換；

　　4）電氣閉鎖保護(hù)控制；

　　5）升降、開閉變頻器中任意一臺(tái)變頻器報(bào)警故障時(shí)，兩臺(tái)變頻器均能夠立即停止輸出，并同時(shí)制動(dòng)；

　　6）任何時(shí)刻斷電，系統(tǒng)將會(huì)立即停止運(yùn)行，制動(dòng)器制動(dòng)。

　　4.2PLC控制分配及控制程序

　　4.2.1I/O點(diǎn)分配圖

　　4.2.2PLC控制程序

　　設(shè)置公用程序可以充分利用PLC的I/O點(diǎn)，減少外部接線，其程序主要是實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、與提減速，其間用輔助繼電器輸出為后面的程序調(diào)用作準(zhǔn)備。

　　該程序主要用比較的指令來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的提減速，在按I0.1或I0.2時(shí)，使存儲(chǔ)器VB100中存儲(chǔ)的數(shù)字在1~5間順序變化，控制串入轉(zhuǎn)子電阻的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

　　在設(shè)計(jì)程序時(shí)，可以繼續(xù)采用方案一中的設(shè)計(jì)方法，將主令控制器的程序作為公用程序，節(jié)省部分輸入點(diǎn)。在設(shè)計(jì)公用程序時(shí)根據(jù)不同型號(hào)的變頻器速度輸入的編號(hào)對(duì)進(jìn)行編程。PLC輸出除電源外，其它均采用小型繼電器，程序通過控制小型繼電器動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)、升降、前后行走及速度調(diào)節(jié)。由于程序設(shè)計(jì)與方案一大致相同，其速度輸出程序如下。

　　LDNI0.1//停止按鈕

　　AQ0.0//電源啟動(dòng)

　　LPS

　　LDB=VB100,1//一檔

　　OB=VB100,2//2檔

　　OB=VB100,3//3檔

　　OB=VB100,4//4檔

　　OB=VB100,5//5檔

　　ALD

　　LPS

　　AI0.3

　　=Q0.1//正轉(zhuǎn)

　　LPP

　　AI0.4

　　=Q0.2//反轉(zhuǎn)

　　LRD

　　LDB=VB100,1

　　OM10.0

　　OM10.1

　　ALD

　　=Q0.3//變頻速度輸出選擇1

　　LRD

　　LDB=VB100,2

　　OM10.0

　　ALD=Q0.4//變頻速度輸出選擇2

　　LRD

　　LDB=VB100,4

　　OM10.1

　　OB=VB100,3

　　ALD

　　=Q0.5//變頻速度輸出選擇3

　　=M10.0

　　LPP

　　AB=VB100,5

　　=M10.1

　　Caicai