变频器、PLC在桥式起重机自动控制系统中的应用

一、原系统分析：
　 桥式起重机情况:
　　桥式起重机(天车)是一种用来起吊、放下和搬运重物、并使重物在一定距离内水平移动的起重、搬运设备，在生产过程中有着重要应用。5吨桥式起重机，原设备电气驱动系统分为起重机升降、小车、大车三部份。其中起重机升降由一台13kW的绕线式异步电动机驱动，大车由两台4 kW绕线式异步电动机、小车由一台2.5 kW绕线式异步电动机驱动。在原传动控制中，采用转子串接电阻的调速方式.由于工作环境差,粉尘和有害气体对电机的集电环、电刷和接触器腐蚀性大，加上工作任务重,实际过载率高,由于冲击电流偏大,容易造成电动机触头烧损、电刷冒火、电动机及转子所串电阻烧损和断裂等故障, 影响现场生产和安全,工人维修量和产生的维修费用也很高.并且原调速方式机械特性较差,调速不够平滑，所串电阻长期发热浪费能量。综上所述原设备存在的主要缺点如下：
　　（1） 拖动电动机容量大，起动时电流对电网冲击大，电能浪费严重。
　　（2） 起重机升降、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） 由于电动机一直在额定转矩下工作，而每次升降的负载是变化的，因此容易造成比较大的电能浪费。
　　（4） 起重机每天需进行大量的装卸操作，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。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。
　　（5） 在起重机起升的瞬间，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。
　　（6） 为适应起重机的工况，起重机的操作人员经常性的反复操作，起重机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。
　　（7） 起重机工作的协调性主要靠操作人员的熟练程度。由于升降、大车、小车三个凸轮控制器之间没有固定的联系，在起重机工作时操作人员劳动强度比较大，容易疲劳，易产生误操作。
　　 针对上述现有技术存在的不足，本次改造的起重机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，进而实现了起重机的半自动化控制。
　　二、改造方案：
　　 交流电动机的调速方式很多,针对上述现有技术存在的不足，综合各种性能最佳者为变频调速方式。
　　2.1拖动系统
　　1、电动机选型
　　A.大车与小车用电动机 可选用普通的笼型转子异步电
　　动机；
　　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，一般采用6段速度运行，从低到高自由切换。
　　3、制动方式
　　 采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。
　　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.对于起重机，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。
　　
　　2．2变频调速系统的控制要点
　　桥式起重机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。
　　桥式起重机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，大约0.6秒（视型号和大小而定）。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，具体控制方法如下：
　　1．重物高空停止的控制过程
　　A．设定一个“停止起始频率”fBS,当变频器的工作频率下降
　　到fBS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. 设定一个fBS 的维持时间tBB, tBB长短应略大于制动电磁铁从开始释放到完全抱闸所需要的时间；
　　C. 变频器将工作频率下降止0。
　　

　　图1-1 重物高空停止的控制过程
　　2． 重物升降的过程
　　A． 设定一个“升降起始频率”fRD,当变频器的工作频率上升到fRD
　　 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fRD的同时，变频器将开始检测电流，并设定检测电流所需要的时间tRC；
　　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. 设定一个fRD的维持时间tRD，tRD的长短应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止所需频率。
　　如图1-2 所示:
　　

　　3. 变频器的零速全转矩功能和直流制动励磁功能
　　 艾默生高性能矢量TD3000系列变频器，具备了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（有速度传感器的矢量控制：200%rpm；无速度传感器的矢量控制：150%/0.5Hz）,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。
　　
　　三．桥式起重机采用变频调速的优点和系统介绍
　　 3.1变频调速控制系统的优点
　　1.变频器调速控制系统的保护功能强
　　 A.变频调速以其体积小、通用性强、动态响应快、工作频率高、保护性能完善、可靠性好、使用方便等卓越的性能而优于以往的任何调速方式；
　　 B.使用变频器控制电机的运行控制，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；另外对电机的一些参数做到补偿；对电源的缺相、欠压、过压、过流等都能做到很及时很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.操作手柄不易损坏 原系统的操作手柄因常常受力过大，属于易损件。采用变频调速后，操作手柄的受力将大大的减小，不容易损坏；
　　C.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，控制系统可大大简化，可靠性大为提高。
　　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。
　　5．调速质量明显提高 采用了变频调速系统后，调速范围有PG矢量控制时1：1000，无PG矢量控制时1：100，速度控制精度有速度传感器矢量控制0.05%，无速度传感器矢量控制0.5%最高频率，并且调速平稳，能够长时间低速运行，具有很高的定位精度和运行效率。
　　6．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。
　　3.2变频调速控制系统的介绍
　　 1.大、小车运行机构 大车为双梁结构，分别由两台4KW电动机拖动，用一台较大的变频器（15KW）供电；小车由单台2.5KW电动机拖动，并且由单独的变频器（3.7KW）供电。
　　 大、小车变频器都有预置为V/F控制方式。大、小车系统图如1-3图和1-4图所示；
　　

　　图1-3 起重机大车行走系统图
　　

　　图1-4 起重机小车行走系统图
　　2.起重机升降机构 起重机升降的电动机由一台电动机（13KW）驱动。系统框图如图1-5所示：
　　

　　3.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（TD3000系列变频器22KW及其以下机型中，已内置了制动单元；但是所有的制动电阻都需要外接）和制动电阻消耗掉的方式。针对桥式起重机的起重机升降机构起、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：
　　A.制动单元用标准配置就可以实现制动过程的功能。
　　B.制动电阻的额定功率可以稍稍的加大一倍。
　　总的系统方框图如下：
　　

　　4. 可编程序控制器（PLC）选择：
　　 此方案,选用美国紧凑型EC20系列可编程序控制器。EC20系列可编程序控制器是艾默生(EMERSON)公司致力于工业自动化领域全新推出的新一代可编程序控制器，它代表了工业自动化控制的最高水平，是最新计算机技术与工业控制技术的完美结合。具特点主要如下：
　　·体积小，结构紧凑；
　　·采用功能强大的最新MCU和CPLD工业控制专用芯片；
　　·丰富的硬件资源，高执行速度；
　　·强大的组网功能：支持MODBUS协议和自由端口协议；
　　·功能强大的用户指令集，包括PID等复杂指令；
　　·独特的抗干扰设计，重要数据的掉电保护功能；
　　·板件严格的三防处理，宽电压设计，适应恶劣现场环境。
　　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。
　　5. 变频器选择：
　　此方案，变频器选用安川品牌变频器。
　　 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）。
　　 大车小车行走是一般的负载，因此采用安川系列和安川系列变频器驱动。对于起重机升降电动机，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，变频器选用安川公司高性能矢量控制变频器。安川变频器采用目前国际先进的矢量控制方式，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。