PLC在天車變頻控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

邢媛

（青島橡膠輪胎設(shè)計院，山東青島266042）

摘要：通過對工廠現(xiàn)使用的天車進(jìn)行研究和分析，對該系統(tǒng)通過主令控制器給定plc的速度信號來對整個系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速，橋式起重機(jī)大車、小車、主鉤、副鉤電動機(jī)都需獨(dú)立運(yùn)行，大車為兩臺電動機(jī)同時拖動，所以整個系統(tǒng)有5臺電動機(jī)，4臺變頻器，并由1臺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：TP9文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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)動方式可分為兩大類：一類為集中驅(qū)動，即用一臺電動機(jī)帶動長傳動軸驅(qū)動兩邊的主動車輪；另一類為分別驅(qū)動、即兩邊的主動車輪各用一臺電動機(jī)驅(qū)動。中、小型橋式起重機(jī)較多采用制動器、減速器和電動機(jī)組合成一體的“三合一”驅(qū)動方式，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)一般只用四個主動和從動車輪，如果起重量很大，常用增加車輪的辦法來降低輪壓。當(dāng)車輪超過四個時，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，將玻璃從地面抓放到停放在附近的列車上。橋式吊車電氣傳動共有大車電機(jī)2臺，小車電機(jī)1臺，抓斗電機(jī)1臺，抓斗提升電機(jī)1臺，均為繞線式交流電動機(jī)，采用轉(zhuǎn)子串電阻的方法啟動和調(diào)速。由于工作環(huán)境惡劣，粉塵和有害氣體對電機(jī)滑環(huán)、碳刷及21個接觸器腐蝕較大，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、斷裂故障時有發(fā)生，平均每月發(fā)生較大的故障2.5次，對生產(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，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)：工作級別，機(jī)構(gòu)工作級別

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)工作時的變頻驅(qū)動特性比變頻電機(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)多用于大慣量短時工作制，通常不工作時間大于或略小于工作時間。電機(jī)在起動過程中可承受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、轉(zhuǎn)動慣量小、起動轉(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)＋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)動異步電動機(jī)時，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)用電動機(jī)比一般工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械所用的電動機(jī)的功率大10%左右。

電動機(jī)的選擇取決于下面兩個主要條件：

(1)發(fā)熱。電動機(jī)在工作時，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，使電動機(jī)的溫度升高。電動機(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)溫度超過電動機(jī)所允許的限度時，絕緣能力被破壞，電動機(jī)將燒毀。電動機(jī)銘牌上都規(guī)定有電動機(jī)的溫升，它指的是電動機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行時，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。各種電動機(jī)都有一定的過載能力。交流電動的過載能力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)電氣拖動系統(tǒng)吊鉤升降、開閉機(jī)構(gòu)拖動系統(tǒng)各有一臺電機(jī)，由于吊鉤升降、開閉機(jī)構(gòu)拖動系統(tǒng)電機(jī)同時工作，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)動臺上分別設(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)動臺主令控制器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)制動打開由變頻器輸出繼電器經(jīng)PLC邏輯運(yùn)算后驅(qū)動制動器控制接觸器Cs、Cf，使制動器動作。

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警功能。當(dāng)變頻器出現(xiàn)短路、過流等故障時，變頻器給出故障信號輸入PLC，并停止輸出，PLC接到故障信號后，切斷變頻器電源，控制制動器抱閘，并發(fā)出報警信號。

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)：

（1）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)；

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

3）大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)電氣拖動系統(tǒng)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)由兩臺變頻電機(jī)驅(qū)動，采用1臺變頻器控制，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）控制制動器，保證電動機(jī)停止時能夠及時制動，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變頻器報警故障時，兩臺變頻器均能夠立即停止輸出，并同時制動；

6）任何時刻斷電，系統(tǒng)將會立即停止運(yùn)行，制動器制動。

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，使存儲器VB100中存儲的數(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)計程序時，可以繼續(xù)采用方案一中的設(shè)計方法，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)計公用程序時根據(jù)不同型號的變頻器速度輸入的編號對進(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作來實(shí)現(xiàn)電動機(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

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