PLC交流变频调速（精选九篇）
PLC交流变频调速 篇1
根据顺序逻辑控制的原理而发展起来的可编程序控制器简称PLC, 现在, 在控制电梯方面, PLC已替代了最初的继电器。与此同时, 电梯中电机交流调速变频技术的运用也彻底改变了原来直流拖动调速的运作模式, 使电梯变得更安全、更稳。
1 PLC控制电梯具有的特色
1.1 灵活多变性
(1) 使用编程的灵活性:PLC的编程语言有功能表图、梯形图以及语句说明等类型。各种不同的编程方法综合运用到编程中, 能够有效地拓展应用领域, 让其变得更加方便快捷。 (2) 扩宽领域的灵动性:这是PLC控制的一个与众不同之处。PLC可适用于各种不同的规模, 完全可以依照控制的范围以及适用的规模进行具体的容量拓展, 应用较为灵活多样。
1.2 操作简易性
(1) 操作方便:通常情况下, PLC使用编程器对程序执行更改和输入等操作。在编程器上完全可以把输入的全部信息显示出来, 假如PLC是属于大中型的, 那么编程器就应该运用CRT作为其显示屏。 (2) 编程方便:在PLC中有多种程序存在, 编程人员可以根据自己的喜好选择不同的编程语言。对于电气技术人员来说, 因为电气原理图和梯形图在很大程度上几乎是一样的, 因此, 就极易被他们接受和掌握。就编程人员而言, 帮助最大的就是使用布尔助记符的编程语言。
1.3 安全可靠性
(1) PLC是一套完善的控制装置, 它有着普通计算机所没有的特性, 具有较为简单明了的计算机编程语言以及强大的硬件配套设备。运用PLC能方便地对工业各项生产过程实行控制和操作。 (2) PLC内包含了一系列安全可靠的策划方案, 例如, 必要的断电保护措施、相关的信息保护和恢复行为、自我故障诊断等等, 就是为了确保能够高效地完成系统策划。 (3) 为加强PLC的硬件配套制定了一系列提升安全保障的方案。比如, 运用安全有保障的元件就是为了达到降低维修率的目的。
2 电梯调速变频的特征
(1) 异步电动机已逐渐代替传统电动机被广泛应用于变频调速电梯之中, 它具有体积小、结构简单、物美价廉等诸多好处。 (2) 变频调速电源已经应用了领先的SVPWM、SPWM技术, 所以为电梯在使用过程中质量和性能等方面的改进提供了很大空间。 (3) 领先的SVPWM、SPWM技术不仅提升了电动机电源的服务质量, 同时还减少了谐波的形成, 使电动机各方面的功率及效率因数都得到了攀升, 并且起到了节能环保的奇效。
3 变频器的主要功率输出驱动技术
3.1 IGBT的应用
(1) 因为把载波的工作效率已经提升至20 Hz甚至是更高的水平, 这就在一定程度上减少了因电动机工作而产生的噪音, 使降低噪声传动这个可望而不可即的幻想变成现实。这个原理的主要依据是:电动机鸣响振动的频率并不在人耳能够感知的频率之内, 所以就能被人耳轻易忽略。 (2) 由于载波频率已经得到不断提升, 同时电源波形已经在向着正弦波的方向不断发展, 所以这在一定程度上可以达到减少电动机脉动和降低电动机损耗的目的。 (3) IGBT是电压驱动型的器具, 它能使驱动回路变得简单容易, 还能让整个装置更加严密、安全。 (4) 假如重要的开关器件都能运用IPM进行控制, 那么降噪效果就会更好。
3.2 变频器中网侧的PWM控制
就目前的发展阶段来说, PWM这种控制方式已经被广泛认可, 并得到很多好评。PWM控制结构完全是按照逆变器的结构制作的, 它的每个桥臂均由单个二极管及单个自关断器件反向并联组成, 其独特之处在于:可以直接对直流输出的电压进行连续调控, 功率因数以1为标准, 且能够使其能量来回流通。变频器网侧都是运用双向PWM进行控制的频数变动器具, 它能再生能量, 是科技飞速进步、社会迅速发展的产物, 它大容量化的优点对于制动频繁的生产设备来说意义重大。但因其存在价位高、投资大等问题, 它的普及应用受到了阻碍。
3.3 矢量控制变频器的通用化特点
某些应用领域 (像造纸、轧钢等) 会对仪器有特殊的规定, 如要求变频器精度高、反应快等, 但普通的通用变频器并不具备这些特点, 因此就需要将矢量控制的具体方案运用到实处。然而什么事情都不是完美的, 矢量控制也存在着一些问题, 比如在一般情况下它是要配备速度传感器的, 这样它就存在一些更改麻烦、运算复杂的不足之处。
4 如何选择变频器及PLC
4.1 变频器的选择
日本三菱公司强力推出了VS-616G5通用型变频器, 因其顾虑到了V/f的控制能力, 且在此基础上有效利用了矢量控制这项功能, 从而可将自身的自动协调功能发挥得淋漓尽致, 同时还使无速度的电流传感器矢量控制得到了充分的应用, 方便了高转矩的运行。VS-616G5变频器的优点很多, 比如: (1) 包括矢量电流控制的4种控制方式完全是按照标准要求制作的。 (2) 提供了广泛的选择空间, 内部结构合理完善。 (3) 最新款式硬件的应用使得它的功能覆盖率几乎为100%, 且占用的空间特别小。 (4) 各种保护措施都很完备齐全, 具有高效的维修功能。 (5) 充分发挥了LCD操作控制装置的作用, 合理提升了操作性能。
4.2 PLC的正确使用
P型机是日本三菱公司所生产的C系列中的一款, 目前它在电梯控制中被选择应用得较多, 其与众不同之处在于: (1) P型机专门用在控制开关量方面, 占用的空间面积比较小。 (2) 具有完备的高速计数功能, 可用来作为准确的定位系统。就指令的执行来说, P型机还具有转换数据、逆向计数编码等功能。就结构层面来说, P型机有I/O扩展、A/D转换、主机等单元。 (3) P型机的箱体价格低廉, 可靠性能高。 (4) P型机中的扩展箱以及CPU箱相互之间可以自由地选择一种组合组装, 所以, 用户就有了充分的自由权按照需要的点数进行装配选件。这在使用的过程中不仅提供了方便、灵活的操作方式, 而且还很适用。
5 PLC控制系统的设计
电梯控制系统的硬件设施由PLC主机、CPU储存器、轿厢操纵盘、厅外呼梯、安全装置、井道装置、拖动控制、调整器、指层器、输入接口和输出接口组成, 如图1所示。
从图中可以看出, 在整个系统中处于主导地位的是PLC主机, 井道、安全装置和操纵盘各种信号的输送都是经过PLC的输入接口完成的, 并将它们直接存放在CPU存储器中, 同时命令指示灯传达出信号, 并保证控制信号能同时被传达给指层器、调整器和拖动控制系统。
6 内指令信号的登记、消除与显示
信号的登记采用自锁原理, 软件上采用逻辑或运算实现。无论电梯上行还是下行, 当其运行到有内指令的楼层时, 均要换速停车, 并消除登记信号 (消号) 。在登记继电器回路时, 串联相应层楼位置继电器的常闭点, 就可以实现消号。内指令信号的登记、消除与显示如图2所示。
7 结语
目前, 我国正大力推进矢量控制变频器的广泛应用。所以, 把理论开发与实际研究相结合, 将为矢量控制体系进入无速传感器阶段提供理论和实践依据, 这代表科学技术又进入了一个崭新的区域。
参考文献
[1]崔纳新, 王平, 张庆范.变频调速器在电梯改造中的应用[J].电气传动自动化, 2000, 22 (2) :12～13
PLC与变频调速技术培训总结 篇2
受公司委派，我和同事于2011年6月10日至17日去邯郸参加了为期七天的PLC与变频调速技术培训，通过七天的上课培训，时间虽短，我还是觉得自己学到了很多东西，现将培训内容及我的心得体会总结如下：
此次培训分两个部分，第一部分为
PLC，前四天由青岛大学的刘华波老师主讲，内容包括：西门子S7-300/400和组态WinCC的相关知识。首先刘老师讲了PLC的结构、硬件、编程指令、组织块、数据块，以及PLC的最高级应用组态组网。着重为我们讲解了S7-300、400系列编程软件STEP7-Micro/WIN的使用方法。其次讲解了组态软件WinCC的使用方法，以及WinCC与PLC的结合应用。在学习理论的基础上，我们用自带的计算机做了一些针对性练习，加深了对理论知识的理解掌握。
第二部分为变频器调速技术与应用，由有15年变频器维修经验的邹少明老师主讲。
主要包括以下内容：
1、变频器的现状及发展趋势，及在交流传动的应用领域等；
2、电机的知识，异步电机的简单原理，异步电机对变频器的要求，变频器的原理；
3、变频器的主电路，驱动电路，保护电路等；
4、电动机和变频器的选择，包括容量的选择，形式的选择；
5、变频器的安装要求；
6、变频器的功能，全面的讲了变频器的各种功能及参数的设定。
7、IGBT模块的测量
通过这三天的听课学习，我对异步电机的原理、变频器的原理重要知识点有了初步了解，由于以前接触变频器相关的知识很少，而且时间有限，邹老师也没有仔细讲解，所以还有很多地方都似懂非懂，以后还要结合笔记和培训教材进一步的深入学习。
我们参加此次培训的主要目的是学习PLC的相关知识，由于新区投产，引进许多新设备，为保证顺利生产，我们机电修人员要加强自身解决问题的能力。而通过此次学习，通过两位老师提纲挈领式的讲解，结合我们厂的设备，使我找到了今后学习的方向。
总装车间机电修
史登科
PLC交流变频调速 篇3
关键词：龙门刨床；变频器；可编程控制器；故障诊断；
文章编号：1674-3520（2014）-09-00-02
一、绪论
（一）概述
龙门刨床是一种广泛使用的金属切削加工机床，是许多大型企业不可缺少的设备。
龙门刨床的电气系统由主拖动和控制系统两部份组成。主拖动系统可以概括为 4 类：JF-D调速系统、晶闸管-直流电动机（SCR-D）模拟直流调速系统、全数字直流调速系统和交流变频调速系统。控制系统有继电器逻辑控制系统或继电器与 PLC 结合的控制系统。
（二）龙门刨床的运动
龙门刨床的运动可分为主运动、进给运动及辅助运动，主运动是指工作台连续重复往返运动，进给运动是指刀架的进给，辅助运动是为了调整刀具而设置的。
PLC 作为主控制器是整个系统的核心部件，它通过输入接收来自按钮操作站和转换开关的操作信号，变频器的状态及其它设备的状态信息，将这些信号经PLC 内部的用户程序运算，根据运算结果通过输出点，控制变频器完成主拖动，同时控制各交流电动机的接触器完成辅助拖动。
（三）龙门刨床的电气系统存在下列问题 ：1.调速系统占地面积大，噪音大；2.耗电量大，效率低；3.惯性大，调速系统动态及静态性能均不理想。
上世纪 80 年代初，许多企业对龙门刨床进行电气改造时，用晶闸管-直流电动 机（SCR-D）模拟直流调速系统取代 JF-D 调速系统。代表产品是 1980 年襄樊机床厂 设计的 SCR 模拟直流调速系统。该系统大大缩小了占地面积，减少了噪音，而且节省能源，效率高，使调速系统的动态和静态品质得到很大改善。目前，该系统存在下列问题：
1. PID 控制电路由分立元件组成，元件参数容易发生变化，使系统静态和动态性能恶化。
2. 众多功能单元之间接插件多，接插件的触点容易出现接触不良的故障，影响了系统的可靠性。
（四）龙门刨床的设计
目前改造龙门刨床的主拖动部份一般采用全数字直流调速系统或交流变频调速系统，控制部份使用PLC。全数字直流调速系统选用国外的成套设备，设备的运行参数用英文显示，设备维护人员要消化和掌握系统的性能，必须花费相当长的时间和具备一定的技术水平。变频调速系统经过10多年的推广和使用，各项性能和技术指标不断趋于完善和成熟，节能效果显著。由于变频调速系统的各种运行状况和故障情况都可以通过显示器显示，因此得到电气设计人员和维护人员的推崇和喜爱。
二、变频调速
（一）变频调速在龙门刨床中的应用
龙门刨床在使用中经常遇到一个难题，即横梁刀架总是出现随机不定量的进刀，这种故障的危害非常之大。当设置一定的进刀量时，由于存在随机退刀量，导致的结果是每次的进刀量都不一样，这样就严重影响了刨削表面质量和尺寸精度，使产品满足不了技术要求，有时甚至造成废品。这是所有龙门刨床的一个通病，难以彻底根除，因此，决定抛开机械进刀方式，实现电气上的进刀，即采用变频器控制进刀。
在改造中，主运动控制主工作台采用一台通用型变频器控制一台45kw鼠笼式异步电动机，代替原来的电机扩大机---发电机---电动机组（简称A-G-M系统）系统，实现无级调速。用变频器来实现对工作台的各种不同速度的控制和往返换向。
（二）变频器接口电路设计
1、变频器输入电路设计
变频器接口电路如下图 所示。变频器的输入端子S1和S2分别用于控制电动机的正转运行和反转运行，S1 和 S2 均为 OFF 时，电动机停转。
2、变频器输出电路设计
F7 系列变频器的 M1、M2 端子之间有一个多功能输出触点，端子 MA 和 MB 提供两个 NPN 管集电极开路输出信号，MC 是它们的公共点。将 M1 和 MC 接在 一起，并与 PLC 输入电路的公共点 COM 相连，M2 和 MA 给 PLC 提供"变频器 运行"和"变频器故障"信号。需要用变频器的参数来设置这两个端子的功能。
变频器的两个模拟量信号输出端 AM 和 FM 分别输出变频器的电流信号和频 率信号，AC是这两个输出点的公共端。用FX系列的模拟量输入模块FX2N-2A来检测这两个模拟量信号。FX2N-2A的分辨率为12位，每以通道的转换时间为2.5ms.
3、制动单元选型
由于本设计采用的是电压型变频器，因为没有能量回馈单元，电动机制动时不能向电网回馈能量。
电动机高速下降为低速，或者在改变旋转方向的减速过程中，一旦电机反馈 的"泵升"电势使变频器直流母线电压达到 800V，制动单元内的功率模块立即导通，接入制动电阻，迅速释放电感中储存的能量，实现安全快速的制动。这种制动方式非常适合于像龙门刨床这样需要频繁正反转的设备。
如果没有制动单元，变频电机速度快速下降时，变频器产生过流而出现故障，若有制动单元，可以让变频电机的转速在短时间内很快降到零，可以节约电机的换向时间；因为变频器和变频电机的功率为 55kW，调速系统要求电动机速度的大小和方向在短时间内迅速变化，因此给变频器设置了两套制动单元和制动电阻单元。但制动单元和制动电阻的设置状况要根据现场的调试情况确定。
三、PLC的选择及应用
（一）可编程控制器的选型与硬件配置
1、选择合适的可编程控制器类型
选型时既要满足控制系统的功能要求，还要考虑控制系统的工艺改进后的系统升级的需要，更要兼顾控制系统的制造成本。
（1） 可编程控制器结构选择
可编程控制器的基本结构分整体式和模块式，多数小型PLC为整体式，具有体积小、价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系统。模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模块组合使用的方法，比整体式方便灵活，维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多，控制要求复杂的系统，价格比整体机高。
（2）I/0点数的确定
可编程控制器控制系统的规模的大小是用输入、输出的点数来衡量的。在实际统计I/O点数基础上，一般应加上10%一20%的备用量。
2、开关量输入输出模块及扩展的选择
对于三菱FX系列的可编程控制器分基本单元和扩展单元和模块，在选型时能用一个基本单元完成配置就尽量不要用基本单元加扩展的模式，现在FX的输入模块一般都是分组式、汇点式，输出模块则是隔离式和分组式组合。
开关量输入模块的输入电压一般为DC24V和AC220V两种。我们最常用的还是直流输入模块。
开关量输出模块有继电器输出、晶体管输出及可控硅输出。优先选用继电器型，并且继电器输出型价格最低，也容易购买。
四、结论
PLC交流变频调速 篇4
随着电力电子技术的迅猛发展和计算机技术的不断提高, 电梯用户对电梯的节能、舒适感、可靠性的要求也越来越高, 早期的大量使用了继电器控制的交流双速电梯存在众多的毛病就异常突出。当今采用可编程序控制器 (PLC) 控制的变频、变压调速方式的电梯正在取代了继电器控制方式的交流双速电梯。变频器与PLC组成的电梯控制系统具有耗电量低、可靠性高、维修方便、体积小, 重量轻、运行噪音小等优点。
由于电梯采用了PLC对电梯进行全自动控制, 可靠性得到了极大的提高。控制系统结构变得比较简单, 外部线路极大的得以简化, 通过对PLC编程可方便地增加或改变电梯的功能。使电梯的故障自动检测与报警显示变得非常准确, 大大的提高电梯的运行安全性。
变频调速电梯通过其脉宽调制 (SPWM) 方式对于电梯的拖动电机进行调速, 使得电梯启动和停止的曲线变得很平滑, 具有调速范围广、控制精度高, 动态性能好, 舒适、安静等特点, 使用变频调速方式的电梯乘座舒适感可与直流电梯乘座舒适感相媲美。
2 方案的选择
笔者通过对现在多品牌电梯控制方式进行比较和分析, 结合深圳市宝安区文乐花园现在旧电梯的基本特点, 决定由变频器和可编程控制器 (PLC) 合理的进行组合成为电梯控制系统。
2.1 通用变频器的选型
由于变频器性价比的不断提高, 已在交流调速领域得到广泛应用, 基于通用变频调速的众多优点, 由于其使用量较大, 因此价格比较低廉, 笔者决定采用了通用变频器与通用的PLC组成电梯控制系统。
电梯乘客的舒适度往往是选择的一项重要内容。笔者在设计中认为拖动调速系统的关键在于保证电梯按理想的给定速度曲线运行, 以改善电梯运行的舒适感。
另外, 由于电梯在建筑物内的耗电量占建筑物总用电量的相当大的比例, 如果降低电梯的耗电量也是笔者应该考虑的主要因素之一。
基于以上因素, 决定选用市场上使用量较大的安川VS-61665型全数字变频器, 它具有磁通矢量控制、转差补偿、负载转矩自适应等一系列先进功能, 可以最大限度地提高电机功率因数和电机效率, 同时降低了电机运行损耗, 比较适合如电梯类负载频繁变化的场合使用。
2.2 可编程序控制器 (PLC) 的选择
根据选择电梯轿厢楼层位置的检测方法, 确定了可编程控制器必须具有多位数计数器才行。加之电梯是双向运行的, 所以PLC还必须具有可逆计数器功能。
笔者决定设计选择了日本OMRON公司生产的C系列P型机。C系列P型机具有体积小、功能较强、价格便宜、使用灵活、方便等优点。
深圳市宝安区文乐花园原有旧电梯是7层站, 所以笔者是按设计7层的电梯的需要进行考虑的, 根据需要控制系统的开关、设备大约有54个输入点、36个输出点需进行控制, 考虑10%-15%的裕量, 故选择C60P主机模块+C40P扩展单元, 其1/O点数可达56/44个。
3 控制系统的参数设计
3.1 变频器参数设置
参数设置的原则:
(1) 为减小电梯启动的冲击及增加调速时电梯乘客的舒适感其速度闭环的比例系数须选小一些, 而积分的时间常数宜大些; (2) 为了提高运行效率, 电梯运行快车频率选用工频50HZ, 而低速行时的频率要尽可能低些, 以减小电梯停车时的冲击给乘客带来不舒服感; (3) 零速度一般设置为Oft, 带速抱闸将影响舒适感; (4) 变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌数据直接输入确定。
3.2 通用变频器容量计算
变频器的功率一般根据曳引机电机功率、电梯运行速度、电梯载重与对重多种参数进行综合分析来选取。设电梯曳引机电机功率为P电梯运行速度为v, 电梯自重为w:, 电梯载重为W21配重为h"重力加速度为g, 变频器功率为P。在最大载重下, 电梯上升所需曳引功率为P2:
PZ=[ (W.+WZW3) g+F.Iv
其中F}=K (W1+W2-W3) g+s为摩擦力, s一般可忽略不计。
电机功率P, 变频器功率P应接近于电机功率P, 相对于PZ留有较大余量, 可取l.5-2倍的功率比较可靠。
3.3 变频器制动电阻参数的计算
由于电梯为位能负载, 电梯在空载上行和重载下行过程中以及电梯在减速时电梯的电动机会产生较大的再生能量而发出电能, 所以变频调速装置应具有制动功能.采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上, 能耗制动电阻R:的大小应使制动电流IZ的值不超过变频器额定电流的一半。
3.4 PLC控制系统设计
电梯PLC的控制系统和其他类型的电梯控制系统一样, 其一般是由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。图3.1为电梯PLC控制系统的基本结构图, 主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盒、楼层显示器、门机、调速装置与主拖动系统等。
系统控制核心为PLC, 电梯的操纵盘、呼梯盒、井道平层感应器、开关门及安全保护等信号通过PLC输入接口电路送入PLC, 存储在存储器并由PLC软件运算处理, 最后经输出接口分别向楼层显示器及召唤指示灯等发出显示信号, 并向拖动主电机和门机控制系统等给出控制信号。
3.5 电梯PLC控制系统的基本结构图
4 设计思想
4.1 信号控制系统
电梯信号控制基本由PLC软件来实现。电梯信号控制系统如图3.3所示, 输入到PLC的控制信号有:运行方式选择 (如自动、有司机、检修、消防运行方式等) 、运行控制、轿内指令、层站召唤、安全保护信息、旋转编码器光电脉冲、开关门及限位信号、门区和平层信号等。
4.2 PLC控制系统设计
电梯PLC的控制系统由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。图3.3为电梯PLC控制系统的基本结构图, 主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等。核心系统控制为PLC主机, 轿内操纵盘、呼梯盒、井道及安全保护信号通过
4.3 变频器自学习功能的应用方法
为了使变频器工作在最佳状态, 在完成参数设置后, 需使变频器对所驱动的主电机进行自学习设置, PLC就具有曳引机参数自学习功能, 其方法是:将曳引机制动轮与电机轴脱离, 使电动机处于空载状态, 然后启动电动机, 让变频器自动识别并存储电动机有关参数, 变频器会根据识别到的参数调整控制算法中的有关参数。显然这一组自学习到的参数, 是和变频器匹配的最佳参数, 使变频器能够对该主电机进行最合理的控制。
5 注意事项
笔者按上述设计对于深圳市宝安区的文乐花园2部旧电梯改造, 运行结果满足了设计要求, 由于本文仅对电梯控制电路设计, 涉及国家相关法规的部分并没有写出来, 因此同行在设计电梯控制系统时还应满足如下几点。
(1) 电梯各项技术参数须符合国家质监总局颁布的GB7588及基后续修改的相关标准。 (2) 绘制出符合国家标准的电梯控制系统电气原理图和接线图。 (3) 电梯改造前向政府主管部门备案, 事后报政府主管部门验收后正常方可。
6 结语
经过在深圳市宝安区的文乐花园的电梯改造使用6年的情况来看, 本设计达到了当初设计要求。证明了通用变频器和通用PLC实现对电梯进行控制是切实可行的, 但要通过合理的备选型、参数设置和软件设计。
深圳市广东电梯有限公司一直沿用本方案至今, 由于本公司制度约束没有对PLC软件编程的细节全部写出来, 希望大家谅解。
参考文献
[1]《电动机节能方法与PLC变频器应用实例》.CIP数据核字2009第167471号中国电力出版社.
[2]《电气传动》.2012年第9期电气传动编辑部
PLC交流变频调速 篇5
1 PLC概述
1.1 PLC含义
PLC (Programmable Logic Controller) 中文名称为可编程逻辑控制器, 是一类具有可编程功能的存储器, 主要用于执行程序的存储、逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等用户所发出的操作指令, 并且可以通过现代化控制模块来实现设备的有效控制, 从而为用户提供服务[1]。目前PLC应用范围日渐多样, 在日常生活中, 电梯运行控制是较为常见的应用形式。
1.2 PLC特点
随着研究的不断深入, PLC所具有的特点逐渐被挖掘出来。本文在总结当前既有研究成果并结合本学科所学知识后将其特点总结如下:
(1) 操作简便性。相较于传统的逻辑控制单元, PLC采取了更加直观清晰的梯形图、逻辑图以及相对较为简单的编程语言来对逻辑控制器执行程序进行编写, 从而有效解决了从业人员需要大量的计算机基础知识以及高级语言编程的弊端, 加之控制单元研发周期大幅缩短, 使得整个现场调试过程更加快捷。在对其修改时可以通过程序调整的方式而不用拆开整个系统, 使得其操作便捷性特征更加明显。
(2) 效费比高。相较于传统的继电器控制系统只能控制数量有限的电气设备, PLC自身内部存储着成百上千个可以供使用者进行编撰的逻辑单元, 并且还可以通过通讯链接的方式将一套PLC控制系统的所有控制组件进行统一集中管理, 在大幅降低成本的同时, 提高了其实用性, 效费比高的特征一览无余。
2 PLC控制交流变频调速控制系统运行原理
PLC控制交流变频调速控制系统在实际应用过程中其工作程序通常可以分为以下三个步骤:输入采样、操作程序执行以及输出刷新。当上述三个步骤均被控制系统完成则为一个扫描周期。在整个PLC控制交流变频调速控制系统运行过程中可以以预定的扫描速度反复执行扫描周期的操作。其具体工作原理图相见图1所示。
当PLC控制交流变频调速控制系统输出端口与输入端口相连接而形成一个闭合回路时, 系统内部与二者相对应的COM以及19#变频器操作口将会形成一个信号公共端。而在信号公共端被激活的情况下, 其与下面的25#、26#、27#端口就形成了对PLC控制交流变频调速控制系统状态的有效控制。当12#、13#端口与整个控制系统相连接之后, 变频器内已经存储的操作信号将会被PLC控制系统所接收, 从而构建变频器与PLC控制系统的连接通道, 信号即可以通过该通道实现实时交互[2]。
但是在系统设计过程中需要注意电梯上下行优先级的问题。同时其设计的思想应符合电梯的实际运行需求。为了能够保证PLC控制交流变频调速控制系统下的电梯正常运行, 其所采用的编程方式应按照上行优先、上行次优先、下行优先、下行次优先合理选取[3]。由于高层住宅层数较高, 在相同的时间段可能同时存在上行与下行需求的用户, 甚至在同一时间段, 如:上下班高峰时期, 则短时间内PLC控制系统就将会收到大量脉冲信号。此时PLC控制交流变频调速控制系统针需对同一时间段的电梯使用需求做出有效回应, 自主选取最佳运行方案, 如:上行或下行等, 从而提升电梯控制系统运行效率, 使得更多用户需求得到有效满足。
3 PLC控制交流变频调速控制系统的调试
PLC控制交流变频调速控制系统的调试主要分为安装调试与模拟调试两种, 其各自调试内容如下:
3.1 PLC控制交流变频调速控制系统安装调试
安装调试主要是对整个控制系统与电梯相连接之后的实际运行效果进行评估, 以保证电梯的正常使用。首先, 需要工作人员将各种仪器进行组装, 并且检查各个部件是否已经安装到位, 其自身的参数是否符合电梯运行需求。当所有准备工作完成后方可以进行安装工作。安装过程中应注意电梯接触器、空气开关以及PLC控制系统之间的空间距离, 避免相互干扰的情形发生[4]。所有电梯的组件应依次按照顺序安装, 严格禁止顺序不明的安装工作, 以保证电梯运行具有较高的安全系数。
3.2 PLC控制交流变频调速控制系统模拟调试
模拟调试主要是在各种复杂条件下对整个控制系统运行情况进行测试, 其主要的调试方法为取消系统自动控制, 将手动按钮与PLC控制系统输入端相连接, 采取手动信号输入的方式进行调试。此时测试人员需要观察整个系统在手动操作脉冲信号发出后是否及时做出了反应, 并且其反应速率如何。假如手动输入的信号为上行, 而电梯则沿着高楼层向底层运行, 或者电梯显示数值与楼层不符, 则应及时查找控制系统存在的问题并予以有效解决, 以确保相应问题不会在电梯实际运行中发生。
结论:综上所述, 随着PLC控制技术的日臻成熟, 其所具有的应用价值也将会得到进一步开发。此次本文针对PLC控制交流变频调速控制系统的应用研究, 不仅顺应了当前各个领域的使用需求, 同时还能够丰富相应研究内容, 希望能够推动该控制系统的进一步推广。
摘要：交流变频调速控制系统在当前社会经济生产生活中较为常见并且其所发挥的作用与日俱增。然而, 随着我国城镇化进程不断加快, 高层住宅数量激增, 对于电气设备及系统的应用需求日渐高涨。如何将PLC控制交流变频调速控制系统更好地应用在实际生活中, 提高建筑的使用价值, 更好地服务于社会成为当前重要的研究议题。为此, 本文将以高层电梯为例, 从PLC特点及工作原理入手, 探讨PLC控制交流变频调速控制系统调试内容以及在实际中所具有的应用价值, 从而为该技术及系统的推广使用提供帮助。
关键词：可编程逻辑控制器,交流变频调速控制系统,工作原理
参考文献
[1]任超.如何应用PLC控制交流变频调速控制系统[J].电子制作, 2013, 11 (04) :12-13.
PLC交流变频调速 篇6
1 系统基本结构功能
本系统将PC和PLC上、下位机联合控制的现实工业系统完整引入教学,实现远程与现场的多功能控制。PLC通过变频器驱动三相异步电动机,运用直流发电机实现机械加载,轴编码器实现转速的检测反馈。闭环PID调节在PLC完成,PID参数整定及系统运行监控等过程在PC完成。系统基本结构功能如图1所示。
2 系统硬件设计
2.1 下位机、上位机与通信
下位机PLC选用西门子S7-200的CPU 224XP,含模拟输入、模拟输出、RS485通信及高速计数等,完成系统的现场控制;上位机PC基于化工过程控制系统中常用的工业组态软件组态王Kingview6.5与PLC采用西门子PPI通信实现系统远程控制。
2.2 电机机组
系统控制对象为鼠笼三相异步电动机,为了便于实现定量机械加载和测速反馈,将三相异步电动机、直流发电机、测速发电机、轴编码器同轴安装构成专用机组。
通过在直流发电机电枢回路接入断开大功率电阻可对电动机进行定量机械加/卸载,这对于开/闭环下转速机械特性的定量测试比较来说是必须的;轴编码器用作转速的数字化检测反馈。
2.3 调速控制与变频器
PLC输出电压控制西门子G110变频器完成变频调速,控制电压及对应输出频率由变频器参数P0757、P0758、P0759、P0760及P2000等确定,系统对应频率为0～50Hz的控制电压为0～10V。
3 下位机PLC软件设计
3.1 关键问题
3.1.1 数字测速方案及优化编程技巧
系统采用M法测速[2],在一个闸门时间T内累计轴编码器发出的脉冲数m,转速n(单位:r/min),若编码器每转脉冲数为P,则n=60m/(PT)。传统编程思路需要依此关系计算求得转速。
本系统对传统编程思路进行了优化,由每转脉冲数P直接确定一个固定的闸门时间T,程序初始化时,依此闸门时间一次性设定定时中断,在中断服务程序中将测得的m直接作为转速n输出,彻底免去传统编程的运算,增强了实时性。在n=60m/(PT)中,令n=m,得T=60/P。由于本系统中轴编码器每转脉冲数P=1 200,因此可直接得出程序初始化设定定时中断间隔T=0.05s。该项编程技巧优化效果显著,可以推广到其他M法测速编程场合。
3.1.2 M法测速的高速计数与定时中断实现
计数必须采用高速计数方式。设计数字测速须考虑最大转速时编码器脉冲的频率。系统机组电机的最大转速近1 500r/min,即25r/s,轴编码器每转脉冲P=1 200,故最大频率近30kHz。PLC的CTU、CTD等计数器存在缺陷:其计数脉冲周期不能小于主程序扫描周期,故可承受的频率上限很低。对于近30kHz脉冲计数只有采用与程序扫描无关的高速计数方式,否则会大量丢失脉冲。系统采用CPU 224XP的HSC0高速计数器完成轴编码器脉冲的计数。
闸门必须采用定时中断。PLC的TON、TOF等定时器存在缺陷:其实际定时时间随机变化不定,最短可比设定少一个时基,最长可比设定多一个主程序扫描周期,且这样的不确定性无法消除。故测速闸门的精确定时必须抛弃TON、TOF等,而运用中断方式实现。系统采用CPU 224XP的定时中断0实现闸门定时。
3.1.3 PID控制
过程控制系统中常用的PID闭环调节应用广泛,本系统即采用转速闭环PID调节且PID调节器以软件方式在PLC中实现。如图2所示S7-200 PLC提供浮点位置算法的工业PID运算指令,同时需要一个回路表存储PID运算接口量及参数等。本系统设计回路表为自PLC数据存储器VD800单元开始的9个实数共36个字节,其中接口量和参数分配如下:
VD800过程反馈 PVn
VD804给定 SPn
VD808输出 Mn
VD812增益 Kc
VD816采样周期 Ts
VD820积分时间 Ti
VD824微分时间 Td
S7-200 PLC技术资料中推荐其软件PID用于如过程控制系统常见的温度、压力、流量及液位等低速对象。而电机转速对象的变化速率显然比上述过程参量快许多,本系统构建编程调试成功,是S7-200 PLC软件PID对电机转速快速对象控制的直观、具体的成功实例。
3.2 程序设计
PLC程序主要包括:定时中断与高速计数转速采集、变频调速控制、给定与反馈处理、PID调节和现场远程控制功能与切换、开/闭环控制功能与切换以及上下位机接口数据变换处理等。主程序与中断服务程序基本流程如图3所示。
4 上位机PC软件设计
PC软件基于组态王Kingview6.5平台设计。系统在PC实现现场远程与开/闭环、转速给定、PID参数整定、PID算法各类变量、运行状态以及设备信号、数据与曲线等远程控制功能。组态王运用设备驱动和“数据词典”数据库分别实现上、下位机的通信和数据联系。经过变量定义、设备定义、通信建立、界面设计、数据词典定义、动画连接定义以及命令脚本程序设计等步骤完成上位机的软件设计,主要有主控、整定、设备信号数据、实时及历史曲线等远程监控界面。其中,增益系数Kc、积分时间Ti、微分时间Td、采样周期Ts等PID参数可在如图4所示的整定界面输入整定,一经整定,即可通过实时曲线界面即时测试评价运行控制效果。
5 系统运行试验结果
5.1 PID参数整定与试验
与过程控制系统一样,系统需对PID闭环参数Kc、Ti、Td等进行整定调试。试验中,当Kc=0.97、Ti=0.01min、Td=0.005min、Ts=0.05s时,Kc过大而Ti过小,增益与积分作用过强,转速响应呈现如图5所示的连续振荡,参数整定不良。
最终调试到Kc=0.65、Ti=0.052min、Td=0.01min、Ts=0.05s时,转速响应呈现如图6所示的优良性能,即参数整定优良。
5.2 开/闭环转速机械特性比较试验
将系统分别设定在开环与闭环状态下运行并进行机械加载,表1记录了机械加载前后的稳态转速与变频器频率数据。
由表1可见闭环的转速机械特性的硬度明显优于开环的。机械加载后闭环稳态转速不跌落而变频器输出频率有所上升,可见转速不跌落的原因是系统通过闭环调节最终提高了变频器输出频率(即电动机同步转速)对转速实现了补偿。试验结果揭示了闭环改善转速硬度的物理本质,也完全反映了所有闭环系统的被控参量在扰动下能够始终跟踪给定的物理本质。
6 结束语
本系统综合运用工业PLC、变频器及轴编码器等实现了电机转速闭环控制、开/闭环、现场远程及机械加/卸载等运行控制功能,采用PC和PLC上、下位机联合方式实现了可靠性与人机交互性能协调优化的分布式控制。系统完全移植采用现实工业设备与工业控制方案,通过其系统构建、软件编程、组态设计、控制整定以及调试运行等可成效显著地经历典型工业分布式控制系统的完整开发过程。
参考文献
[1]周兵,林锦实.现场总线技术及组态软件应用[M].北京:清华大学出版社,2008.
PLC交流变频调速 篇7
1 交流变频全电动钻机的控制方式
1.1 PLC通讯控制
在石油钻井设备中, PLC控制系统通常由设在VFD房中的CPU、设在司钻操作房中的远程分站ET200以及数量不等数字/模拟输入/输出模块、供电电源、通讯连接双绞线等组成。可以根据司钻的需要实现各种钻井实际操作, 还可以通过自身内部的程序计算实现一些保护功能。
1.2 旁路控制
旁路控制就是通过多芯线将司钻房内的各类开关旋钮、手柄、手轮与变频器内的端子排连接, 实现电机启停、正转、反转等操作。旁路控制系统主要是在主控制系统PLC系统出现故障后作为应急使用。
1.3 双PLC通讯控制
双PLC系统就是去除旁路系统, 改为两套完全相同的完整PLC控制系统, 一套使用;另一套作为备用。在控制系统中增加两块切换板, 通过控制切换板上的继电器, 来控制PLC系统的供电电源, 达到两套PLC系统切换目的。
2 PLC通讯控制系统与旁路控制系统各自的特点
2.1 PLC通讯控制系统特点
(1) 控制功能强大。
PLC控制系统具有较大的存储能力和功能很强的输入输出接口。不仅具有数字逻辑运算、实时监控、数据传送等功能, 还能进行智能控制、远程控制等。配备数据采集系统、数据分析系统、色彩图像系统的操作台, 可以实现钻井行业的全面要求。
(2) 完善的监视与诊断。
PLC控制系统可以通过内部的程序计算, 将实时的钻井参数、电机与变频器运转情况等一一在触摸屏上显示出来, 使司钻在操作时一目了然。另外PLC控制系统还可以诊断出一些实时故障, 通过声光报警的形式提醒司钻。
(3) 抗干扰性强。
目前我处井队PLC控制系统的通讯线, 采用的是西门子屏蔽双绞线, 它由两根具有屏蔽保护层的铜导线组成, 把两根绝缘的铜导线按一定的密度互相搅在一起, 每根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消, 可降低信号的干扰程度。这种信号传输线相比较旁路系统的多芯线连接, 具有很强的抗干扰性。
(4) 保护性强。
在实际使用中, PLC系统最大的优点就是可以书写保护性程序, 如冷却风机与电机的连锁、润滑系统与电机的互锁等等, 使误操作的发生概率极大地降低;同时, 智能防碰控制系统可以防止游车上碰下砸事故的发生, 安全可靠性得到极大的提高。另外, PLC控制系统还为钻机增加了自动送钻功能, 可以满足恒压送钻、恒速送钻的工艺要求, 为高难度井的施工提供了有力的设备保障。
2.2 旁路控制系统特点
旁路控制系统构造很简单, 操作比较方便, 造价比较低, 主要在半电动钻机和直流电动钻机使用较多。由于其只能实现电机的启停、正反转等简单功能, 无法实现P LC控制系统强大的显示和检测保护功能, 且其抗干扰性很差, 已无法满足交流变频全电动钻机控制电机的安全使用要求 (特别是绞车电机) 。
3 双PLC系统在安全、经济方面的优势
3.1 安全方面
在平时使用过程中, PLC系统发生故障的概率较高, 如果按普通钻机的常规配置, 一旦PLC系统发生故障, 使用旁路系统我们是无法继续进行打钻或起下钻作业的, 因为这时触摸屏上的所有的钻井实时参数都无法显示, 所有的PLC系统保护程序, 如控制阀岛使盘刹系统工作的功能、游车上碰下砸功能、电机风压检测功能等都无法起到作用, 同时绞车控制精度也会降低, 且自动送钻电机也无法使用, 这样都造成了巨大的安全隐患。
而采用双PLC控制系统就不会存在这样的问题, 只要使用中的PLC系统出现故障, 一键切换30 s就可以启用另一PLC系统, 既简单方便, 又避免了巨大安全隐患的出现, 给现场钻井作业提供了巨大的方便。
3.2 经济方面
配备双PLC系统的钻机, 比配备一套PLC系统一套旁路系统的钻机在成本上大概贵10万元左右, 但是从长远的使用角度来看就非常划算了。
首先, 单一PLC系统出现硬件损坏同样要更换配件, 而双PLC系统相当于只是相当于提前备好了一套配件, 当有硬件损坏时同样可以替换使用, 所以并不会出现浪费。
其次, 电动钻机平均每年大概出现五到六次PLC系统故障, 一般出现PLC系统故障的平均维修时间大概在2~3 h, 有时为了保证井下安全, 还需用备用电机临时起钻, 这样浪费的时间更多, 而井队运营1 h的成本大概在1000元左右, 这样算下来配备双PLC系统的设备在使用7年左右就会将这10万元节省下来。
最后, 旁路系统由于其无法满足交流变频全电动钻机的安全需求, 一旦出现安全事故, 所造成的经济损失是无法估算的。
4 结语
通过从安全和经济的角度来分析, 双PLC控制系统对满足交流变频全电动钻机的各项需求有着诸多的优势, 这点是单PLC控制系统所无法比拟, 所以对于交流变频全电动钻机来说, 配备双PLC控制系统是非常有必要的。
参考文献
[1]袁阳春, 倪广富.钻机PLC控制系统的应用[J].大观周刊, 2012 (5) :123-126.
PLC交流变频调速 篇8
关键词：PLC,采煤机,控制
1概述
采煤机是综采工作面主要设备。最近几年, 由于高产高效的要求, 国内越来越认同交流变频调速电牵引采煤机, 并且对其控制的精度性、准确性, 系统的稳定性以及自诊断功能、人机对话功能、高可靠性、高抗干扰等提出严格要求。传统的纯模拟量控制模式, 已经不能满足煤矿生产的要求, 所以采用了适用于震动、高温、潮湿和强电磁干扰的矿山作业环境的EPEC控制器 (PLC) 及CAN接口人机界面中文显示系统。采用该技术后, 在各种电牵引采煤机电控系统上得到普遍推广, 从而降低了采煤机电气系统的故障率, 取得了可喜的市场效益, 为高产高效打下了坚实的基础。
2系统硬件设计
该系统分别由左右截煤电机, 油泵电机, 左右牵引电机及牵引变频器组成, 并控制其启动、停止;牵引方向给定, 牵引速度的调节以及摇臂的升降;采煤机左、右牵引电机过载保护和左、右截煤电机的恒功率自动控制及过载保护、温度保护;开机预警、瓦斯超标停机;显示器提示操作步骤实时显示截煤、牵引电机的功率、电流, 截煤电机温度, 采煤机设定牵引方向、速度等工作参数。根据系统功能要求, 采用EPEC2023控制器和Mini HMI-503C-CA显示器。可以满足开关量输入输出、模拟量输入、温度检测所需的点数等。
EPEC控制器是基于能够使采煤机在长期恶劣环境条件下可靠地工作而开发的, 是集可编程控制器、比例放大器、2路CAN接口、模拟量输入输出和I/O点输入输出等功能于一身的高可靠性的控制器。抗震等级达到100G, 最长通讯距离10km, 最高传输速率1Mb/s。Mini HMI-503C-CA显示器集数据显示、故障信息和数据存储于一身。它与控制器之间通过CAN2.0B通信, 利用庞大的数据库功能实现故障信息回顾和存储数据再现。
3 PLC系统主要完成功能
PLC系统和其它外围设备一起主要完成以下功能:系统的启动, 停止;左右截煤电机的启动, 停止;牵引的送电, 断电;牵引方向控制, 速度控制;左右截煤电机的过载过温及恒功率保护;牵引电机的过载过温保护;电控箱的温湿度保护;瓦斯断电保护;开车预警等功能。
4牵引部分控制
4.1动作
牵引部分涉及动作主要有, 牵引送电, 牵引断电, 左牵, 右牵, 牵停, 加速, 减速;另外截煤电机的功率温度保护, 牵引电机本身功率保护, 电控箱温度湿度保护等都涉及到牵引控制这一部分, 如速度输出, 牵引方向的给定等.
4.2各种保护对牵引的影响
4.2.1系统影响牵引速度的因素主要有以下几点:
a.左右截煤电机功率120%保护和温度135度保护。左右截煤电机任何一个电机运行功率达到额定工率的120%时, 牵引自动降速, 直至左右截煤电机运行功率低于120%Pe, 如截煤电机、牵引电机都处于欠载欠温 (实际运行功率低于额定功率的120%, 截煤电机运行温度低于135度) , 系统自动加速, 直到给定速度, 此过程为自动完成;左右截煤电机任何一个电机的实际温度达到135度, 牵引系统会自动降速30%运行, 即以给定速度的70%运行, 直至电机温度退出该区域;如果截煤电机、牵引电机都处于欠载欠温, 系统也会自动加速到给定速度, 此过程亦为自动运行。
b.左右牵引电机功率的120%保护。左右牵引电机任何一个电机运行功率达到额定功率的120%时, 牵引自动降速, 直至运行功率低于120%Pe;如截煤电机、牵引电机都处于欠载欠温 (实际运行功率低于额定功率的120%, 截煤电机运行温度低于135度) , 系统会自动加速, 直到给定速度, 此过程为系统自动完成。
4.2.2系统保护影响牵引方向的因素
a.系统保护影响牵引方向主要因素之一是左右截煤电机重载的情况下, 左右截煤电机任一电机实际运行功率达到额定功率的150%, 并且保持5秒钟后, 牵引自动换向反牵, 即按给定相反方向, 按原给定速度运行五秒钟, 如5秒钟后退出此超载区, 系统自动按原给方向, 原给定速度运行, 如还是在该区域, 则取消牵引方向, 系统输出速度也自动降为零, 系统判断截煤电机堵转, 同时切断该截煤电机电源, 此过程为不可逆过程。
b.影响牵引方向的第二个因素是牵引电机的二限保护, 左右牵引电机任一个电机运行功率达到额定功率的150%, 并且保持5秒钟后, 系统会自动取消牵引方向, 同时输出速度也降为零, 此过程亦为不可逆过程。
4.3牵引部分编程
由于篇幅所限不能列出编程的全部, 下面是编程的一部分, 具体编程由于个人的思路习惯不同, 元件选取不同, 程序会有很大差别, 个人的编程技巧也直接影响程序的运行结果。但原则是:所编制的梯形图必须满足采煤机工况的要求, 程序简单可靠。下面是左向牵引进行程序。
5 PLC与人机界面、遥控接收器等的通讯
每一个CANopen设备都有一个接点号, CANopen网络有一个主接点, 可以有多个从接点, 采用CANopen编程, CANopen设备之间通过PDO传递信息。本系统选择EPEC2023配置为ID 4作主接点, HMI人机界面配置为ID 7作从接点, 遥控接收器配置为ID 10作从接点。下面列出部分程序, 这是主接点ID 4 (2023) 的CANOPEN初始化程序代码, 这个功能模块使ID 4接点可以发送数据到总线, 也可以从总线上接收其他接点的数据。
6实际运行效果
PLC系统先后在我厂MG700系统列电牵引采煤机, MG380系统列电牵引采煤机, MG1220电牵引采煤机等系统列电牵引采煤机上得到应用, 极大地降底了系统的事故率。改善后的人机对话系统, 使采煤机检修更方便, 事故判断更简单, 使采煤机电系统上了一个新的台阶, 得到了各局矿的好评。
参考文献
[1]PLC SET1 (2023) 控制器硬件手册上海派芬自动控制技术有限公司.
[2]Codesys2.1编程手册上海派芬自动控制技术有限公司.
[3]采煤机械设计[M].阜新:辽宁工程技术大学出版社.
PLC交流变频调速 篇9
关键词：交流桥式起重机,PLC,变频器,主钩,主令控制器
0前言
传统的以继电器、接触器为基础的桥式起重机电路是个十分成熟的电路, 在计算机没有用到工业设备之前, 以凸轮控制器实现大车、小车及副钩的操作, 以主令控制器加继电器实现主钩的操作控制的确是科学的, 并体现了工程的经济性。几十年来, 凸轮控制器及主令控制器双向多档位的操作方式在起重机中几乎形成了固有的模式, 但近几年, 随着计算机技术与电力电子器件的迅猛发展, 电气传动和自动控制领域也日新月异, 其中代表性的是交流变频器装置和可编程控制器获得了广泛的应用, 为PLC控制的变频调速技术在桥式起重机拖动系统中的应用提供了有利条件。下面主要阐述利用PLC和变频器对桥式起重机的主钩电路进行改造的一种方法。
桥式起重机是在厂矿企业、车站、港口、仓库、建筑工地等部门常用的起重设备, 其结构是由可前后移动的横梁大车、左右移动的小车和固定在小车上可上下移动的主、副吊钩组成。工作时, 主钩或副钩从一个地方将工件吊起, 通过横梁大车和小车的移动将工件搬到另一个地方, 再将工件放下。
传统的交流桥式起重机 (以15t/3t为例) 分主电路、控制电路。主电路是由凸轮控制器和接触器组成的。其中凸轮控制器QM1、QM2、QM3分别用来控制大车、小车、副钩的正反转和速度调节, 主钩是由接触器经控制线路中主令控制器来控制主钩的正反转, 调速和制动。控制电路上半部分为起重机的电源控制电路, 主要为零位及限位保护, 下半部分为主钩主令控制器与接触器的工作电路。使用凸轮控制器控制的各台电动机, 在凸轮控制器的触点上流过的是电动机的工作电流。由主电路可知, 交流380V电源经隔离开关SQ1进入电源保护控制回路, 需要开动起重机时, 一定要将横梁凸轮控制器QM1、小车凸轮控制器QM2、及副钩凸轮控制器QM3置零位, 还要把横梁护栏、驾驶室舱口都关好, 使栏杆行程开关SQ1、SQ2、舱口安全开关SQ3闭合, 再按下起动按钮SB1, 则接触器KM1得电自锁吸合, 电动机主回路和主钩控制回路均供电。其后的操作由于电路在动作上相对较为独立, 在此不再多加细说了。
桥式起重机的工作常是断续式的, 时开时停, 每小时接电次数多。因此, 所用电动机经常处于起动、制动、反转之中;负载很不规律, 时轻时重, 经常承受大的过载和机械冲击。同时, 起重机还要具有一定的调速范围, 但其对调速平滑性一般要求不高。为此, 专门设计制造了起重机用电动机, 我国生产的起重机电动机有JZR型和JZ型 (新系列为YZR与YZ) , 前者为绕线式感应电动机, 后者为鼠笼感应电动机, 这种电动机一般按反复短时工作制制造, 具有较大的起动转矩和最大转矩, 以适应频繁和重负荷下起动、制动、和正反转, 满足减少起动时间和经常过载的要求。传统的交流桥式起重机的电机一般采用绕线式感应电动机。
用主令电器配合接触器控制主钩电动机在不同档位转子串电阻调速时的机械特性如图1所示。
由于传统的桥式起重机的电力拖动系统采用交流绕线式异步电动机转子串电阻起动和调速, 采用继电器、接触器进行控制, 使该系统在使用中存在以下问题:
1) 桥式起重机工作环境恶劣, 工作任务重, 电动机及所串电阻烧损和断裂故障时有发生。
2) 继电器、接触器控制系统可靠性差、操作复杂、故障率高。
3) 转子串电阻调速机械特性软, 负载变化时转速也变化, 调速效果不理想。
4) 所串电阻长期发热, 电能浪费大, 效率低。
为了节约能源, 提高起重机的工作效率, 可利用PLC、变频器技术对交流桥式起重机的主要部位———主钩控制进行技术改造 (以15t/3t桥式起重机为例) 。其改造思路和具体方案为:
1 主钩电机的特征分析及控制特点和要求
主钩是桥式起重机的主要提升机构, 当改用变频器来控制主钩电机的转速时, 电动机工作的机械特性:当重物上升时, 主钩电动机克服各种阻力 (包括重物的重力、磨擦阻力等) 而作功, 属于阻力负载, 电动机正转。这时电动机旋转方向与转矩方向相同, 处于电动机状态, 其机械特性在四象限中的第1象限, 如下图2中曲线所示:
当重物下降时, 由于重物本身有按重力加速度下降的能力。因此, 当重物的重力大于传动机构的磨擦阻力时, 重物本身的重力 (位能) 是下降的动力, 电动机成为了能量的接受者, 故属于动力负载, 这时电动机的转子转速将超过同步转速而进入了再生制动状态, 电动机的旋转方向是反转 (下降) 的, 但其转矩的方向却与旋转方向相反, 是正方向, 这时其机械特性在第4象限, 如下图3曲线所示:
但当重物的重力 (轻载式空钩) 小于传动机构的磨擦阻力时, 重物自身是不能下降的, 必须由电动机反向运行来实现, 这时电动机的转矩和转速都是负的, 故机械特性曲线在第3象限, 如下图4曲线所示:
根据主钩电机的以上特征, 主钩电机的控制可采用具有机械互锁和速度控制且能频繁起停的主令控制器配合PLC、变频器来完成主钩的上下运行、调速和制动等, 在控制时需要具有以下电气控制要求:
1) 可经常带负载起动, 且在重负载下时, 主钩在各档速度下仍能平稳工作;
2) 在满负载时, 能在空中停止并重新启动不产生溜钩的现象;
3) 主钩的负载力矩为位能性反抗力矩, 因而电动机可能运转在电动状态或制动状态, 下放重物, 电机工作于制动状态时, 再生能量必须速迅释放, 停车时必须采用机械制动;
4) 除此这外, 还要有必要的零位、失压、短路、过载和行程终端保护等。
2 主令控制器的功能
主令控制器是一个具有机械互锁的13档位开合状态的开关量控制器, 它具有频繁起停、上下速运行、行程控制、零位保护等功能。主钩的主令控制器在不同档位开合状态信号, 主令控制器的是将对电动机正反转、调速、零位保护、限位保护等命令开关量信号输送给系统 (PLC的输入) , 作为主钩系统的控制输入信号。
3 变频器的选择
3.1 类型的选择
变频器为电动机提供频率可调的交流电源, 是实现电动机速度调节的关键设备。根据控制功能分有三种类型:即普通功能控制型、具有转矩控制的高功能型、矢量控制高性能型;由于主钩负载为恒转矩负载, 可选用具有转矩控制功能的高功能型变频器, 因为这种变频器低速时转矩大, 静态机械性硬度大, 不怕冲击负载, 具有挖士机的特性;同时其性能价格比还是相当令人满意的。故选用三菱FR—A240E系列高功能型变频器。
3.2 容量的选择
在起重机械中, 因为升降速时电流较大, 同时在下放重物时, 电机持续工作在制动状态, 则变频器的容量适当予以放大。通常, 起重机械用变频器容量是按以下步骤求出的:
1) 先求出负载的电机容量Pmn (k W) , 公式是Pmn≥Gn·ν/6120·η。式中Gn———额定重量 (kg) , 具体计算时, 应考虑须有125%的过载能力, v———额定线速度 (m/min) , η———机械效率。
2) 再根据负载电机容量计算变频器的容量 (k VA) , 公式是Pcn≥k·Pmn/η·cosφ。式中k———电流波形的修正系数 (PWM方式取1.05-1.1) , η———电动机的效率 (通常取0.75) 。
3) 变频器的额定电流计算式:变频器额定电流>电动机额定电流× (k1·k3/k2) , 式中k1———所需最大转矩与电机额定转矩之比值 (一般取1.5-1.8) , k2———变频器过载能力 (一般取1.5) , k3———裕量 (取1.1) 。
对于15/3t桥式起重机的主钩电机容量已经知道, 为22 k W, 则根据公式计算出变频器的容量Pcn≥k·Pmn/η·cosφ≥38 k VA, 故选用容量为40k VA的变频器, 且能满足变频器的额定电流的计算公式。
3.3 变频器的速度控制与要求
变频器具有可以预先设定多档工作频率 (大多为7档或8档) , 频率的档次由外部控制模式中控制端子RH、RM、RL的不同状态组合来实现, 同时利用PLC的三点输出信号来控制RH、RM、RL的不同状态组合, 实现变频器对主钩电机的不同速度控制, 。由于主钩上、下行速度控制具有六档位速度控制, 在改造时用了前面六挡不同组合来实现了速度的控制。在传统的主钩控制中, 下行控制中的“J”档是下降的准备档, 是为将齿轮等传动部件咬合好, 以防止下放重物时突然快速运动而使传动机构受到剧烈的冲击 (防止溜钩) 而设计的, 这时主钩电动机加上正向相序电压, 同时电磁抱闸末松开制动轮, 因此, 电机转子不动, 因而在“J”档中不允许停留时间过长, 以免电动机堵转而烧坏。在改用变频器控制改造中取消了这个准备档, 但是为了防止溜钩现象, 我们利用了变频器的输出频率检测功能信号输出端子FU, 配合PLC来控制主钩的电磁抱闸的动作。起动时, 频率逐渐增加, 电机绕组加上正向或反向的旋转磁场, 但由于频率未能增加至输出频率检测功能的设定值, 抱闸线圈不得电, 抱闸不松开, 防止了溜钩。同理, 停止时, 频率逐渐减小, 降至输出频率检测功能的设定值, 先使抱闸线圈失电, 抱闸抱紧制动轮, 再使电机频率逐渐减小至零, 也防止了溜钩。
此外, 主钩在下放重物时, 由于重力作用, 电动机将处于再生制动状态, 电机的动能将通过逆变器反馈到变频器的直流回路中, 使直流电压升高, 甚至达到危险的地步。因必须配置专用的制动单元和制动电阻, 以保证足够的转矩。同时使直流回路电压保持在允许范围内。制动电阻的容量一般应和电动机的功率相等, 制动电阻值的大小计算公式为:
R= (Ud·Ud) /Pm, 制动单元的允许电流按电机的工作电流的两倍考虑。
4 PLC的控制
PLC是主钩系统的控制部分, 接受来自主令控制器、按钮、变频器频率检测信号等, 对主钩的控制系统进行控制, 是主钩的控制核心。根据主钩的控制要求及点数要求, 选用点数为48点的PLC基本单元, 在主钩改造中, 我们选用了三菱系列中FX2N———48MR型PLC。其输入/输出 (I/O) 的接线图5所示为:
由上面PLC的I/O接线图各点的定义与主钩原控制中的功能要求, 编写了一套控制程序, 实现对主钩的上下运行、调速、制动等的控制, 在梯形图中, Y1 (KA0) 是主令控制器的零位信号, 用来控制外接电压继电器k V, 对主钩控制线路起失压和零位起动, 保证每次起动电机频率从零逐渐增加;M0为变频电源接通条件软继电器, 由外部电压继电器k V控制, 同时它也具有短路、过载、失压、变频器异常等保护功能;M4是主钩电源接通软继电器;M1、M2是主令控制器的上、下行允许软继电器, 作限位保护和上行超程控制;Y0 (KM2) 主钩电源接触器;Y2、Y3是变频器的上、下行相序控制信号;Y5 (KA5) 、Y6 (KA6) 、Y7{KA7}是变频器的档位速度控制, 对主钩进行速度调节控制;M3是变频器频率检测软继电器, 由变频器频率检测输出信号端FU (X04) 控制;Y4 (KM4) 是主钩制动用电磁抱闸电源控制接触器, 它是采用失电制动, 由电机速度控制档和频率检测信号 (M3) 配合控制抱闸电源;Y10 (KA3) 是变频复位信号, 对变频器起复位作用。
为了确保PLC控制的变频器调速技术对桥式起重机主钩拖动系统达到改造要求, 进行了主提升机构模拟负载试验。其载荷分为:空钩17%, 负载为62.1%、106%、125%额定负荷, 速度分为三挡:10%、60%、100%;副钩为3t, 载荷分为:空钩30.6%, 负载为62%、92%、123%, 速度也分为三挡:10%、60%、100%。试验数据如附录6所示:试验证明, 采用PLC控制的变频器调速改造方案的各项技术数据均优于其他调速方案, 可达到改造目标。
5 方案实施
1) 由于主钩电动机所用的是绕线式电机, 因此要将该电机的转子三相绕组在滑环处短接 (原串电阻全部取消) ;
2) 根据主钩主电路、控制电路接线原理图对主令控制器、PLC、变频器进行改装与接线;
3) 变频器的参数设定;
4) PLC程序编写与输入;
5) 整机调试与试运行;
6) 信息回馈。
6 结束语
由此可见, 利用PLC控制的变频调速技术对桥式起重机主钩电路进行改造, 系统的各挡速度、加速时间都可根据现场情况由变频器设置, 调整方便, 增加了主钩的灵活性和工作环境, 当负载变化时, 各挡速度基本不变, 调速性能好, 并能迅速准确地移动和定位。良好的低速性能, 经过一段时间的试运行, 不但提高了起重机的工作效率, 而且节能效果明显。同时, 故障维修率大为减少, 达到改造目的, 具有一定的推广价值。
参考文献
[1]冯垛生.变频器的应用与维护[M].广州:华南理工大学出版社, 2005:168-172.
[2]何焕山.工厂电气控制设备[M].北京:高等教育出版社, 2012:130-137.
