PLC在天車變頻控制系統中的應用

邢媛

（青島橡膠輪胎設計院，山東青島266042）

摘要：通過對工廠現使用的天車進行研究和分析，對該系統通過主令控制器給定plc的速度信號來對整個系統進行調速，橋式起重機大車、小車、主鉤、副鉤電動機都需獨立運行，大車為兩臺電動機同時拖動，所以整個系統有5臺電動機，4臺變頻器，并由1臺plc分別加以控制。

關鍵詞：天車；PLC；變頻器；電機

中途分類號：TP9文獻標識碼：B

前言

橋式起重機是橋架在高架軌道上運行的一種橋架型起重機，又稱天車。橋式起重機的橋架沿鋪設在兩側高架上的軌道縱向運行，起重小車沿鋪設在橋架上的軌道橫向運行，構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物料，不受地面設備的阻礙。橋式起重機廣泛地應用在室內外倉庫、廠房、碼頭和露天貯料場等處。橋式起重機可分為普通橋式起重機、簡易粱橋式起重機和冶金專用橋式起重機三種。

起重機運行機構的驅動方式可分為兩大類：一類為集中驅動，即用一臺電動機帶動長傳動軸驅動兩邊的主動車輪；另一類為分別驅動、即兩邊的主動車輪各用一臺電動機驅動。中、小型橋式起重機較多采用制動器、減速器和電動機組合成一體的“三合一”驅動方式，大起重量的普通橋式起重機為便于安裝和調整，驅動裝置常采用萬向聯軸器。起重機運行機構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。當車輪超過四個時，必須采用鉸接均衡車架裝置，使起重機的載荷均勻地分布在各車輪上。

脫錠起重機用以把鋼錠從鋼錠模中強制脫出。小車上有專門的脫錠裝置，脫錠方式根據錠模的形狀而定：有的脫錠起重機用項桿壓住鋼錠，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：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。主柱可繞垂直軸回轉，挑桿可上下擺動和回轉。副小車用于修爐等輔助作業。鍛造起重機：用以與水壓機配合鍛造大型工件。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2臺，小車電機1臺，抓斗電機1臺，抓斗提升電機1臺，均為繞線式交流電動機，采用轉子串電阻的方法啟動和調速。由于工作環境惡劣，粉塵和有害氣體對電機滑環、碳刷及21個接觸器腐蝕較大，加上任務重，操作程序難以保證，沖擊電流大，觸頭消蝕嚴重，碳刷冒火，電機及轉子繞組所串電阻燒損、斷裂故障時有發生，平均每月發生較大的故障2.5次，對生產影響較大.轉子串電阻調速，機械特性軟，負載變化時，轉速也變化，調速效果差，所串電阻長期發熱，電能浪費大，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串電阻調速方式。

120/5t天車基本參數

天車早已系列化和標準化。其統一參數如下：

1.質量和載荷參數：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，起重機總質量Go，輪壓P

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

3.運動速度參數：起升（下降）速度Vn，微速下降速度Vm，回轉速度ω，起重機(大車)運行速度Vk，小車運行速度Vt，變幅速度Vr

4.與起重機運行線路有關的參數：跨度S

5.一般性能參數：工作級別，機構工作級別

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

2、天車電機的選擇

起重機提升和運行機構的調速比一般不大于1:20，且為斷續工作制，通常接電持續在60%以上，負載多為大慣量系統。嚴格意義上的變頻電機，轉動慣量較小，響應速度較快，可工作在比額定轉速高出很多的工況條件下，這些特性均非起重機的特定要求。普通電機與變頻電機在不連續工作狀態下特性基本一致；在連續工作時考慮到冷卻效果限制了普通電機轉矩應用值，普通電機僅在連續工作時的變頻驅動特性比變頻電機稍差。

普通變頻器在調度比為1:20的范圍內確保起重機上普通電機有150％的過載力矩值。此外起重機電機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。但若電機要求在整個工作周期內在大于1:4的速比下持續運行則必須采用風冷式電機。

作為提升機構的電機選用適合頻繁起動、轉動慣量小、起動轉矩大的變頻用電機。目前，國外以四極電機作變頻電機首選極數。電機功率為：

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——機械效率。

用變頻器驅動異步電動機時，由于變頻器的換向沖擊電壓及開關元件瞬間的開閉而產生沖擊電壓(浪涌電壓)引起電機絕緣惡化，對電壓型pwm變頻器應盡量縮短變頻器與電機間接線距離或者考慮加入阻尼回路(濾波器)。

電動機功率的選擇，必須根據生產的需求來決定。一般來說，起重機用電動機比一般工業生產機械所用的電動機的功率大10%左右。

電動機的選擇取決于下面兩個主要條件：

(1)發熱。電動機在工作時，一方面將電能轉變為機械能而作功，另一方面由于電動機繞組本身的阻抗要消耗一部分電能轉變成熱能，使電動機的溫度升高。電動機由于受體積結構等的限制，內部絕緣材料的耐熱能力很差，極易造成老化。當溫度超過電動機所允許的限度時，絕緣能力被破壞，電動機將燒毀。電動機銘牌上都規定有電動機的溫升，它指的是電動機在額定負載下運行時，定子發熱后的允許溫升與周圍環境溫度之差。

(2)過載能力。各種電動機都有一定的過載能力。交流電動的過載能力tm是最大轉矩m與額定轉矩mc的比值，即一般起重機用的交流異步電動機的過載能力為2.5～3.3。

3、天車電氣原理

1）吊鉤升降、開閉機構電氣拖動系統吊鉤升降、開閉機構拖動系統各有一臺電機，由于吊鉤升降、開閉機構拖動系統電機同時工作，因此兩套機構不能共用一套變頻器。在司機操作室聯動臺上分別設有吊鉤升降、開閉機構主令控制器Ks、Kf。系統的控制指令，由司機室聯動臺主令控制器Ks、Kf給出，經PLC運算后給出控制變頻指令：上升、下降、打開、關閉、加速、減速。吊鉤升降、開閉機構制動打開由變頻器輸出繼電器經PLC邏輯運算后驅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、接地等各種保護功能和故障自診斷及顯示報警功能。當變頻器出現短路、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，并發出報警信號。

吊鉤升降、開閉機構除了變頻器內部有保護功能外，還設置了線路保護：

（1）零位保護，由主令控制器零位觸點實現此功能；

（2）限位保護，由高度限制器實現；

（3）線路設有低壓斷路器作為短路保護。

2）小車運行機構電氣拖動系統小車運行機構由一臺變頻電機驅動，采用1臺變頻器控制，系統控制方法與起升機構電氣傳動系統類似。

3）大車運行機構電氣拖動系統大車運行機構由兩臺變頻電機驅動，采用1臺變頻器控制，系統控制方法與小車運行機構電氣傳動系統類似。如圖1所示為天車主令控制器通斷表。

4、PLC控制

4.1PLC選型

本系統中選用日本歐姆龍CPM2AE-60CDR-A型PLC來實現整個系統的邏輯控制，接線簡化，電源功率損耗減少。設置回路故障診斷功能和有效的電氣保護功能使系統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）變頻器運行、停止控制；

2）控制制動器，保證電動機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，系統將會立即停止運行，制動器制動。

4.2PLC控制分配及控制程序

4.2.1I/O點分配圖

4.2.2PLC控制程序

設置公用程序可以充分利用PLC的I/O點，減少外部接線，其程序主要是實現電機的正反轉、與提減速，其間用輔助繼電器輸出為后面的程序調用作準備。

該程序主要用比較的指令來實現電機的提減速，在按I0.1或I0.2時，使存儲器VB100中存儲的數字在1~5間順序變化，控制串入轉子電阻的數量來實現調速。

在設計程序時，可以繼續采用方案一中的設計方法，將主令控制器的程序作為公用程序，節省部分輸入點。在設計公用程序時根據不同型號的變頻器速度輸入的編號對進行編程。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現電動機的正反轉、升降、前后行走及速度調節。由于程序設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

LPP

AI0.4

=Q0.2//反轉

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

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