基于PLC和變頻器的起重機系統(tǒng)的設(shè)計

1、基于plc和變頻器的起重機系統(tǒng)的設(shè)計摘要:常用的起重機大多存在電能浪費嚴(yán)重、自動化水平低等問題，現(xiàn)設(shè)計一種全新的基于無線網(wǎng)絡(luò)、plc和變頻回饋裝置的高性能起重機控制系統(tǒng)，應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)高效節(jié)能、可靠性高、網(wǎng)絡(luò)化程度高，使用維護方便。關(guān)健詞:節(jié)能;網(wǎng)絡(luò)化;m/t法crane control system design based on plc and frequency converterabstract: the crane in common use mostly exists many problems such as wasting energy source, behindhan

2、d automatic technology, etc. we designed a bran-new、high-powered control system which mainly based on wireless network technology、plc and the frequency conversion feedback device. it is proved high-powered、simple in using and maintenance, and provided with high dependability in practice. it is a sys

3、tem which have great value of popularize.key words: economy energy；network； m/t method1 引言在工礦企業(yè)中，起重機是不可缺少的常用設(shè)備。目前國內(nèi)大多數(shù)工礦企業(yè)所用起重機是采用繞線式電動機拖動，通過轉(zhuǎn)子電阻的切換進行調(diào)速，由繼電接觸器線路實現(xiàn)系統(tǒng)的操作控制。因而起重機故障率高、調(diào)速性能差。在低速下運行時由于轉(zhuǎn)差功率大，轉(zhuǎn)子電阻發(fā)熱嚴(yán)重，尤其在起重機下放重物時，重物所具有的勢能均通過電動機轉(zhuǎn)子電阻變成熱能而散失掉。所以，這種起重機效率十分低下，在起重機工作繁忙的情況下，電能浪費現(xiàn)象更是非常嚴(yán)重。因此，在起重機工作

4、繁重的生產(chǎn)車間，如何解決起重機運行中電能浪費、控制水平低，如何將起重機納人到工礦企業(yè)生產(chǎn)過程中的物流管理系統(tǒng)，成為了一項十分重要而又緊迫的工作。本文設(shè)計的基于無線網(wǎng)絡(luò)、plc和變頻回饋裝置的高性能起重機控制系統(tǒng)，從改變控制方式上解決了起重機重物下放產(chǎn)生能量浪費問題，以及起重機低速運行時因轉(zhuǎn)子電阻發(fā)熱嚴(yán)重而影響起重機調(diào)速范圍的問題。并且裝置的自動化程度高、可靠性大大提高，操作方便，基本上實現(xiàn)免維護。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)常用起重機一般由大車、小車、主鉤、副鉤傳動控制系統(tǒng)組成?，F(xiàn)在國內(nèi)也有起重機使用鼠籠型電動機、變頻驅(qū)動，見圖一。圖1制動電阻工作機制fig.1 working mechanism of th

5、e braking resistor這種控制方式解決了老式起重機繞線式電動機在低速下運行時轉(zhuǎn)子電阻發(fā)熱嚴(yán)重的問題。但下放重物時電動機變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，重物具有的勢能通過電動機變成電能，使變頻器內(nèi)部電容器兩端電壓升高，產(chǎn)生過電壓故障。解決問題的方法是：配套使用制動單元和制動電阻，當(dāng)變頻器直流電壓升高到制動單元動作閾值時，制動單元動作，接通制動電阻。將轉(zhuǎn)子回饋的電能通過制動電阻變成熱能釋放掉，降低變頻器內(nèi)部電容器兩端電壓，使系統(tǒng)保持正常工作。起重機下放重物越重，電動機回饋變頻器的能量越多，則所需制動單元、制動電阻的功率越大，熱能耗散也越多。仍然沒有解決起重機下放重物時能量損耗問題。本系統(tǒng)根據(jù)直流電變?yōu)?/p>

6、交流電的逆變原理，研制出電能回饋裝置，根據(jù)電動機的不同工作狀態(tài)，分別啟動變頻器?；仞佈b置工作機制，如圖2所示。圖2 回饋裝置工作機制fig.2 working mechanism of feedback devices電動機工作于電動狀態(tài)時，變頻器工作，電動機通過變頻實現(xiàn)調(diào)速，電能變?yōu)闄C械能;電動機工作于制動狀態(tài)時，回饋裝置工作，機械能變成電能回饋電網(wǎng)。通過使用回饋技術(shù)既節(jié)約了能量，又提高了起重機的控制性能，使起重機運行更加穩(wěn)定。起重機中各電機均采用回饋單元后，使裝置的總節(jié)電效率提高30%以上。3 控制系統(tǒng)采用變頻控制實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)速功能，改善了系統(tǒng)的調(diào)速性能和控制精度。實現(xiàn)全調(diào)速范圍內(nèi)連續(xù)平滑調(diào)

7、速、穩(wěn)定運行。具有完善的過流、過壓、缺相等保護措施，以及自診斷、故障報警、事件記錄等功能。整個系統(tǒng)的操作控制采用雙rs485端口的s7200plc組成控制系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的時間、順序和邏輯控制功能。系統(tǒng)控制框圖如圖三所示。由于采用 plc控制，簡化了起重機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由程序控制取代了繼電接觸器控制。大大簡化了復(fù)雜的繼電器邏輯，提高了裝置的可靠性，基本上實現(xiàn)免維護。plc兩個端口一個用于后臺監(jiān)控，另一端口用于組成無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多臺設(shè)備集中控制與管理，進而可實現(xiàn)更大范圍的自動化網(wǎng)絡(luò)控制。圖3 系統(tǒng)控制框圖fig.3 the diagrams of control system4 測速及“溜鉤”、“

8、超速”保護4.1電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速測量混合式光電編碼器是將絕對式光電編碼器和增量式光電編碼器相結(jié)合。先利用絕對式光電編碼器進行定相，確定電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的大概起始位置；而后利用增量式光電編碼器所發(fā)出的z脈沖輸入機械偏差補償量，從而確定電動機轉(zhuǎn)子起始轉(zhuǎn)動的精確位置。最后運用增量式光電編碼器所發(fā)出的脈沖，進行相對于起始位置的計數(shù)，進而確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的位置。如圖4所示，m1和m2是在z脈沖到來時開始，直至下一個z脈沖到來時的ts并延長t時間為止，所記錄的編碼器脈沖數(shù)m1與以plc內(nèi)部時鐘作為時基記錄的脈沖數(shù)m2。圖4 m/t測速法fig.4 m/t method which is useful in

9、the measurement of the motor speed 在本文中由于采用plc對電動機進行控制，所以對于電動機轉(zhuǎn)速的測量可采用plc直接讀取，在plc編程計算電動機轉(zhuǎn)速時可采用傳統(tǒng)的m/t法。所謂m/t法就是在采樣周期內(nèi)記錄編碼器時鐘脈沖的個數(shù)，而后利用公式：式中，f0為plc內(nèi)部時鐘的記數(shù)頻率；pn為電機主軸轉(zhuǎn)動一周光電編碼器所發(fā)出的脈沖數(shù)的值。4.2“溜鉤”及“超速”保護在起重機控制系統(tǒng)中，由于起重機設(shè)備工作的特殊性，電磁抱閘的控制具有極其重要的意義。一旦起重機在行進過程中抱閘控制失控，將造成不可估量的損失。在提升重物的過程中，若電動機轉(zhuǎn)矩控制不當(dāng)，則會出現(xiàn)重物不升反降的“溜

10、鉤”現(xiàn)象。由編碼器發(fā)出的脈沖a、b可知，a、b兩相相差90度，可通過比較a相在前還是b相在前，以判別電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)蹉^發(fā)出上升命令時，當(dāng)抱閘打開時，如果此時變頻器的力矩沒有形成時，編碼器檢測到重物運行方向與命令方向相反時，包閘立刻抱緊，有效的防止了“溜鉤”可能造成的損壞。另在重物下降過程中，當(dāng)檢測到重物下降速度高于預(yù)設(shè)速度時，系統(tǒng)立刻關(guān)斷變頻給定，包閘立刻抱緊，有效的防止了“超速”可能造成的損壞。5 后臺及無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成5.1 ccms系統(tǒng)如圖5所示，plc的一個端口用于連接起重機管理系統(tǒng)（ccms系統(tǒng)），該系統(tǒng)具有狀態(tài)檢測、故障診斷和運行記錄功能，方便管理和維護。并且可以觀察來自總監(jiān)控

11、系統(tǒng)的信息。5.2 無線通訊系統(tǒng)如圖5所示，plc的另一個端口用于無線通訊系統(tǒng)，該系統(tǒng)由發(fā)射器、接收器、中繼器構(gòu)成。plc和發(fā)射器之間通過rs485端口連接，之間遵循modbus協(xié)議，中繼器根據(jù)發(fā)射器和接收器之間的距離決定使用與否。圖5 無線通訊網(wǎng)絡(luò)fig.5 wireless communication network總監(jiān)控后臺具有如下功能：(1)系統(tǒng)組態(tài):主要實現(xiàn)對每個起重機系統(tǒng)各部分的配置功能，包括站點信息配置、通信配置、測點配置、報警配置等。站點信息配置記錄了每個站點的基本信息，作為每個站點唯一的標(biāo)識;通信配置完成無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置，是實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的保障;測點配置實現(xiàn)了系統(tǒng)要監(jiān)測信息的配置

12、;而報警配置則對每個待測點進行了詳細(xì)的分級報警設(shè)置，有系統(tǒng)故障報警、吊重偏差報警、速度變化率報警等，可以使用戶從不同方面觀測測點的狀態(tài)。系統(tǒng)組態(tài)配置中服務(wù)器與客戶機的配置信息要保持一致，這樣才能保證監(jiān)控與診斷的正確性。(2)實時監(jiān)控和報警:實現(xiàn)對每臺起重機設(shè)備的實時監(jiān)控?？蛻魴C將實時采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)按設(shè)置周期發(fā)送到總監(jiān)控后臺?？偙O(jiān)控后臺首先通過接收到的實時數(shù)據(jù)監(jiān)視客戶機的狀態(tài)并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，同時利用預(yù)診斷知識庫進行預(yù)診斷，然后進行報警判斷并利用專家知識庫進行分析和故障診斷，最后根據(jù)診斷結(jié)果實時報警并向客戶機發(fā)出合理的控制命令。實時數(shù)據(jù)可以根據(jù)用戶需要以控件方式動態(tài)地顯示一些重要測點的信息，

13、故障信息則以列表方式動態(tài)地顯示了測點的狀態(tài)。(3)專家知識庫:根據(jù)不同情況下的不同需要，本系統(tǒng)將專家知識庫分為在線專家知識庫和離線專家知識庫。在線專家知識庫主要根據(jù)實時數(shù)據(jù)或一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)進行推理診斷;而離線專家知識庫則主要依據(jù)事件狀態(tài)描述來進行推理診斷。二者之間是獨立的，方便了在以后使用過程中對知識庫的擴充、維護和修改。 針對所吊物料的重量等數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳送到車間級物流管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中開發(fā)一個專門針對起重機物流優(yōu)化管理的專家系統(tǒng)，根據(jù)該領(lǐng)域多個專家提供的知識和經(jīng)驗并利用最優(yōu)規(guī)劃理論和專家控制系統(tǒng)理論，開發(fā)出多臺起重機控制策略，對重物行走路線的布局、各裝卸站點的位置安排、作

14、業(yè)量的確定進行統(tǒng)籌規(guī)劃。不論是重物行走路線、裝卸站點設(shè)置、行車管理還是行車調(diào)度，系統(tǒng)規(guī)劃的目的都是為了提高起重機的作業(yè)效率，最終使多臺起重機以最短時間、最低能源消耗，完成批量作業(yè)任務(wù)。6結(jié)語本文設(shè)計的節(jié)能變頻起重機已在某鋼鐵公司投入使用，實際應(yīng)用表明，該起重機技術(shù)先進、自動化程度高、運行可靠、高效節(jié)能，網(wǎng)絡(luò)化功能使起重機可以方便地納人生產(chǎn)管理系統(tǒng)和現(xiàn)代物流管理系統(tǒng)，是工業(yè)起重機的技術(shù)發(fā)展方向，具有很高的技術(shù)應(yīng)用價值和廣泛的市場應(yīng)用前景。參考文獻1段蘇振. 交流變頻調(diào)速技術(shù)在門式起重機中的應(yīng)用j.電氣傳動, 2005, 35(1):56-62.1 duan suzhen. technique o

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