PLC控制器和變頻器技術(shù)在門(mén)機(jī)上的應(yīng)用

介紹了PLC控制器與變頻器調(diào)速原理。說(shuō)明了PLC控制器與變頻器技術(shù)在MQ530門(mén)機(jī)上的應(yīng)用情況，分析了使用PLC控制器控制變頻器調(diào)速后的效果，即在調(diào)速范圍內(nèi)方便連續(xù)控制。使得各機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，機(jī)械沖擊力小，延長(zhǎng)了門(mén)機(jī)使用壽命，減少了故障發(fā)生率。
關(guān)鍵詞：PLC 控制器 變頻器 門(mén)機(jī) 應(yīng)用

揚(yáng)子運(yùn)輸有限公司8號(hào)碼頭原有的2臺(tái)門(mén)機(jī)是建廠(chǎng)初期建設(shè)的，主要擔(dān)負(fù)揚(yáng)子石化公司的固體物料進(jìn)出裝卸任務(wù)。隨著揚(yáng)子石化公司的改擴(kuò)建和揚(yáng)子石化一巴斯夫有限責(zé)任公司的建立，2臺(tái)門(mén)機(jī)的使用頻率越來(lái)越高，一直滿(mǎn)負(fù)荷、超負(fù)荷的作業(yè)。隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，2臺(tái)門(mén)機(jī)的故障率開(kāi)始上升，經(jīng)常過(guò)流使主接觸器觸頭燒壞、粘連在一起造成缺相或短路故障。同時(shí)原門(mén)機(jī)電氣控制使用了大量的繼電器、接觸器，電氣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難，不易調(diào)整，故障率高。采用電機(jī)轉(zhuǎn)子串聯(lián)切割電阻，進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，使得門(mén)機(jī)工作時(shí)極不平穩(wěn)，并且能耗大（因?yàn)槟芰肯脑诖?lián)的電阻片上了）、效率低。因此新門(mén)機(jī)（MQ53o）上采用了先進(jìn)平穩(wěn)的無(wú)極變頻調(diào)速技術(shù)。

1 PLC控制器與變頻器調(diào)速原理

1．1 PLC控制器

PLC是可編程控制器的簡(jiǎn)稱(chēng)，可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是1臺(tái)專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)。它具有豐富的輸入、輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為3個(gè)階段，即輸入采樣，用戶(hù)程序執(zhí)行和輸出刷新3個(gè)階段。完成上述3個(gè)階段稱(chēng)為1個(gè)掃描周期，在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行3個(gè)階段，見(jiàn)圖1。

在輸入采樣階段，PLC控制器以?huà)呙璺绞揭来巫x入各類(lèi)按鈕、開(kāi)關(guān)類(lèi)電器主令控制器的輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I／0(輸入／輸出)映象區(qū)中的相應(yīng)單元內(nèi)。在用戶(hù)程序執(zhí)行階段，PLC控制器總是按順序由上而下的依次掃描，預(yù)編好的各種軟繼電器及其觸點(diǎn)組成邏輯程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線(xiàn)路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線(xiàn)路圖進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算結(jié)果，刷新該邏輯線(xiàn)圈在系統(tǒng)RAM 儲(chǔ)存區(qū)中對(duì)應(yīng)的狀態(tài)，或者刷新該輸出線(xiàn)圈在I／0 映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。當(dāng)掃描用戶(hù)程序結(jié)束后，PLC控制器就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I／0映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的被控負(fù)載，如各種電磁閥線(xiàn)圈、接觸器、信號(hào)指示燈或變頻器等執(zhí)行電器，這時(shí)才是PLC控制器的真正輸出。

1．2 變頻器調(diào)速原理

變頻器簡(jiǎn)單地說(shuō)就是將電源的三相(或單相)交流電，經(jīng)整流橋整流為直流電(交一直變換)，再把直流電經(jīng)逆變器變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相(或單相)交流電源(直一交變換)。其間電能不發(fā)生任何變化，而只有頻率發(fā)生改變。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下：

n= 60×f×(1-s)／p (1)

式中：n -- 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；
f --定子頻率；
s -- 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；
p -- 磁極對(duì)數(shù)。

由式(1)可知，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的途經(jīng)有改變磁極對(duì)數(shù)、改變轉(zhuǎn)差率和調(diào)整輸入頻率。改變電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)實(shí)際上就是改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，加上電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)是相對(duì)固定的，所以只有通過(guò)改變定子繞組的接法來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是這種方法的缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，主要是：最多只有4擋調(diào)速，不能得到最佳的運(yùn)行效果，負(fù)載能力下降，工作效率下降，調(diào)速時(shí)必須改變繞組的接法，故控制電路比較復(fù)雜。改變轉(zhuǎn)差率是通過(guò)在轉(zhuǎn)子電路中串聯(lián)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種方法只能用于繞線(xiàn)式電機(jī)，其缺點(diǎn)是因?yàn)橐?lián)的電阻在電機(jī)外部，在電機(jī)的結(jié)構(gòu)上就必須加入電刷和滑環(huán)，增加了故障率，同時(shí)調(diào)速電阻上將白白地消耗掉許多電能，調(diào)速后的機(jī)械特性比較“軟”，不理想。

而改變電動(dòng)機(jī)定子側(cè)供電電源的輸入頻率，即可改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速。但頻率下降會(huì)導(dǎo)致磁通的增加，造成磁路飽和，勵(lì)磁電流增加，功率因數(shù)下降，鐵心和線(xiàn)圈過(guò)熱，顯然這是不允許的。為此，要在降頻的同時(shí)還要降壓，這就要求頻率與電壓協(xié)調(diào)控制，該協(xié)調(diào)控制的裝置就稱(chēng)為變頻器。在起重機(jī)上調(diào)速，電機(jī)產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩不能變，這就需要維持磁通不變?，F(xiàn)在使用的精確交流控制系統(tǒng)多為矢量控制，其基本點(diǎn)是控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)距和磁場(chǎng)2個(gè)分量，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)正交和解耦控制。直接轉(zhuǎn)矩與矢量控制不同，它不是通過(guò)控制電流、磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是采用瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩的控制方式，把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來(lái)控制，其性能類(lèi)似于他勵(lì)直流電機(jī)特性。

2 系統(tǒng)工作構(gòu)成

2．1 系統(tǒng)組成

MQ530門(mén)機(jī)最大起升高度30 m，最大起重負(fù)荷5 t。變頻控制器采用ABB公司ACS600系列變頻器，該變頻器采用了適合于起重作業(yè)的DTC直接轉(zhuǎn)矩控制理論。起升機(jī)構(gòu)為雙鉤2臺(tái)55 kW 變頻電機(jī)，2臺(tái)ABB—ACS600—120變頻器；變幅機(jī)構(gòu)為1臺(tái)22 kW 變頻電機(jī)，1臺(tái)ABB—ACS600—40變頻器；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為1臺(tái)3Okw 變頻電機(jī)；行走機(jī)構(gòu)為4臺(tái)7．5 kW 變頻電機(jī)，旋轉(zhuǎn)和大車(chē)行走共用1臺(tái)ABB—ACS600—7O變頻器。PLC控制器采用GE公司FANUC系列90—30可編程控制器，有1個(gè)CPU模塊，1個(gè)通訊模塊，2個(gè)電源模塊，7個(gè)輸入模塊，3個(gè)輸出模塊，它與ABB公司ACS600系列變頻器之間的數(shù)據(jù)交換，是通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)組成網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2．2 系統(tǒng)工作原理

門(mén)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程首先是全車(chē)通電，PLC控制器和變頻器得電后，進(jìn)行初始化自檢和診斷。在PI C控制器輸入模塊和輸出模塊上有相應(yīng)的燈亮，代表一切正常，具備開(kāi)機(jī)條件。通過(guò)PLC控制器指示燈的反應(yīng)，能夠使維修人員很快的找到設(shè)備故障點(diǎn)。開(kāi)機(jī)時(shí)PLC控制器先將接收到的駕駛室操縱桿信號(hào)，轉(zhuǎn)換為調(diào)速系統(tǒng)可直接處理的數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳送到相應(yīng)的變頻器上，在完成PLC控制器對(duì)變頻器控制的同時(shí)，還將變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，反饋到PLC控制器上，實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制。變頻器將所得到的信號(hào)再處理后輸送到下端變頻電機(jī)，使電機(jī)平穩(wěn)的起降、旋轉(zhuǎn)作業(yè)，最終將貨物裝卸完畢。

2．3 電機(jī)選用

在電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中，應(yīng)注意電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱和散熱的規(guī)律及狀況。普通電機(jī)主要是利用轉(zhuǎn)子上的葉片來(lái)散熱，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，散熱效果將變差，從而會(huì)影響電動(dòng)機(jī)實(shí)際的帶負(fù)載能力。因此，電機(jī)選用變頻電機(jī)，該電機(jī)的散熱是靠一個(gè)獨(dú)立的風(fēng)扇電機(jī)來(lái)完成的，這就比原使用的電機(jī)在性能上又有了很大的提高。

3 使用效果

由于使用專(zhuān)用的DTC直接轉(zhuǎn)矩控制方式變頻器，和變頻器專(zhuān)用電機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)，在性能上已經(jīng)達(dá)到和超過(guò)直流伺服系統(tǒng)，升降、變幅、旋轉(zhuǎn)速度可精細(xì)調(diào)整，各項(xiàng)位置精度得到提高。采用鼠籠式變頻電機(jī)，大大減少了電機(jī)的維護(hù)工作量，同時(shí)電氣控制系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，省去了頻繁工作的交流接觸器和電機(jī)正反轉(zhuǎn)接觸器，解決了頻繁更換元器件的問(wèn)題。改造前裝卸每噸物品用電量為0．28 kW ·h，改造后裝卸每噸物品用電量為0．22 kW ·h，電能的消耗明顯下降，降低了生產(chǎn)成本。

4 結(jié)語(yǔ)

新門(mén)機(jī)使用PLC控制器控制變頻器調(diào)速后，在調(diào)速范圍內(nèi)方便連續(xù)控制，即無(wú)級(jí)調(diào)速、調(diào)速平穩(wěn)、精度高、效率高等性能。使得各機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，機(jī)械沖擊力小，延長(zhǎng)了門(mén)機(jī)使用壽命，減少了故障發(fā)生率。省去了電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)大功率電阻，減少了能耗點(diǎn)，達(dá)到節(jié)能降耗作用。