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PLC控制器和變頻器技術(shù)在門機上的應(yīng)用
PLC控制器和變頻器技術(shù)在門機上的應(yīng)用
PLC控制器和變頻器技術(shù)在門機上的應(yīng)用
摘 要: 隨著現(xiàn)代企業(yè)的不斷進(jìn)步和發(fā)展,，效益是企業(yè)永恒的主題。利用新技術(shù)提高企業(yè)生產(chǎn)裝置的管理水平和節(jié)能降耗已是各企業(yè)的手段之一,。本文主要介紹了PLC控制器與變頻器調(diào)速原理,，并說明PLC控制器與變頻器技術(shù)在MQ12T門機上的應(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,。使得各機構(gòu)運行平穩(wěn),，機械沖擊力小,，延長了門機使用壽命，減少了故障發(fā)生率,。
關(guān)鍵詞：PLC 控制器 變頻器 門機 應(yīng)用
1.引言
PLC技術(shù)是一種基于PC的新型控制技術(shù),，它具有開放的體系結(jié)構(gòu)、強大的網(wǎng)絡(luò)通訊能力和更強的數(shù)據(jù)處理能力,，能較好地滿足現(xiàn)代工業(yè)自動化的要求,，是目前工業(yè)自動化領(lǐng)域研究的熱點之一。變頻器調(diào)速技術(shù)是集自動控制,、微電子,、電力電子、通信等技術(shù)于一體的高科技技術(shù),。它以很好的調(diào)速,、節(jié)能性能，在各行各業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用,。由于其采用軟啟動,，可以減少設(shè)備和電機的機械沖擊，延長設(shè)備和電機的使用壽命,。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，變頻器以其具有節(jié)電,、節(jié)能,、可靠、高效的特性應(yīng)用到了工業(yè)控制的各個領(lǐng)域中,，如變頻調(diào)速在門機,、行車設(shè)備、過程控制,、電梯等方面的應(yīng)用,，保證了調(diào)節(jié)精度，減輕了工人的勞動強度,，提高了經(jīng)濟(jì)效益,。
隨著國投公司的發(fā)展，門機的使用頻率越來越高,，一直滿負(fù)荷,、超負(fù)荷的作業(yè)。隨著使用時間的延長,，門機的故障率開始上升,，經(jīng)常過流使主接觸器觸頭燒壞、粘連在一起造成缺相或短路故障,。同時原門機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。采用電機轉(zhuǎn)子串聯(lián)切割電阻,，進(jìn)行有級調(diào)速,，使得門機工作時極不平穩(wěn)，并且能耗大（因為能量消耗在串聯(lián)的電阻片上了）,、效率低,。因此公司購買了2臺新門機MQ12T上采用了*平穩(wěn)的無極變頻調(diào)速技術(shù)。
2．PLC控制器與變頻器調(diào)速原理
2．1 PLC控制器
PLC是可編程控制器的簡稱,，可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng),，是1臺專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計制造的計算機。它具有豐富的輸入,、輸出接口,，并且具有較強的驅(qū)動能力。當(dāng)PLC投入運行后,，其工作過程一般分為3個階段,，即輸入采樣，用戶程序執(zhí)行和輸出刷新3個階段,。完成上述3個階段稱為1個掃描周期,，在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行3個階段,，見圖1,。
在輸入采樣階段，PLC控制器以掃描方式依次讀入各類按鈕,、開關(guān)類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組成邏輯程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時,，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路,，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路圖進(jìn)行邏輯運算,，然后根據(jù)邏輯運算結(jié)果,，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM 儲存區(qū)中對應(yīng)的狀態(tài)，或者刷新該輸出線圈在I／0 映象區(qū)中對應(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)動相應(yīng)的被控負(fù)載，如各種電磁閥線圈,、接觸器,、信號指示燈或變頻器等執(zhí)行電器，這時才是PLC控制器的真正輸出,。
2．2 變頻器調(diào)速原理
變頻器簡單地說就是將電源的三相(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 -- 異步電動機轉(zhuǎn)差率；
p -- 磁極對數(shù),。
由式(1)可知,，異步電動機調(diào)速的途經(jīng)有改變磁極對數(shù)、改變轉(zhuǎn)差率和調(diào)整輸入頻率,。改變電機的磁極對數(shù)實際上就是改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速,，加上電機的磁極對數(shù)是相對固定的，所以只有通過改變定子繞組的接法來實現(xiàn),。但是這種方法的缺點是顯而易見的，主要是：最多只有4擋調(diào)速,，不能得到最佳的運行效果,，負(fù)載能力下降，工作效率下降,，調(diào)速時必須改變繞組的接法,，故控制電路比較復(fù)雜。改變轉(zhuǎn)差率是通過在轉(zhuǎn)子電路中串聯(lián)電阻來實現(xiàn)的,，這種方法只能用于繞線式電機,，其缺點是因為要串聯(lián)的電阻在電機外部，在電機的結(jié)構(gòu)上就必須加入電刷和滑環(huán),，增加了故障率,，同時調(diào)速電阻上將白白地消耗掉許多電能，調(diào)速后的機械特性比較“軟",，不理想,。
而改變電動機定子側(cè)供電電源的輸入頻率,，即可改變電機的同步轉(zhuǎn)速和電機轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速。但頻率下降會導(dǎo)致磁通的增加,，造成磁路飽和,，勵磁電流增加，功率因數(shù)下降,，鐵心和線圈過熱,，顯然這是不允許的。為此,，要在降頻的同時還要降壓,，這就要求頻率與電壓協(xié)調(diào)控制，該協(xié)調(diào)控制的裝置就稱為變頻器,。在起重機上調(diào)速,，電機產(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2個分量，經(jīng)過坐標(biāo)變換實現(xiàn)正交和解耦控制,。直接轉(zhuǎn)矩與矢量控制不同,，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(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控制，其性能類似于他勵直流電機特性,。
3 系統(tǒng)工作構(gòu)成
3．1 系統(tǒng)組成
MQ12T門機的變頻控制器采用日本安川公司VARISPEED G7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。起升機構(gòu)為雙鉤2臺90 kW 變頻電機,，2臺CIMR-G7A4132變頻器,；變幅機構(gòu)為1臺30 kW 變頻電機，1臺CIMR-G7A4045變頻器,；旋轉(zhuǎn)機構(gòu)為2臺22kw 變頻電機,，2臺CIMR-G7A4037變頻器；行走機構(gòu)為4臺11 kW 變頻電機,，起升和大車行走共用1臺CIMR-G7A4132變頻器,。PLC控制器采用歐姆龍公司可編程控制器，有1個CPU模塊，1個通訊模塊,，2個電源模塊,，7個輸入模塊，3個輸出模塊,，它與日本安川公司VARISPEED G7系列變頻器之間的數(shù)據(jù)交換,。
3．2 系統(tǒng)工作原理
門機的運行過程首先是全車通電，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,，具備開機條件,。通過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,。開機時PLC控制器先將接收到的駕駛室操縱桿信號,，轉(zhuǎn)換為調(diào)速系統(tǒng)可直接處理的數(shù)字信號，然后通過Profibus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)傳送到相應(yīng)的變頻器上,，在完成PLC控制器對變頻器控制的同時,，還將變頻器的運行狀態(tài)，通過通訊網(wǎng)絡(luò)Profibus現(xiàn)場總線,，反饋到PLC控制器上,，實現(xiàn)對整機狀態(tài)的實時控制。變頻器將所得到的信號再處理后輸送到下端變頻電機,，使電機平穩(wěn)的起降,、旋轉(zhuǎn)作業(yè)，最終將貨物裝卸完畢,。
3．3 電機選用
在電動機的調(diào)速系統(tǒng)中,，應(yīng)注意電機在低速運行時的發(fā)熱和散熱的規(guī)律及狀況。普通電機主要是利用轉(zhuǎn)子上的葉片來散熱,，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時,，散熱效果將變差，從而會影響電動機實際的帶負(fù)載能力,。因此，電機選用變頻電機,，該電機的散熱是靠一個獨立的風(fēng)扇電機來完成的,，這就比原使用的電機在性能上又有了很大的提高。
4. 使用效果
由于使用專用的DTC直接轉(zhuǎn)矩控制方式變頻器,，和變頻器專用電機組成的調(diào)速系統(tǒng),，在性能上已經(jīng)達(dá)到和超過直流伺服系統(tǒng)，升降、變幅,、旋轉(zhuǎn)速度可精細(xì)調(diào)整,，各項位置精度得到提高。采用鼠籠式變頻電機,，大大減少了電機的維護(hù)工作量,，同時電氣控制系統(tǒng)得到簡化，省去了頻繁工作的交流接觸器和電機正反轉(zhuǎn)接觸器,，解決了頻繁更換元器件的問題,。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。
5. 結(jié)論
新門機使用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,，即無級調(diào)速、調(diào)速平穩(wěn),、精度高,、效率高等性能。使得各機構(gòu)運行平穩(wěn),，機械沖擊力小,，延長了門機使用壽命，減少了故障發(fā)生率,。省去了電機轉(zhuǎn)子側(cè)大功率電阻,，減少了能耗點，達(dá)到節(jié)能降耗作用,。