淺談電機(jī)系統(tǒng)的改造

浦金標(biāo)

摘 要：在實際生產(chǎn)過程中往往需要進(jìn)行大型設(shè)備的組裝、拆卸、裝運等。這些設(shè)備不論從體積到重量都很大，所以需要大型的起重機(jī)對其進(jìn)行搬運，橋式起重機(jī)俗稱天車是一種用來起吊、放下和搬運重物、并使重物在一定距離內(nèi)水平移動的起重、搬運設(shè)備。橋式起重機(jī)由小車、大車組成、主鉤為提升機(jī)構(gòu)。橋式起重在生產(chǎn)過程中有著重要應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：觸摸屏；PLC；變頻器；橋式起重機(jī)自動控制

0 引言

橋式起重在控制系統(tǒng)中，采用轉(zhuǎn)子串接電阻的調(diào)速方式。由于工作環(huán)境惡劣，對電動機(jī)和接觸器破壞性較大，加上工作任務(wù)重，實際過載率高，沖擊電流偏大，容易造成電動機(jī)燒損、電動機(jī)及轉(zhuǎn)子所串電阻燒損和斷裂等故障。針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本次改造的起重機(jī)采用先進(jìn)的觸摸屏技術(shù)，PLC，和變頻器技術(shù)，以程序控制取代繼電器、接觸器控制。交流電動機(jī)調(diào)速方式采用變頻調(diào)速，進(jìn)而實現(xiàn)了起重機(jī)的自動化控制。

1 系統(tǒng)概述

橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

大、小車組成運行機(jī)構(gòu)，主鉤為提升機(jī)構(gòu)。大車為雙梁結(jié)構(gòu)，分別由兩臺電動機(jī)M1、M2拖動，兩臺電機(jī)容量都為4KW并聯(lián)運行。小車由一臺電機(jī)M3拖動，容量為2.5KW。起重機(jī)升降的電動機(jī)由一臺電動機(jī)M4驅(qū)動容量為13KW。四臺電機(jī)共用一臺較大的變頻器（15KW）供電，

系統(tǒng)組成框圖

觸摸屏采用臺達(dá)觸摸屏。可編程序控制器（PLC）選用德國西門子S7-200系列可編程序控制器。用 PLC控制工作可靠，掃描速度快，控制非常靈活。此方案，變頻器選用安川品牌變頻器。采用變頻器驅(qū)動異步電動機(jī)調(diào)速，通常應(yīng)根據(jù)異步電動機(jī)的額定電流來選擇變頻器，或者根據(jù)異步電動機(jī)實際運行中的電流值（最大值）來選擇變頻器，通常令變頻器的額定電流≥（1.05～1.10）電動機(jī)的額定電流或電動機(jī)實際運行中的最大電流。 I1nv≥（1.05～1.10）In或（1.05～1.10）Imax 式中I1nv--變頻器額定輸出電流（A）；In-電動機(jī)的額定電流（A）；Imax--電動機(jī)實際最大電流（A）。大車小車行走是一般的負(fù)載，因此采用安川系列和安川系列變頻器驅(qū)動。對于起重機(jī)升降電動機(jī)，考慮到功能性負(fù)載，工作時總是重載起動、制動。而且要求盡可能地快速起動、制動。變頻器的容量是按上式計算得到的。根據(jù)實際情況，經(jīng)過與同類變頻器的性能與價格及售后服務(wù)等方面的綜合考慮，變頻器選用安川公司高性能矢量控制變頻器。

安川變頻器采用目前國際先進(jìn)的矢量控制方式，通過對電機(jī)勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行解耦控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，能以很高的精度進(jìn)行寬范圍的調(diào)速運行。

2 控制要求

采用人機(jī)界面控制。調(diào)速方法，采用目前國際先進(jìn)技術(shù)具有矢量控制功能的變頻調(diào)速系統(tǒng)。變頻后轉(zhuǎn)速可以分檔控制，可分為三段速。起重機(jī)掛鉤能到車間內(nèi)任意點，并且可以長時間停留。即大車可以前后移動，小車可以左右移動。主鉤安裝在小車上用來提升重物。

制動方式采用再生制動、直流制動和電磁機(jī)械制動相結(jié)合的方法。通過變頻器調(diào)速系統(tǒng)的再生制動和直流制動把運動中的大車、小車和起重機(jī)的速度迅速而準(zhǔn)確地降到指定點；對于起重機(jī)，常常會有重物在半空中停留一段時間（如重物在半空中平移），而變頻調(diào)速系統(tǒng)雖然能使重物靜止，但因設(shè)備容易受到外界因素的干擾，（如在平移過程中常易出現(xiàn)的瞬間斷電）因此，利用電磁制動器進(jìn)行機(jī)械制動仍然是必須的。

起重機(jī)的電源為380V，由公共的交流電源供給，由于起重機(jī)在工作的時候是經(jīng)常移動的，并且大車與小車之間、大車與廠房之間都存在著相對運動，因此，要采用可移動的電源設(shè)備供電。要求采用滑觸線和集電刷供電。三根主滑觸線是沿著平行于大車軌道的方向敷設(shè)在廠房的一側(cè)。三相交流電經(jīng)由三根主滑觸線與滑動的集電刷，引進(jìn)起重小車內(nèi)部。

3 控制原理

通過對觸摸屏的控制，來決定PLC 的輸出狀態(tài)。本系統(tǒng)為三段速，大車小車主鉤共用一個變頻器。通過 PLC 對接觸器的輸出控制來決定哪一個工作。三者之間彼此聯(lián)鎖，當(dāng)按下啟動按鈕時主接觸器 KM 接通系統(tǒng)上電，這時可以對觸摸屏進(jìn)行操作。

因為大車、小車、主鉤只能有一個工作所以觸摸屏設(shè)置大車、小車、主鉤啟動按鈕同時又起到顯示工作狀態(tài)的作用。按下啟動按鈕燈亮同時VB1寄存器對應(yīng)輸出一個信號來接通接觸器來控制電機(jī)。停止按鈕為大車、小車、主鉤共用，按下停止按鈕后控制大車、小車、主鉤的接觸器斷開同時向VB0傳送0。

當(dāng)遇到限位開關(guān)時停止運動但可以進(jìn)行相反的操作，例如操作者按大車前二檔遇到前限位開關(guān)時它的常開觸點斷開使大車不能向前，同時傳送0到VB0使其停止，該程序每一次工作只有兩步即先控制接觸器的輸出 （VB1狀態(tài)），然后每次選擇不同的檔位就向VB0 傳送不同的數(shù)值使變頻器控制接觸器得到不同的轉(zhuǎn)速。

4 橋式起重機(jī)采用觸摸屏PLC變頻調(diào)速的特點

采用觸摸屏PLC變頻器以后各方面性能都明顯提高。由觸摸屏控制可以節(jié)省PLC輸入點使其成本降低。由于有兩個頁面，第一個設(shè)置密碼所以非操作人員不能進(jìn)入，操作起重機(jī)。從而減少事故的發(fā)生，人不用在小車?yán)镞M(jìn)行操作而是和起重機(jī)分開，減輕小車的負(fù)載。原來的起重機(jī)升降、小車、大車起動、停止速度過快，而且都是慣性負(fù)載，機(jī)械沖擊也較大，機(jī)械設(shè)備使用壽命縮短，操作人員的安全系數(shù)較差，設(shè)備運行可靠性較低。由于電動機(jī)一直在額定轉(zhuǎn)矩下工作，而每次升降的負(fù)載是變化的，因此容易造成比較大的電能浪費。

起重機(jī)每天需進(jìn)行大量的裝卸操作，由于繞線式電機(jī)調(diào)速是通過電氣驅(qū)動系統(tǒng)中的主要控制元件—交流接觸器來接入和斷開電動機(jī)轉(zhuǎn)子上串接的電阻，切換十分頻繁，在電流比較大的狀態(tài)下，容易燒壞觸頭。轉(zhuǎn)子回路串接的銅電阻因灰塵、設(shè)備振動等原因經(jīng)常燒壞、斷裂。因而設(shè)備故障率比較高，維修工作量比較大。變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)的保護(hù)功能強(qiáng) 變頻調(diào)速以其體積小、通用性強(qiáng)、動態(tài)響應(yīng)快、工作頻率高、保護(hù)性能完善、可靠性好、使用方便等卓越的性能而優(yōu)于以往的任何調(diào)速方式。

采用PLC，和變頻器系統(tǒng)可大大簡化，可靠性大為提高。變頻器節(jié)能效果十分可觀繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)在低速運行時，轉(zhuǎn)子回路的外接電阻內(nèi)消耗大量的電能。而PLC積小，結(jié)構(gòu)緊湊；豐富的硬件資源，高執(zhí)行速度；強(qiáng)大的組網(wǎng)功能功能強(qiáng)大的用戶指令集，獨特的抗干擾設(shè)計，重要數(shù)據(jù)的掉電保護(hù)功能，適應(yīng)惡劣現(xiàn)場環(huán)境。PLC 按控制程序、輸入控制信號來完成起重機(jī)各種工況的協(xié)調(diào)，并決定起重機(jī)的各種工作狀態(tài)。系統(tǒng)軟件設(shè)計采用 PLC梯形圖語言來編程完成，用 PLC控制工作可靠，掃描速度快，控制非常靈活。

參考文獻(xiàn)

1、劉介才主編.電機(jī)原理與拖動.北京：工業(yè)出版社. 2002

2、張迎新主編. 變頻技術(shù).北京： 電子工業(yè)出版社. 2002