無人天車電氣控制系統(tǒng)中的變頻器選擇與PLC通信

詹 博

（河鋼唐鋼能源環(huán)保部 河北 唐山 063000）

1 引言

冶金天車在惡劣復(fù)雜的環(huán)境下工作時(shí)間過長，電氣設(shè)備老化，且控制系統(tǒng)不精確、不完善，導(dǎo)致天車在運(yùn)行時(shí)事故率增加，影響生產(chǎn)的順利進(jìn)行。優(yōu)化天車的電氣控制系統(tǒng)，可降低事故率，保障生產(chǎn)連續(xù)性。

2 無人天車結(jié)構(gòu)及電氣系統(tǒng)簡介

2.1 無人天車結(jié)構(gòu)

天車設(shè)備由大車電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，沿車間兩邊的軌道作縱向前后運(yùn)動(dòng)；小車及提升機(jī)構(gòu)由小車電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，沿橋架上的軌道作橫向左右運(yùn)動(dòng)；無人天車在作業(yè)時(shí)，主要有起重機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行垂直方向的運(yùn)動(dòng)。通過機(jī)械與電氣控制設(shè)備的配合，天車實(shí)現(xiàn)重物在垂直、橫向、縱向三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。

2.2 無人天車電氣系統(tǒng)

PLC無人天車電氣系統(tǒng)主要由六大模塊組成：

（1）配電保護(hù)模塊；（2）主起升機(jī)構(gòu)模塊；（3）副起升機(jī)構(gòu)模塊；（4）大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)模塊；（5）小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)模塊；（6）PLC控制模塊。

以上模塊包括了PLC控制系統(tǒng)、變頻器、同步與糾偏系統(tǒng)、制動(dòng)器的控制和安全保護(hù)系統(tǒng)等。首先操控聯(lián)動(dòng)臺(tái)上的主令控制器手動(dòng)控制裝置，通過MPI總線與PLC的CPU通信，并把發(fā)出的指令信號傳給PLC模塊，CPU根據(jù)這些指令信號，經(jīng)過處理后進(jìn)行相應(yīng)的控制信號輸出，傳遞到各種控制器中。各種控制器帶動(dòng)接觸器，從而對天車各控制部分的機(jī)構(gòu)進(jìn)行有效的運(yùn)行模式控制。同時(shí)，天車上的各限位開關(guān)信號發(fā)所有的信息反饋給PLC，做好天車作業(yè)時(shí)的安全保障。系統(tǒng)總圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)總圖

3 PLC無人天車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文從變頻器選擇、PLC程序選擇與設(shè)計(jì)、備用應(yīng)急系統(tǒng)、電氣同步與自動(dòng)糾偏、安全保護(hù)5個(gè)方面介紹PLC無人天車電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟。

圖2 無人天車控制原理圖

3.1 變頻器選擇

無人天車各機(jī)構(gòu)選用FR-A740系列變頻器，相比于通用型變頻器，其性能具有以下優(yōu)點(diǎn)：

3.1.1 軟件性能更優(yōu)化 核心控制程序針對變量負(fù)載在速度控制、轉(zhuǎn)矩控制、電氣制動(dòng)等方面做了更深入的優(yōu)化。

3.1.2 安全性能好，自身保護(hù)功能齊全。提高了安全性能。

3.1.3 具有限流作用，可以減少啟動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)沖擊。

3.1.4 零速全轉(zhuǎn)矩功能。吊鉤由運(yùn)行狀態(tài)降為零速時(shí)，系統(tǒng)先產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)矩并確認(rèn)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，直到電磁制動(dòng)器將電動(dòng)機(jī)軸抱住為止，從而防止溜鉤。

3.2 PLC程序選用及設(shè)計(jì)

根據(jù)輸入輸出信號的數(shù)量、參數(shù)和性能要求，PLC選用西門子S7-200CN系列控制器，并采用塊式編程，除了具有極高的可靠性、豐富的功能指令集合外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

3.2.1 具有6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，用于將二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成起升高度，同時(shí)對起升高度偏差調(diào)整更加細(xì)微化，使天車設(shè)備運(yùn)行更加平穩(wěn)。

3.2.2 具有2個(gè)RS485通訊編程口，使得變頻器開關(guān)量控制功能更強(qiáng)大，用于變頻器起停和速度給定的開關(guān)量控制更加多樣化；具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力，變頻器通信控制功能增強(qiáng)，同時(shí)增強(qiáng)了小車及升降機(jī)構(gòu)的各種控制系統(tǒng)。

3.2.3 備用應(yīng)急系統(tǒng) 為防止緊急情況下總線干纜上某點(diǎn)出現(xiàn)損壞，系統(tǒng)還配備了一套相匹配的控制系統(tǒng)，保證在出現(xiàn)緊急情況時(shí)， 作業(yè)也不會(huì)被終止。

目前一般無人天車PLC和變頻器控制系統(tǒng)設(shè)置有兩套控制系統(tǒng)，一套采用總線通信，用于正常的操作作業(yè)；另一套采用開關(guān)量控制，用于應(yīng)急作業(yè)。遇到總線緊急情況時(shí)，PLC可以切換兩套參數(shù)，將總線通信切換至開關(guān)量控制，并反饋給主操作界面總線通信故障信號。兩套參數(shù)在作業(yè)速度給定上完全相同，從作業(yè)操作角度感覺不出兩套參數(shù)的切換，在接受到報(bào)警信號之后由專業(yè)人員排查總線通信故障，故障消除后切換到總線控制模式。

3.2.4 自動(dòng)糾偏與電氣同步 對于雙溝式無人天車，在啟動(dòng)作業(yè)模式后，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)糾偏模式，以保證雙鉤作業(yè)位置的同步。當(dāng)偏斜量超過系統(tǒng)限定值后，糾偏指令發(fā)生器則進(jìn)行工作。但PLC系統(tǒng)并不是動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)糾偏，而是采用設(shè)置兩個(gè)閾值對天車進(jìn)行有效的糾偏控制。

3.5 安全保護(hù)

3.5.1 安全門開關(guān)連鎖保護(hù) 在無人天車橋機(jī)兩側(cè)端梁及平臺(tái)處設(shè)置3只安全門開關(guān)，只有所有開關(guān)均處于閉合狀態(tài)，才可以保證天車的有效運(yùn)行。再打開狀態(tài)時(shí)，接觸器不可以進(jìn)行工作。總接觸器處于吸合狀態(tài)時(shí)，這些門任何一個(gè)被打開，均會(huì)使控制回路不具備條件導(dǎo)致接觸器釋放，從而可實(shí)現(xiàn)無人天車工作人員免受天車設(shè)備意外的突然起動(dòng)所造成的危害。

3.5.2 變頻器部分的保護(hù) 選用的FR-A740系列變頻器本身具有短路、過載、過壓、缺相、失速等多種保護(hù)和故障輸出功能，可以有效的對天車進(jìn)行各種故障的監(jiān)視和信息通信。

3.5.3 行程保護(hù) 所有的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分都設(shè)定相應(yīng)的限位保護(hù)，包括主副其中勾，大車運(yùn)行和小車運(yùn)行。一旦觸碰限位開關(guān)，即可會(huì)切斷運(yùn)行方向的電源，此時(shí)天車只可以往相反的方向運(yùn)行。

3.5.4 超載保護(hù) 當(dāng)天車作業(yè)時(shí)起重量超過天車設(shè)計(jì)的95%時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)報(bào)警，一旦超過限重就會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)起重機(jī)只能下降，不可以進(jìn)行上升操作。

4 結(jié)語

將PLC可編程控制和變頻器控制技術(shù)綜合起來應(yīng)用于無人天車控制系統(tǒng)，可以使天車設(shè)備的調(diào)速性能、節(jié)能和運(yùn)行效率以及安全性方面得到明顯提高。隨著工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展，PLC和變頻器系統(tǒng)的無人天車正越來越多的運(yùn)用在各個(gè)行業(yè)，其發(fā)展速度也是日新月異。

[1]胡斐然，盧杰.變頻器在起重設(shè)備控制系統(tǒng)上的應(yīng)用[J].包鋼科技，2017(04).

[2]楊勛.煉鋼行車定位及智能調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用[J].電子世界，2017(16).

[3]么坤.唐鋼高強(qiáng)汽車板成品庫無人天車自動(dòng)下線過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電子世界，2017(16).

[4]王曉曦，羅會(huì)信，黨章，徐衛(wèi)文，章勤奮.350t鑄造起重機(jī)主梁端部開裂機(jī)理研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2017(05).