PLC、变频器在天车自动控制系统中的应用

广东省技师职业资格评审论文PLC、变频器在天车自动控制系统中的应用

单位：广州市斗原钢铁有限公司

姓名：徐勤学

工种：维修电工

时间：2006.09.03

变频器、PLC在天车自动控制系统中的应用

广州斗原钢铁有限公司徐勤学

摘要：针对天车正常使用和维护保养过程当中，出现的电能浪费、设备故障率高、电器元件损耗大的问题进行分析，并通过自控改进解决了问题。

关键词：天车大车小车PLC 变频器电动机

前言

天车也称桥式起重机，主要用来起吊、放下和搬运重物、并使重物在一定距离内水平移动的起重、搬运的设备，它是由大车、小车、减速机、电动机、控制系统等设备构成。我们公司是以生产镀锌钢卷为业务的加工型企业，由于钢卷的重量大、形状特殊，因此搬运完全依赖于天车，它的运转情况直接影响到公司的正常生产，甚至涉及到工人的人身安全。

一、问题的出现

因为生产需求，我司在仓库及车间各装配2台25吨起重量的天车，在使用过程当中经常出现相同问题：（1）起动电流过大，对电网冲击大；（2）机械设备使用寿命过短，电机连轴器、钢绳等机械易磨损；（3）接触器、继电器等电器元件的触头、线圈经常烧坏；（4）电动机故障率高。而维修天车属于高空作业，极不方便，而且天车故障很大程度上影响了生产进度。基于上述原因，公司派我对天车故障全面检查，进行改进。

二、故障检查与分析

经过详细的检查、试验以及分析，产生故障的原因有5个方面：（1）拖动电动机容量大，起动时电流对电网冲击大，而且电动机一直在额定转矩下工作，电能浪费严重。

（2）天车升降、小车、大车起动、停止速度过快，而且都是惯性负载，机械冲击也较大，机械设备使用寿命缩短，操作人员的安全系数较差，设备运行可靠性较低。

（3）天车每天需进行大量的搬运工作，由于绕线式电机调速是通过电气驱动系统中的主要控制元件---交流接触器并通过继电器来接入和断开电动机转子上串接的电阻，切换十分频繁，在电流比较大的状态下，容易烧坏触头、线圈。同时因工作环境恶劣，转子回路串接的铜电阻因灰尘、设备振动等原因经常烧坏、断裂。因而设备故障率比较高，维修工作量比较大。同样小车、大车的运转也存在上述问题。

（4）在天车起升的瞬间，升降电动机有时会受力不均匀，易过载，直接造成电机损坏或者钢丝绳断裂。

（5）为适应天车的工况，操作人员经常性的反复操作，导致天车的电器元件和电动机始终处于大电流工作状态，降低了电器元件和电动机的使用寿命。

针对上述现有技术存在的不足，我决定采用先进的可编程控制技术（PLC）和变频器技术，以程序控制取代继电器----接触器控制，交流电动机调速方式采用变频调速，进而实现天车的半自动化控制。公司看了我的意见之后，在原材料充分的情况下，决定改进仓库入口的天车。

三、改进方案

我认为首先应该改进的是交流电动机的调速方式，改进过程当中，我采取了变频器调节方案。

3.1拖动系统

1、电动机选型

A.大车与小车所用电动机这个方面要求不高，选用普通的笼型转子异步电动机即可，因此，原设备系统的电动机不需作改动；

B.升降用电动机由于要求比较高，应选用变频专用的笼型转子异步电动机。原设备系统采用的是绕线式异步电动机，出于经济方面的考虑，通过短接转子回路也能进行使用。

2、调速方法

采用目前国际先进技术，具有矢量控制功能的变频调速系统。变频后转速可以分档控制，改进中对主钩电动机我采用3段速度运行，从低到高逐步切换，这样，就有效的防止了电动机的全矩启动。

3、制动方式

在改造过程当中，采用何种制动方式显得至关重要，既要准确制动实现自动控制，又要防止突发事件，因此我采用了再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。这种结合方法具有如下两个优点：

A.首先，通过变频器调速系统的再生制动和直流制动把运动中的大车、小车和起重机的速度迅速而准确地降到0(使它们停止) ；

B.对于天车，常常会有重物在半空中停留一段时间（如重物在半空

中平移），而变频调速系统虽然能使重物静止，但因设备容易受到外界因素的干扰，（如在平移过程中常易出现的瞬间断电）因此，利用电磁制动器进行机械制动仍然是必须的。

3.2变频调速系统的控制要点

天车拖动系统的控制动作包括：大车的左、右行走及速度档位；小车的前、后行走及速度档位；起重机的升、降及速度档位等。所有这些，都可以通过可编程序控制器（PLC）进行无触点控制。

天车控制系统中需要引起注意的是关于防止溜钩的控制。在电磁制动器抱住之前和松开之后的瞬间，极易发生重物由停止状态下滑的现象，称为溜钩。

防止溜钩的控制需要注意的关键问题是：

1）电磁制动器在通电到断电（或从断电到通电）之间是需要时间的，经精确测试，大约0.6秒。因此，变频器如过早地停止输出，将容易出现溜钩。

2）变频器必须避免在电磁制动器抱闸的情况下输出较高频率，以免发生“过流”而跳闸的误动作。

为此，我采取了如下控制方法：

1．重物高空停止的控制过程

A．设定一个“停止起始频率”5Hz,当变频器的工作频率下降到5Hz 时，变频器将输出一个“频率到达信号”，发出制动电磁铁断电指令；

B. 另外将5Hz的维持时间设定为0.8秒, 略大于制动电磁铁从开始释放到完全抱闸所需要的时间0.6秒；

C. 经过0.8秒之后，变频器将工作频率下降止0，此时，主钩电动机停止工作。

2．重物升降的过程

A．设定一个“升降起始频率”5Hz,当变频器的工作频率上升到5Hz 时，将暂停上升。为了确保当制动电磁铁松开后，变频器已经能控制住重物的升降而不会溜钩，所以，在工作频率达到5Hz的同时，变频器将开始检测电流，并将检测电流所需要的时间设定为0.3秒；

B．当变频器确认已经有足够大的输出电流时，将发出一个“松开指令”，使制动电磁铁开始通电；

C. 此时，还需设定一个升降起始频率的维持时间，改造中，我将此时间设定为0.8秒，略大于制动电磁铁从通电到完全松开所需要的时间；

D. 变频器将工作频率上升至所需频率,现在，天车就可以开始起升重物了。

3. 变频器的零速全转矩功能和直流制动励磁功能

因此选用的变频器必须具备有效的防止溜钩的一些独特的制动功能，如：

A.零速全转矩功能变频器可以在速度为0的状态下，保持电动机有足够大的转矩。这一功能保证了起重机有升降状态降为0时，电动机能够使重物在空中停止，直到电磁制动器将轴抱住为止，从而防止了溜钩的放生。

B.起动前的直流强励磁功能变频器可以在起动之前自动进行直流强励磁。使电动机有足够大的转矩，维持重物在空中的停住状态，以保