PLC控制器和變頻器技術在門機上的應用

介紹了PLC控制器與變頻器調(diào)速原理。說明了PLC控制器與變頻器技術在MQ530門機上的應用情況，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。
關鍵詞：PLC 控制器 變頻器 門機 應用

揚子運輸有限公司8號碼頭原有的2臺門機是建廠初期建設的，主要擔負揚子石化公司的固體物料進出裝卸任務。隨著揚子石化公司的改擴建和揚子石化一巴斯夫有限責任公司的建立，2臺門機的使用頻率越來越高，一直滿負荷、超負荷的作業(yè)。隨著使用時間的延長，2臺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，電氣結構復雜，維護困難，不易調(diào)整，故障率高。采用電機轉子串聯(lián)切割電阻，進行有級調(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。因此新門機（MQ53o）上采用了先進平穩(wěn)的無極變頻調(diào)速技術。

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)境應用而設計制造的計算機。它具有豐富的輸入、輸出接口，并且具有較強的驅動能力。當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成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路圖進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM 儲存區(qū)中對應的狀態(tài)，或者刷新該輸出線圈在I／0 映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。當掃描用戶程序結束后，PLC控制器就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I／0映象區(qū)內(nèi)對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅動相應的被控負載，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。

1．2 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。轉子的轉速計算公式如下：

n= 60×f×(1-s)／p (1)

式中：n -- 轉子的轉速；
f --定子頻率；
s -- 異步電動機轉差率；
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磁場的轉速，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，故控制電路比較復雜。改變轉差率是通過在轉子電路中串聯(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，在電機的結構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供電電源的輸入頻率，即可改變電機的同步轉速和電機轉子額定轉速。但頻率下降會導致磁通的增加，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，其基本點是控制轉子磁鏈，以轉子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉距和磁場2個分量，經(jīng)過坐標變換實現(xiàn)正交和解耦控制。直接轉矩與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，而是采用瞬態(tài)轉矩的控制方式，把轉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。

2 系統(tǒng)工作構成

2．1 系統(tǒng)組成

MQ530門機最大起升高度30 m，最大起重負荷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直接轉矩控制理論。起升機構為雙鉤2臺55 kW 變頻電機，2臺ABB—ACS600—120變頻器；變幅機構為1臺22 kW 變頻電機，1臺ABB—ACS600—40變頻器；旋轉機構為1臺3Okw 變頻電機；行走機構為4臺7．5 kW 變頻電機，旋轉和大車行走共用1臺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ABB公司ACS600系列變頻器之間的數(shù)據(jù)交換，是通過Profibus現(xiàn)場總線組成網(wǎng)絡來實現(xiàn)。

2．2 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，能夠使維修人員很快的找到設備故障點。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)絡傳送到相應的變頻器上，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、旋轉作業(yè)，最終將貨物裝卸完畢。

2．3 電機選用

在電動機的調(diào)速系統(tǒng)中，應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子上的葉片來散熱，當轉速下降時，散熱效果將變差，從而會影響電動機實際的帶負載能力。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。

3 使用效果

由于使用專用的DTC直接轉矩控制方式變頻器，和變頻器專用電機組成的調(diào)速系統(tǒng)，在性能上已經(jīng)達到和超過直流伺服系統(tǒng)，升降、變幅、旋轉速度可精細調(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。

4 結語

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。省去了電機轉子側大功率電阻，減少了能耗點，達到節(jié)能降耗作用。