摘 要：本文介紹應(yīng)用歐姆龍PLC、變頻器、觸摸屏對(duì)新型動(dòng)臂吊車控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以及配件的組成、控制方式、參數(shù)設(shè)置，并對(duì)調(diào)試運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)、分析和解決。
實(shí)踐證明：應(yīng)用歐姆龍PLC、變頻器、觸摸屏很好的解決了新型動(dòng)臂吊車的矢量控制，運(yùn)行效果良好，取得了一定的社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：歐姆龍 變頻器 PLC 觸摸屏 控制 動(dòng)臂吊車
1、 引言
吊車廣泛應(yīng)用于國民生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)，對(duì)于新型吊車的研發(fā)、制造、控制理論研究也進(jìn)入了一個(gè)新的高度、階段。此新型吊車從設(shè)計(jì)原理上進(jìn)行觀念性地改進(jìn).由原先建筑設(shè)備靜臂的絞纜提升改為動(dòng)臂的俯仰、提升同時(shí)動(dòng)作,完成重載提升的功能,這項(xiàng)改進(jìn)將明顯降低設(shè)備的制造和運(yùn)行成本,與傳統(tǒng)吊車設(shè)備相比,預(yù)計(jì)將達(dá)到近50%的節(jié)能效果.
新型吊車的特點(diǎn)是節(jié)能、控制簡(jiǎn)便、靈活調(diào)速、精準(zhǔn)定位、安全可靠性高等。為了實(shí)現(xiàn)上訴功能，尤其適應(yīng)國家提出的可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能降耗，新型吊車大都采用觸摸屏協(xié)助操作并顯示、PLC控制、變頻器執(zhí)行的控制方法。筆者有幸參與大連佳云高層建筑機(jī)械有限公司研制開發(fā)國內(nèi)首創(chuàng)的動(dòng)臂吊車的工作，并負(fù)責(zé)電氣控制。在這個(gè)項(xiàng)目中采用歐姆龍觸摸屏、PLC、變頻器?，F(xiàn)將控制方式、過程介紹一下，力求能夠拋磚引玉。
2、 動(dòng)臂吊車調(diào)速基本原理
根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：
n=60f (1-s)/p
上式中： f為定子的電源頻率，p為極對(duì)數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，n為轉(zhuǎn)速。
因此，交流電機(jī)可有以下幾種調(diào)速方法：
a) 改變電機(jī)極對(duì)數(shù)p，可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。這是交流雙速梯采用的調(diào)速方法。
b) 通過調(diào)整定子繞組電壓大小來改變轉(zhuǎn)差率s, 以達(dá)到調(diào)速目的。這是交流調(diào)速梯采用的調(diào)速方法。
c) 改變定子電源頻率f也可達(dá)到調(diào)速目的，但f最大不能超過電機(jī)額定頻率。
d) 吊車作為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載調(diào)速時(shí)為保持最大轉(zhuǎn)矩不變，根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式M=CmФIcosφ式中Cm為電機(jī)常數(shù)，I為轉(zhuǎn)子電流，Ф為電機(jī)氣隙磁通，cosφ為轉(zhuǎn)子功率因數(shù)。必須保持Ф恒定，又根據(jù)電壓公式U=4.44fWkФ，式中U為定子電壓，f為定子電壓頻率，W為定子繞組匝數(shù)，k為電機(jī)常數(shù)，必須保持U/f為常數(shù)，即變頻器必須兼?zhèn)渥儔鹤冾l兩種功能簡(jiǎn)稱為VVVF(Vary Voltage Vary Frequency)型變頻器, 這就是動(dòng)臂吊車的基本控制原理。
3、 系統(tǒng)組成
3.1 PLC
可編程控制器PLC完成系統(tǒng)邏輯控制部分，負(fù)責(zé)處理各種信號(hào)的邏輯關(guān)系，從變頻器及其它被控設(shè)備接收開關(guān)及模擬量信號(hào)，通過運(yùn)算控制信號(hào)送給變頻器及其它被控設(shè)備，形成雙向聯(lián)絡(luò)關(guān)系，它是系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)采用歐姆龍CJ系列PLC進(jìn)行控制。
3.2 觸摸屏
本案中觸摸屏是作為顯示和控制的終端設(shè)備，顯示各被控設(shè)備的工作狀態(tài)。選用歐姆龍的NS系列觸摸屏。
3.3 變頻器
變頻器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速。歐姆龍3G3RV-B4450-ZV1通用變頻器可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作和精確控制，使電動(dòng)機(jī)達(dá)到理想輸出。并將無PG的U/f控制、無PG矢量控制、有PG的U/f控制、有PG矢量控制的四種控制方式融為一體，其中有PG矢量控制是最適合吊車控制要求的。容量選擇最好是采用大一數(shù)量級(jí)選配，本例中吊車電動(dòng)機(jī)采用37kW的異步電動(dòng)機(jī)。即37kW的電動(dòng)機(jī)選配45kW的變頻器。
圖1：電氣原理圖
3.4 旋轉(zhuǎn)編碼器和PG卡
旋轉(zhuǎn)編碼器和PG卡，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行。為滿足吊車的要求，變頻器又要通過與電動(dòng)機(jī)同軸連接的旋轉(zhuǎn)編碼器和PG卡，完成速度檢測(cè)及反饋，形成閉環(huán)系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)編碼器與電動(dòng)機(jī)同軸連接，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)速。旋轉(zhuǎn)編碼器輸出A、B兩相脈沖，旋轉(zhuǎn)編碼器根據(jù)AB脈沖的相序，可判斷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，并可根據(jù)A、B脈沖的頻率測(cè)得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)編碼器將此脈沖輸出給PG卡，PG卡再將此 反饋信號(hào)送給變頻器內(nèi)部，以便進(jìn)行運(yùn)算調(diào)節(jié)。
PG卡選擇3G3FV-PPG-B2，光電編碼器選用增量式600p/r，推挽放大輸出，A相B相Z相原點(diǎn)信號(hào)，軸徑8mm中空型的編碼器。
3.5 制動(dòng)單元
在變頻器應(yīng)用中當(dāng)?shù)蹉^空載上升或重載下降時(shí)，拖動(dòng)系統(tǒng)存在位能負(fù)荷下放。電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，使電動(dòng)機(jī)回饋的能量通過逆變環(huán)節(jié)中并聯(lián)的續(xù)流二極管流向直流環(huán)節(jié)給濾波電容器充電。當(dāng)回饋能量較大時(shí)，會(huì)引起直流環(huán)節(jié)電壓升高發(fā)生故障，電動(dòng)機(jī)急速減速也會(huì)造成上述現(xiàn)象。解決辦法是在變頻器直流環(huán)節(jié)并聯(lián)制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻。制動(dòng)單元是變頻器一個(gè)可選組件，內(nèi)設(shè)檢測(cè)和控制電路，其工作時(shí)對(duì)變頻器的直流回路電壓進(jìn)行在線檢測(cè)。當(dāng)電壓超過設(shè)定允許值時(shí)，觸發(fā)制動(dòng)器晶體管導(dǎo)通，經(jīng)電阻釋放能量維持變頻器的直流母線電壓在正常工作范圍內(nèi)，一個(gè)制動(dòng)單元可并聯(lián)幾個(gè)電阻，視工況而定。
3.6 制動(dòng)電阻
制動(dòng)電阻，消耗回饋電能，抑制直流電壓升高。當(dāng)?shù)踯嚋p速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，向變頻器回饋電能。這時(shí)，同步轉(zhuǎn)速下降，交一直一交變頻器的直流母線電壓升高，為了能消耗回饋電能，抑制直流電壓升高，還必須配置制動(dòng)電阻。
電阻的選擇非常重要，電阻選擇過大則制動(dòng)力矩不足，電阻選擇過小則電流過大、電阻發(fā)熱等問題難以解決。一般我們推薦的電阻功率和阻值內(nèi)選擇，對(duì)于提升高度較大、電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的情況可以適當(dāng)減小電阻以得到較高的制動(dòng)力矩，如果最小值不能滿足制動(dòng)力矩的話，要更換大一級(jí)功率的變頻器。
制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻應(yīng)根據(jù)回饋?zhàn)畲竽芰考皶r(shí)間來選用。一般制動(dòng)電阻器的選擇應(yīng)使制動(dòng)電流Is不超過變頻器的額定電流Ie，制動(dòng)電阻最大功率Pmax要小于1.5倍的變頻器功率，然后與過載系數(shù)相乘。過載系數(shù)與減速時(shí)間和持續(xù)制動(dòng)時(shí)間有關(guān)，具體要廠家提供電阻器過載系數(shù)及參數(shù)樣本。制動(dòng)電阻的計(jì)算不再贅述。采用制動(dòng)電阻消耗電機(jī)再生制動(dòng)時(shí)送回直流回路的電能。制動(dòng)過程中，當(dāng)直流電路電壓高于正常電壓70V時(shí)，制動(dòng)單元中的IGBT進(jìn)行直流斬波，使制動(dòng)電阻流過電流消耗再生電能。
4、 其它配件選擇
對(duì)于其它配件僅列舉，不再詳述。
4.1 交流電機(jī)
三相異步電機(jī)
銘牌：50Hz 70A 37KW 380V 1470r/min
4.2 旋轉(zhuǎn)編碼器
渡邊旋轉(zhuǎn)編碼器 600p/r 電壓DC17-30V
輸出信號(hào)：A+、B+、Z+、A-、B-、Z-
4.3 液壓制動(dòng)器
4.4 電磁制動(dòng)器
4.5 電磁離合器
圖2：整機(jī)帶載試驗(yàn)(2T)
圖3：非標(biāo)減速箱鉸纜
圖4：現(xiàn)場(chǎng)3G3RV-ZV1變頻器
5、 控制方法及變頻器設(shè)置
5.1 PLC控制方法
本系統(tǒng)采用歐姆龍PLC數(shù)字量及模擬量控制，具體控制方式如下：
輸入信號(hào)：變頻器運(yùn)行信號(hào)、報(bào)警信號(hào)、頻率模擬量；手柄模擬量輸入、外部制動(dòng)信號(hào)輸入等；
控制對(duì)象：變頻器運(yùn)行信號(hào)、零伺服信號(hào)、頻率模擬量；外部制動(dòng)開關(guān)信號(hào)等；
串行通訊：與歐姆龍NS觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊；
詳細(xì)控制流程參見后附流程圖
5.2 變頻器設(shè)置
根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的歐姆龍變頻器3G3RV-B4450-ZV1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
采用PLC 作為邏輯控制部件，變頻器和PLC通訊時(shí)采用模擬量。由于3G3RV-B4450-ZV1為通用型變頻器，因而用在吊車控制上為了滿足運(yùn)行效率、靈活調(diào)速、精準(zhǔn)定位和安全可靠的要求, 其參數(shù)設(shè)置比專用型變頻器要復(fù)雜得多。下面僅介紹幾個(gè)主要參數(shù)的設(shè)置：
曳引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制應(yīng)是閉環(huán)的, 其轉(zhuǎn)速的檢測(cè)由和電動(dòng)機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器完成。必須保證旋轉(zhuǎn)編碼器和電動(dòng)機(jī)連接時(shí)的同心度和可靠性, 以保證速度采樣的準(zhǔn)確度。
變頻器其它常用參數(shù)可根據(jù)電網(wǎng)電壓和電機(jī)名銘牌參數(shù)直接輸入。也可通過自學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)，本例是采用自學(xué)習(xí)方法讀入電機(jī)參數(shù)，可以使變頻器工作在最佳狀態(tài)。具體方法：在完成參數(shù)設(shè)置后,使變頻器對(duì)所驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行自學(xué)習(xí)，將曳引機(jī)制動(dòng)輪與電動(dòng)機(jī)軸脫離, 使電動(dòng)機(jī)處于空載狀態(tài)，然后啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，變頻器便可自動(dòng)識(shí)別并存儲(chǔ)電動(dòng)機(jī)有關(guān)參數(shù), 使變頻器能對(duì)該電動(dòng)機(jī)進(jìn)行最佳控制。至此, 變頻器參數(shù)設(shè)置完畢。
軟件設(shè)計(jì)主要涉及到參數(shù)設(shè)置見下表： 圖5
|
基本參數(shù) |
名稱 |
出廠值 |
設(shè)定值 |
實(shí)現(xiàn)功能 |
|
A1-02 |
控制模式的選擇 |
0 |
3 |
帶PG的矢量控制 |
|
C1-01 |
加速時(shí)間 |
10.0 |
5.0 |
以秒為單位設(shè)定最高輸出頻率從0%到100%的加速時(shí)間。 |
|
C1-02 |
減速時(shí)間 |
10.0 |
5.0 |
以秒為單位設(shè)定最高輸出頻率從0%到100%的減速時(shí)間。 |
|
參數(shù) |
名稱 |
出廠值 |
設(shè)定值 |
實(shí)現(xiàn)功能 |
|
b6-01 |
起動(dòng)時(shí)DWELL的頻率 |
0.0 |
1.6 |
1.6Hz |
|
b6-02 |
起動(dòng)時(shí)DWELL的時(shí)間 |
0.0 |
3 |
延時(shí)3s |
|
b6-03 |
停止時(shí)DWELL的頻率 |
0.0 |
1.6 |
1.6Hz |
|
b6-04 |
停止時(shí)DWELL的時(shí)間 |
0.0 |
3 |
延時(shí)3s |
|
參數(shù) |
名稱 |
出廠值 |
設(shè)定值 |
實(shí)現(xiàn)功能 |
|
b2-01 |
零速值 |
0.5Hz |
0.5Hz |
減速停止時(shí)。以Hz為單位設(shè)定開始制動(dòng)時(shí)的頻率。 |
|
b9-01 |
零伺服增益 |
5 |
5 |
零伺服的鎖定力調(diào)整用參數(shù) |
|
b9-02 |
零伺服完成幅度 |
10 |
10 |
設(shè)定零伺服完成信號(hào)的輸出幅度。 |
|
H1-01 |
端子S3的功能選擇 |
24 |
72 |
零伺服指令（ON：零伺服） |
|
H2-01 |
端子M1-M2的功能選擇 |
0 |
33 |
零伺服完成 |
6、 設(shè)備調(diào)試出現(xiàn)的問題分析及解決
上述系統(tǒng)在整機(jī)調(diào)試過程中遇到以下問題，經(jīng)討論及技術(shù)改動(dòng),現(xiàn)場(chǎng)已全部解決,簡(jiǎn)單列舉如下。
(1)開始開機(jī)送模擬量緩慢，運(yùn)行不正常
解決方法：PLC先提供給變頻器正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)信號(hào)，然后提供模擬量。
(2) 處于零伺服時(shí)再啟動(dòng)異常
解決方法：變頻器處于零伺服狀態(tài)下不能夠再啟動(dòng)，程序中做零伺服狀態(tài)下禁止操作。
結(jié)束語
設(shè)備經(jīng)過調(diào)試，并經(jīng)遼寧省建設(shè)機(jī)械城市車輛檢測(cè)中心專家檢測(cè)，達(dá)到預(yù)期求，證明歐姆龍控制系統(tǒng)在動(dòng)臂吊車控制的應(yīng)用是成功的，具有廣闊的前景。
參考文獻(xiàn)
【1】 歐姆龍自動(dòng)化（中國）統(tǒng)轄集團(tuán). 高功能變頻器SYSDRIVE 3G3RV-ZV1操作手冊(cè). 2006年
【2】 歐姆龍自動(dòng)化（中國）統(tǒng)轄集團(tuán). 高功能變頻器SYSDRIVE 3G3RV-ZV1產(chǎn)品樣本. 2006年
【3】 上海工業(yè)大學(xué) 陳伯時(shí) 主編. 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng). 機(jī)械工業(yè)出版社 2004年1月
