摘 要：本文介紹應用歐姆龍PLC、變頻器、觸摸屏對新型動臂吊車控制系統(tǒng)進行設計，以及配件的組成、控制方式、參數(shù)設置，并對調(diào)試運行過程中出現(xiàn)的問題進行總結(jié)、分析和解決。
實踐證明：應用歐姆龍PLC、變頻器、觸摸屏很好的解決了新型動臂吊車的矢量控制，運行效果良好，取得了一定的社會效應和經(jīng)濟效益。
關鍵詞：歐姆龍 變頻器 PLC 觸摸屏 控制 動臂吊車
1、 引言
吊車廣泛應用于國民生產(chǎn)的各個行業(yè)，對于新型吊車的研發(fā)、制造、控制理論研究也進入了一個新的高度、階段。此新型吊車從設計原理上進行觀念性地改進.由原先建筑設備靜臂的絞纜提升改為動臂的俯仰、提升同時動作,完成重載提升的功能,這項改進將明顯降低設備的制造和運行成本,與傳統(tǒng)吊車設備相比,預計將達到近50%的節(jié)能效果.
新型吊車的特點是節(jié)能、控制簡便、靈活調(diào)速、精準定位、安全可靠性高等。為了實現(xiàn)上訴功能，尤其適應國家提出的可持續(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械有限公司研制開發(fā)國內(nèi)首創(chuàng)的動臂吊車的工作，并負責電氣控制。在這個項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、 動臂吊車調(diào)速基本原理
根據(jù)電機學理論，交流電動機的轉(zhuǎn)速公式為：
n=60f (1-s)/p
上式中： f為定子的電源頻率，p為極對數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，n為轉(zhuǎn)速。
因此，交流電機可有以下幾種調(diào)速方法：
a) 改變電機極對數(shù)p，可以改變電機轉(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也可達到調(diào)速目的，但f最大不能超過電機額定頻率。
d) 吊車作為恒轉(zhuǎn)矩負載調(diào)速時為保持最大轉(zhuǎn)矩不變，根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式M=CmФIcosφ式中Cm為電機常數(shù)，I為轉(zhuǎn)子電流，Ф為電機氣隙磁通，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兩種功能簡稱為VVVF(Vary Voltage Vary Frequency)型變頻器, 這就是動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，負責處理各種信號的邏輯關系，從變頻器及其它被控設備接收開關及模擬量信號，通過運算控制信號送給變頻器及其它被控設備，形成雙向聯(lián)絡關系，它是系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)采用歐姆龍CJ系列PLC進行控制。
3.2 觸摸屏
本案中觸摸屏是作為顯示和控制的終端設備，顯示各被控設備的工作狀態(tài)。選用歐姆龍的NS系列觸摸屏。
3.3 變頻器
變頻器實現(xiàn)電動機調(diào)速。歐姆龍3G3RV-B4450-ZV1通用變頻器可實現(xiàn)平穩(wěn)操作和精確控制，使電動機達到理想輸出。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)量級選配，本例中吊車電動機采用37kW的異步電動機。即37kW的電動機選配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，實現(xiàn)閉環(huán)運行。為滿足吊車的要求，變頻器又要通過與電動機同軸連接的旋轉(zhuǎn)編碼器和PG卡，完成速度檢測及反饋，形成閉環(huán)系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)編碼器與電動機同軸連接，對電動機進行測速。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，可判斷電動機轉(zhuǎn)動方向，并可根據(jù)A、B脈沖的頻率測得電動機的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)編碼器將此脈沖輸出給PG卡，PG卡再將此 反饋信號送給變頻器內(nèi)部，以便進行運算調(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相原點信號，軸徑8mm中空型的編碼器。
3.5 制動單元
在變頻器應用中當?shù)蹉^空載上升或重載下降時，拖動系統(tǒng)存在位能負荷下放。電動機將處于再生發(fā)電制動運行狀態(tài)，使電動機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。當回饋能量較大時，會引起直流環(huán)節(jié)電壓升高發(fā)生故障，電動機急速減速也會造成上述現(xiàn)象。解決辦法是在變頻器直流環(huán)節(jié)并聯(lián)制動單元和制動電阻。制動單元是變頻器一個可選組件，內(nèi)設檢測和控制電路，其工作時對變頻器的直流回路電壓進行在線檢測。當電壓超過設定允許值時，觸發(fā)制動器晶體管導通，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)，一個制動單元可并聯(lián)幾個電阻，視工況而定。
3.6 制動電阻
制動電阻，消耗回饋電能，抑制直流電壓升高。當?shù)踯嚋p速運行時，電動機處于發(fā)電狀態(tài)，向變頻器回饋電能。這時，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，還必須配置制動電阻。
電阻的選擇非常重要，電阻選擇過大則制動力矩不足，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，對于提升高度較大、電機轉(zhuǎn)速較高的情況可以適當減小電阻以得到較高的制動力矩，如果最小值不能滿足制動力矩的話，要更換大一級功率的變頻器。
制動單元和制動電阻應根據(jù)回饋最大能量及時間來選用。一般制動電阻器的選擇應使制動電流Is不超過變頻器的額定電流Ie，制動電阻最大功率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)與減速時間和持續(xù)制動時間有關，具體要廠家提供電阻器過載系數(shù)及參數(shù)樣本。制動電阻的計算不再贅述。采用制動電阻消耗電機再生制動時送回直流回路的電能。制動過程中，當直流電路電壓高于正常電壓70V時，制動單元中的IGBT進行直流斬波，使制動電阻流過電流消耗再生電能。
4、 其它配件選擇
對于其它配件僅列舉，不再詳述。
4.1 交流電機
三相異步電機
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：A+、B+、Z+、A-、B-、Z-
4.3 液壓制動器
4.4 電磁制動器
4.5 電磁離合器
圖2：整機帶載試驗(2T)
圖3：非標減速箱鉸纜
圖4：現(xiàn)場3G3RV-ZV1變頻器
5、 控制方法及變頻器設置
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：變頻器運行信號、報警信號、頻率模擬量；手柄模擬量輸入、外部制動信號輸入等；
控制對象：變頻器運行信號、零伺服信號、頻率模擬量；外部制動開關信號等；
串行通訊：與歐姆龍NS觸摸屏進行數(shù)據(jù)通訊；
詳細控制流程參見后附流程圖
5.2 變頻器設置
根據(jù)實際應用的歐姆龍變頻器3G3RV-B4450-ZV1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點及程序設計要點。
采用PLC 作為邏輯控制部件，變頻器和PLC通訊時采用模擬量。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行效率、靈活調(diào)速、精準定位和安全可靠的要求, 其參數(shù)設置比專用型變頻器要復雜得多。下面僅介紹幾個主要參數(shù)的設置：
曳引電動機的轉(zhuǎn)速控制應是閉環(huán)的, 其轉(zhuǎn)速的檢測由和電動機同軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器完成。必須保證旋轉(zhuǎn)編碼器和電動機連接時的同心度和可靠性, 以保證速度采樣的準確度。
變頻器其它常用參數(shù)可根據(jù)電網(wǎng)電壓和電機名銘牌參數(shù)直接輸入。也可通過自學習實現(xiàn)，本例是采用自學習方法讀入電機參數(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)設置后,使變頻器對所驅(qū)動的電動機進行自學習，將曳引機制動輪與電動機軸脫離, 使電動機處于空載狀態(tài)，然后啟動電動機，變頻器便可自動識別并存儲電動機有關參數(shù), 使變頻器能對該電動機進行最佳控制。至此, 變頻器參數(shù)設置完畢。
軟件設計主要涉及到參數(shù)設置見下表： 圖5
|
基本參數(shù) |
名稱 |
出廠值 |
設定值 |
實現(xiàn)功能 |
|
A1-02 |
控制模式的選擇 |
0 |
3 |
帶PG的矢量控制 |
|
C1-01 |
加速時間 |
10.0 |
5.0 |
以秒為單位設定最高輸出頻率從0%到100%的加速時間。 |
|
C1-02 |
減速時間 |
10.0 |
5.0 |
以秒為單位設定最高輸出頻率從0%到100%的減速時間。 |
|
參數(shù) |
名稱 |
出廠值 |
設定值 |
實現(xiàn)功能 |
|
b6-01 |
起動時DWELL的頻率 |
0.0 |
1.6 |
1.6Hz |
|
b6-02 |
起動時DWELL的時間 |
0.0 |
3 |
延時3s |
|
b6-03 |
停止時DWELL的頻率 |
0.0 |
1.6 |
1.6Hz |
|
b6-04 |
停止時DWELL的時間 |
0.0 |
3 |
延時3s |
|
參數(shù) |
名稱 |
出廠值 |
設定值 |
實現(xiàn)功能 |
|
b2-01 |
零速值 |
0.5Hz |
0.5Hz |
減速停止時。以Hz為單位設定開始制動時的頻率。 |
|
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 |
設定零伺服完成信號的輸出幅度。 |
|
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、 設備調(diào)試出現(xiàn)的問題分析及解決
上述系統(tǒng)在整機調(diào)試過程中遇到以下問題，經(jīng)討論及技術改動,現(xiàn)場已全部解決,簡單列舉如下。
(1)開始開機送模擬量緩慢，運行不正常
解決方法：PLC先提供給變頻器正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)信號，然后提供模擬量。
(2) 處于零伺服時再啟動異常
解決方法：變頻器處于零伺服狀態(tài)下不能夠再啟動，程序中做零伺服狀態(tài)下禁止操作。
結(jié)束語
設備經(jīng)過調(diào)試，并經(jīng)遼寧省建設機械城市車輛檢測中心專家檢測，達到預期求，證明歐姆龍控制系統(tǒng)在動臂吊車控制的應用是成功的，具有廣闊的前景。
參考文獻
【1】 歐姆龍自動化（中國）統(tǒng)轄集團. 高功能變頻器SYSDRIVE 3G3RV-ZV1操作手冊. 2006年
【2】 歐姆龍自動化（中國）統(tǒng)轄集團. 高功能變頻器SYSDRIVE 3G3RV-ZV1產(chǎn)品樣本. 2006年
【3】 上海工業(yè)大學 陳伯時 主編. 電力拖動自動控制系統(tǒng). 機械工業(yè)出版社 2004年1月
