PLC控制器和变频器技术在门机上的应用

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摘要：介绍了PLC控制器与变频器调速原理。说明了PLC控制器与变频器技术在MQ530门机上的应用情况，分析了使用PLC控制器控制变频器调速后的效果，即在调速范围内方便连续控制。使得各机构运行平稳，机械冲击力小，延长了门机使用寿命，减少了故障发生率。
扬子运输有限公司8号码头原有的2台门机是建厂初期建设的，主要担负扬子石化公司的固体物料进出装卸任务。随着扬子石化公司的改扩建和扬子石化一巴斯夫有限责任公司的建立，2台门机的使用频率越来越高，一直满负荷.超负荷的作业。随着使用时间的延长，2台门机的故障率开始上升，经常过流使主接触器触头烧坏.粘连在一起造成缺相或短路故障。同时原门机电气控制使用了大量的继电器.接触器，电气结构复杂，维护困难，不易调整，故障率高。采用电机转子串联切割电阻，进行有级调速，使得门机工作时极不平稳，并且能耗大（因为能量消耗在串联的电阻片上了）.效率低。因此新门机（MQ53o）上采用了先进平稳的无极变频调速技术。
1.PLC控制器与变频器调速原理
1.1.PLC控制器
PLC是可编程控制器的简称，可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，是1台专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入.输出接口，并且具有较强的驱动能力。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为3个阶段，即输入采样，用户程序执行和输出刷新3个阶段。完成上述3个阶段称为1个扫描周期，在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行3个阶段。
在输入采样阶段，PLC控制器以扫描方式依次读入各类按钮.开关类电器主令控制器的输入状态和数据，并将它们存入I/0(输入/输出)映象区中的相应单元内。在用户程序执行阶段，PLC控制器总是按顺序由上而下的依次扫描，预编好的各种软继电器及其触点组成逻辑程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右.先上后下的顺序对由触点构成的控制线路图进行逻辑运算，然后根据逻辑运算结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM储存区中对应的状态，或者刷新该输出线圈在I/0映象区中对应位的状态；确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。当扫描用户程序结束后，PLC控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/0映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的被控负载，如各种电磁阀线圈.接触器.信号指示灯或变频器等执行电器，这时才是PLC控制器的真正输出。
1.2.变频器调速原理
变频器简单地说就是将电源的三相(或单相)交流电，经整流桥整流为直流电(交一直变换)，再把直流电经逆变器变为电压和频率可调的三相(或单相)交流电源(直一交变换)。其间电能不发生任何变化，而只有频率发生改变。转子的转速计算公式如下：
n=60×f×(1-s)/p(1)
式中：n--转子的转速；
f--定子频率；
s--异步电动机转差率；
p--磁极对数。
由式(1)可知，异步电动机调速的途经有改变磁极对数.改变转差率和调整输入频率。改变电机的磁极对数实际上就是改变定子旋转磁场的转速，加上电机的磁极对数是相对固定的，所以只有通过改变定子绕组的接法来实现。但是这种方法的缺点是显而易见的，主要是：最多只有4挡调速，不能得到最佳的运行效果，负载能力下降，工作效率下降，调速时必须改变绕组的接法，故控制电路比较复杂。改变转差率是通过在转子电路中串联电阻来实现的，这种方法只能用于绕线式电机，其缺点是因为要串联的电阻在电机外部，在电机的结构上就必须加入电刷和滑环，增加了故障率，同时调速电阻上将白白地消耗掉许多电能，调速后的机械特性比较“软”，不理想。而改变电动机定子侧供电电源的输入频率，即可改变电机的同步转速和电机转子额定转速。但频率下降会导致磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热，显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压协调控制，该协调控制的装置就称为变频器。在起重机上调速，电机产生的最大转矩不能变，这就需要维持磁通不变。现在使用的精确交流控制系统多为矢量控制，其基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转距和磁场2个分量，经过坐标变换实现正交和解耦控制。直接转矩与矢量控制不同，它不是通过控制电流.磁链等量来间接控制转矩，而是采用瞬态转矩的控制方式，把转矩直接作为被控制量来控制，其性能类似于他励直流电机特性。
2.系统工作构成
2.1.系统组成
MQ530门机最大起升高度30m，最大起重负荷5t。变频控制器采用ABB公司ACS600系列变频器，该变频器采用了适合于起重作业的DTC直接转矩控制理论。起升机构为双钩2台55kW变频电机，2台ABB—ACS600—120变频器；变幅机构为1台22kW变频电机，1台ABB—ACS600—40变频器；旋转机构为1台3Okw变频电机；行走机构为4台7．5kW变频电机，旋转和大车行走共用1台ABB—ACS600—7O变频器。PLC控制器采用GE公司FANUC系列90—30可编程控制器，有1个CPU模块，1个通讯模块，2个电源模块，7个输入模块，3个输出模块，它与ABB公司ACS600系列变频器之间的数据交换，是通过Profibus现场总线组成网络来实现。
2.2.系统工作原理
门机的运行过程首先是全车通电，PLC控制器和变频器得电后，进行初始化自检和诊断。在PIC控制器输入模块和输出模块上有相应的灯亮，代表一切正常，具备开机条件。通过PLC控制器指示灯的反应，能够使维修人员很快的找到设备故障点。开机时PLC控制器先将接收到的驾驶室操纵杆信号，转换为调速系统可直接处理的数字信号，然后通过Profibus现场总线网络传送到相应的变频器上，在完成PLC控制器对变频器控制的同时，还将变频器的运行状态，通过通讯网络Profibus现场总线，反馈到PLC控制器上，实现对整机状态的实时控制。变频器将所得到的信号再处理后输送到下端变频电机，使电机平稳的起降.旋转作业，最终将货物装卸完毕。
2.3.电机选用
在电动机的调速系统中，应注意电机在低速运行时的发热和散热的规律及状况。普通电机主要是利用转子上的叶片来散热，当转速下降时，散热效果将变差，从而会影响电动机实际的带负载能力。因此，电机选用变频电机，该电机的散热是靠一个独立的风扇电机来完成的，这就比原使用的电机在性能上又有了很大的提高。
3.使用效果
由于使用专用的DTC直接转矩控制方式变频器，和变频器专用电机组成的调速系统，在性能上已经达到和超过直流伺服系统，升降.变幅.旋转速度可精细调整，各项位置精度得到提高。采用鼠笼式变频电机，大大减少了电机的维护工作量，同时电气控制系统得到简化，省去了频繁工作的交流接触器和电机正反转接触器，解决了频繁更换元器件的问题。改造前装卸每吨物品用电量为0．28kW·h，改造后装卸每吨物品用电量为0．22kW·h，电能的消耗明显下降，降低了生产成本。
4.结语
新门机使用PLC控制器控制变频器调速后，在调速范围内方便连续控制，即无级调速.调速平稳.精度高.效率高等性能。使得各机构运行平稳，机械冲击力小，延长了门机使用寿命，减少了故障发生率。省去了电机转子侧大功率电阻，减少了能耗点，达到节能降耗作用。