6ES7352-5AH01-0AE0性能参数
艾默生变频器、PLC在桥式起重机自动控制系统中的应用
关键词： |艾默生变频器、PLC在桥式起重机自动控制系统中的应用||李新力|郑州铁路局技术开发公司| 机器视觉| 烟草机械
原系统分析
桥式起重机(天车)是一种用来起吊、放下和搬运重物、并使重物在一定距离内水平移动的起重、搬运设备，在生产过程中有着重要应用。郑州北车辆段5吨桥式起重机，原设备电气驱动系统分为起重机升降、小车、大车三部份。其中起重机升降由一台13kW的绕线式异步电动机驱动，大车由两台4kW绕线式异步电动机、小车由一台2.5kW绕线式异步电动机驱动。在原传动控制中，采用转子串接电阻的调速方式。由于工作环境差，粉尘和有害气体对电机的集电环、电刷和接触器腐蚀性大，加上工作任务重，实际过载率高，冲击电流偏大，容易造成电动机触头烧损、电刷冒火、电动机及转子所串电阻烧损和断裂等故障，影响现场生产和安全，工人维修量和产生的维修费用也很高。并且原调速方式机械特性较差，调速不够平滑，所串电阻长期发热浪费能量。
针对现有技术存在的不足，本次改造的起重机采用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，进而实现了起重机的半自动化控制。
改造方案
交流电动机的调速方式很多，针对上述现有技术存在的不足，综合各种性能佳者为变频调速方式。
1、拖动系统
a、电动机选型
大车与小车用电动机可选用普通的笼型转子异步电动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。
b、调速方法
采用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，一般采用6段速度运行，从低到高自由切换。
c、制动方式
采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。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零(使它们停止) ；对于起重机，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。
2、变频调速系统的控制要点
桥式起重机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PLC进行无触点控制。
桥式起重机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：
■ 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，大约0.6秒（视型号和大小而定）。因此，变频器如过早地停止输出，将容易出现溜钩。
■ 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，具体控制方法如下：
a、重物高空停止的控制过程
■ 设定一个“停止起始频率”fBS，当变频器的工作频率下降到fBS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；
■ 设定一个fBS 的维持时间tBB，tBB长短应略大于制动电磁铁从开始释放到完全抱闸所需要的时间；
■ 变频器将工作频率下降至零。
如图1所示。 
图1： 重物高空停止的控制过程
b、重物升降的过程
■ 设定一个“升降起始频率”fRD，当变频器的工作频率上升到fRD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fRD的同时，变频器将开始检测电流，并设定检测电流所需要的时间tRC；
■ 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；
■ 设定一个fRD的维持时间tRD，tRD的长短应略大于制动电磁铁从通电到完全松开所需要的时间；
■ 变频器将工作频率上升至所需频率。
如图2所示。
图2 ：重物高空升降的控制过程
C、变频器的零速全转矩功能和直流制动励磁功能
艾默生高性能矢量TD3000系列变频器，具备了有效的防止溜钩的一些独特的制动功能。
■ 零速全转矩功能
变频器可以在速度为零的状态下，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零时，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。
■ 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（有速度传感器的矢量控制：200%rpm；无速度传感器的矢量控制：150%/0.5Hz），维持重物在空中的停住状态，以保证电磁制动器在释放过程中不会溜钩。
桥式起重机采用变频调速系统介绍
1、大、小车运行机构
大车为双梁结构，分别由两台4KW电动机拖动，用一台较大的变频器（15KW）供电；小车由单台2.5KW电动机拖动，并且由单独的变频器（3.7KW）供电。
大、小车变频器都预置为V/F控制方式。小车系统如图3所示。 
图3： 起重机小车行走系统图
2、起重机升降机构
起重机升降的电动机由一台电动机（13KW）驱动。系统框图如图4所示。 
图4 ：起重机升降系统图
3、制动单元和制动电阻
本系统对于重物下降时电动机再生的电能，采取由变频器外接的制动单元（TD3000系列变频器22KW及其以下机型中，已内置了制动单元；但是所有的制动电阻都需要外接）和制动电阻消耗掉的方式。针对桥式起重机的起重机升降机构起、制动频繁，要求制动的转矩较大，以及下降时制动状态的持续时间较长等特点，因此制动单元用标准配置就可以实现制动过程的功能；制动电阻的额定功率可以稍稍的加大一倍。
总的系统方框图如图5。 
图5：系统框架总图。
4、PLC选择
选用艾默生紧凑型EC20系列可编程序控制器。PLC 按控制程序、输入控制信号来完成起重机各种工况的协调，并决定起重机的各种工作状态。系统软件设计采用 PLC梯形图语言来编程完成，用 PLC控制工作可靠，扫描速度快，控制非常灵活。
5、变频器选择
采用变频器驱动异步电动机调速，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值（大值）来选择变频器，通常令变频器的额定电流≥（1.05～1.10）电动机的额定电流或电动机实际运行中的大电流。
I1NV≥（1.05～1.10）IN或（1.05～1.10）Imax
式中I1NV--变频器额定输出电流（A）；
IN--电动机的额定电流（A）；
Imax--电动机实际大电流（A）。
大车小车行走是一般的负载，因此采用EV1000系列和EV2000系列变频器驱动。对于起重机升降电动机，考虑到功能性负载，工作时总是重载起动、制动。而且要求尽可能地快速起动、制动。变频器的容量是按上式计算得到的。根据实际情况，经过与同类变频器的性能与价格及售后服务等方面的综合考虑，变频器选用艾默生公司TD3000高性能矢量控制变频器。
对于普通的负载，停止变频器运转、切断流向电机的电流，则由于负载的反抗转矩电机将减速，并很快停止，也叫自然减速或自由停车。但是，若想在更短的时间内让电机停止，就必须使电机产生与其转向相反的转矩。变频器产生制动转矩时，电机从负载接受机械能，将它变为电能送入变频器，导致直流回路电压升高，此时变频器必须处理这部分能量，否则由于直流回路的电容器被过充电，过压保护动作将使其运转停止。因此，需在变频器直流回路中设置制动单元和制动电阻，对于TD3000-4T0300G及其以上功率变频器需外配制动单元和制动电阻，这也是位能负载应用变频器与一般应用不同的地方。
在此方案中，变频器和液位推动器是靠变频器预先设定的一个频率到达信号使接在液位推动器回路中的接触器的线圈得电，进而让液位推动器回路中接触器的辅助触点闭合和打开联系起来的。操作人员通过起重机升降（升降）操纵联动台分别给其控制的变频器一个起、停、起的信号而让变频器动作。当通过起重机升降联动台给其控制的变频器一个起升的信号后，变频器变频器带动起升电机工作，但刚开始时由于变频器输出的频率还小，而且起升的抱闸电机不会运行，当变频器的输出频率达到预设定的频率后，变频器输出给起升电机的抱闸回路中接触器一个电压让抱闸电机运行松闸，进而完成起重机上升的任务。当起重机下降过程中，变频器的输出频率小于预设定的频率，抱闸系统就会马上抱闸这样避免起重机失速猛的下落而造成的危害伤害。变频器对电机也能时时监控、补偿或报警，给工人使用带来很大的方便，同时变频器的使用不禁节约了能源，而且达到操作灵活方便，安全可靠断普及，很多工控领域的应用也都需要Web功能，因此，应用Web技术实现远程监测己成为越来越多的工控系统中不可或缺的重要组成部分。
现有web发布技术的不足
常见的web发布方式主要有三种：
1、 基于CGI的解决方案：CGI(Common Gateway Interface)通用网关接口。在 CG I 结构中，服务器执行一切计算功能。
2、 基于ActiveX+ASP的解决方案：实现方法是利用嵌在浏览器上的ActiveX组件作为客户端操作界面。当用浏览器访问包含ActiveX组件的Web页面时，该组件自动下载到客户端，客户端用该组件通过HTTP协议向服务器端传递控制信息和数据信息，服务器端利用ASP接收信息，利用数据库系统响应请求，并把结果返回到客户的ActiveX组件中，ActiveX可以在客户端运行显示动画。这种方式的缺陷是需要对浏览器的安全级别有关ActiveX的内容进行设置．影响了应用的安全性能。
3、 Applet+Servlets/JSP的解决方案：客户端下载由服务器端提供的Java Applet程序来交互处理用户请求，Applet向服务器申请实时数据，服务器端利用Servlets /JSP接收Applet发来的数据请求，利用数据库系统响应请求，并把结果返回到客户的Applet小程序中，供Applet生成实时数据动画。
另外，这三种方式均有一个共同的缺点，监控过程中浏览器端和服务器端频繁地进行大数据量通讯，需要占用大量的带宽资源。
基于XML的web发布技术
XML（Extensible Markup Language）即可扩展标记语言，是一种简单的数据存储语言，使用一个系列简单的标记描述数据。XML有一个显著的特点就是可以跨平台使用，这是由它本身的定义决定。简单对象访问协议（SOAP）是一种轻量、简单、基于 XML 的协议，它被设计成在 WEB 上交换结构化的和固化的信息。
客户端实现监控的过程如下：首先，Web服务器发送一个初始页面到客户端。其中包括HTML元素组成的用户图形接口及在背后支持其运行的AJAX引擎（主要由脚本语句构成，而不是任何形式的控件）。然后AJAX引擎通过与Web服务器端的XML Web Server进行XML形式的交互获得控制端的实时数据，其再根据这些获得的实时数据动态改变初始用户图形接口的HTML元素。从而实现把服务器端的数据通过列表、曲线等形式动态地表现出来。
新系统的主要优点
基于XML的web发布系统具有以下几个优点：1、提高系统的通用性和可扩展性；2、客户端采用脚本语言替代ActiveX控件的方式提高了安全性；3、客户端页面中的数据与页面实现分离，只需要利用SOAP通讯在服务器和客户端之间传输占极少带宽的结果数据，而不是大量的图片和网页，降低了网络带宽的负荷。
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ISO 4021系列产品按工业标准设计、制造，信号输入 / 输出之间隔离，可承受3000VDC隔离电压，抗干扰能力强，可靠性高。工作温度范围- 45℃～+85℃。
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ISO 4021 信号隔离采集模块，可以用来测量一路电压或电流信号，也可以用来测量两路可以共地且不会互相干扰的电流或电压信号。
1、模拟信号输入
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具体电流或电压输入量程请看产品选型，测量两路信号时两路输入选型必须相同。
2、通讯协议
通讯接口： 1路标准的RS-485通讯接口或1路标准的RS-232通讯接口，订货选型时注明。
通讯协议：支持两种协议，命令集定义的字符协议和MODBUS RTU通讯协议。可通过编程设定使用那种通讯协议，能实现与多种品牌的PLC、RTU或计算机监控系统进行网络通讯。
数据格式：10位。1位起始位，8位数据位，1位停止位。
通讯地址（0～255）和波特率（300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400bps）均可设定；通讯网络长距离可达1200米，通过双绞屏蔽电缆连接。
通讯接口高抗干扰设计，±15KV ESD保护，通信响应时间小于100mS。
3、抗干扰
可根据需要设置校验和。模块内部有瞬态抑制二极管，可以有效抑制各种浪涌脉冲，保护模块，内部的数字滤波，也可以很好的抑制来自电网的工频干扰。