PLC應(yīng)用的論文

【專家解說】：PLC在行車電氣控制回路改造中的應(yīng)用 作 者 ：李林靜,江月新,胡杰嘉, 關(guān)鍵詞： 電力拖動(dòng) 變頻調(diào)速 可編程控制器 1 引言 某廠抓礦行車采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串接頻敏電阻器進(jìn)行啟動(dòng)和調(diào)速，這種繼電器-接觸器控制方式在實(shí)際運(yùn)行中存在著以下問題: (1) 行車工作環(huán)境惡劣，工作任務(wù)繁重，電動(dòng)機(jī)所串頻敏電阻器燒損、斷裂和接地故障時(shí)有發(fā)生，造成電動(dòng)機(jī)頻繁燒損; (2) 由于機(jī)體震動(dòng)及導(dǎo)電性粉塵環(huán)境，繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的可靠性差、故障率高、維護(hù)困難、維護(hù)費(fèi)用高、檢修工人疲于維護(hù); (3) 轉(zhuǎn)子串頻敏電阻器調(diào)速，機(jī)械特性軟，負(fù)載變化時(shí)，運(yùn)行不平穩(wěn)，且運(yùn)行中頻敏電阻器長期發(fā)熱，電能浪費(fèi)嚴(yán)重; (4) 各接觸器在大電流狀態(tài)下頻繁分?jǐn)?、吸合，造成電網(wǎng)高次諧波污染嚴(yán)重，電網(wǎng)功率因數(shù)低。 于是該廠采用了PLC代替了繼電器-接觸器控制，將變頻器代替電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串頻敏電阻器的調(diào)速方式，改造后，運(yùn)行效果顯著，解決了以上問題。 2 PLC控制的行車變頻拖動(dòng)系統(tǒng)組成 2.1 系統(tǒng)組成 行車的大車、小車、抓斗提升、抓斗開閉電機(jī)都需獨(dú)立運(yùn)行，大車有兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，小車、抓斗提升、抓斗開閉各為一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)有5臺(tái)電機(jī)。為了保證各部分安全運(yùn)行互不影響，采用了4臺(tái)變頻器拖動(dòng)，并用4臺(tái)PLC分別加以控制，系統(tǒng)組成如圖1所示: 圖1 PLC控制變頻拖動(dòng)系統(tǒng)組成 PLC接收主令控制器的速度控制信號(hào)，該信號(hào)為數(shù)字量控制信號(hào)，信號(hào)電平為AC220V。這些信號(hào)包括:主令控制器發(fā)出的正、反轉(zhuǎn)信號(hào)、電機(jī)過熱保護(hù)信號(hào)、安全限位信號(hào)及啟動(dòng)、急停、復(fù)位、零鎖等信號(hào)，全部信號(hào)采用匯點(diǎn)式輸入。PLC針對(duì)這些信號(hào)完成系統(tǒng)的邏輯控制功能，并向變頻器發(fā)出起、停、正、反轉(zhuǎn)及調(diào)速等控制信號(hào)，使電動(dòng)機(jī)處于所需的工作狀態(tài)。 變頻器接收PLC提供的控制信號(hào)，并按設(shè)定向電機(jī)輸出可變頻、變壓的電源，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。操作人員按實(shí)際需要通過主令控制器向PLC發(fā)出各種控制信號(hào)。 提升電機(jī)在下放重物時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，由于重力加速度的原因，電機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并存儲(chǔ)在電壓型變頻器的濾波電容器的兩端，使直流電壓不斷上升，甚至能夠擊穿電器絕緣，當(dāng)電壓上升到設(shè)定值時(shí)，接入泄能電阻來消耗直流電路的這部分能量，保證變頻器安全運(yùn)行。 2.2 變頻器與PLC通信 系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬量或開關(guān)量方式控制變頻器。系統(tǒng)中，小車及提升變頻器通過選件模塊連接至Profibus-DP總線上，綜合考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性及穩(wěn)定性，系統(tǒng)選用PPC-3作為數(shù)據(jù)傳輸格式，波特率選擇387.5kbps。采用總線結(jié)構(gòu)后，系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，具體表現(xiàn)如下: (1) 布線簡單 只需1根兩芯的屏蔽雙絞線，而采用別的方式至少要4根電纜，從而減少了維護(hù)工作。 (2) 給定穩(wěn)定 避免了因信號(hào)的漂移、電磁干擾等諸多因素而引起模擬量給定抖動(dòng)，因此系統(tǒng)速度給定更加可靠。 (3) 速度連續(xù) 相對(duì)于采用開關(guān)量作為速度給定的系統(tǒng)，速度給定由離散量變成了連續(xù)量，使得變頻器可以接受來自PLC的速度微調(diào)指令，以實(shí)現(xiàn)抬吊作業(yè)平衡。 2.3 備用應(yīng)急系統(tǒng) 當(dāng)總線干纜或總線上某點(diǎn)出現(xiàn)損壞時(shí)，有可能使系統(tǒng)無法正常工作。因此，系統(tǒng)中設(shè)有一套備用的系統(tǒng)，以防止緊急情況下總線不能正常使用，但又不能停止作業(yè)的工況。變頻器設(shè)有兩套控制方式，一套采用總線通信，用于正?？刂?一套采用開關(guān)量控制，用于應(yīng)急狀況。通過PLC切換兩套參數(shù)，兩套參數(shù)在手柄檔位的速度給定上完全一致，因此從使用角度感覺不出兩套參數(shù)的切換。 2.4 同步與糾偏 行車在抓斗提升抬吊作業(yè)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)糾偏模式，以保證吊鉤在抬吊時(shí)鋼絲位置同步。由于機(jī)械安裝時(shí)磨擦阻轉(zhuǎn)矩，機(jī)械抱閘的調(diào)整不可能完全一致，因此系統(tǒng)不采用動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)糾偏，而采用一種折衷方案，其工作原理為:首先，系統(tǒng)在PLC中設(shè)置2個(gè)閾值，閾值1用于啟動(dòng)吊鉤的自動(dòng)糾偏，閾值2用于結(jié)束自動(dòng)糾偏;其次，PLC讀入安裝在起升卷筒上編碼器的數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)計(jì)算起升高度;再次，PLC比較所讀入的2個(gè)起升高度，當(dāng)2個(gè)高度之差大于閾值1時(shí)，PLC將一個(gè)微小的速度偏差量疊加在由手柄確定的基準(zhǔn)速度上，當(dāng)兩個(gè)高度之差小于閾值2時(shí)，取消該偏差量，通過慣性進(jìn)一步減少起升高差;最后，PLC將計(jì)算合成后的速度值能過Profibus-DP下載至變頻器中，作為抓斗提升電機(jī)的速度給定。 3 PLC軟硬件設(shè)計(jì)及應(yīng)用 3.1 PLC的硬件設(shè)計(jì) 行車大車、小車、抓斗提升、抓斗開閉電機(jī)分別由不同的PLC控制，大車、小車、提升、開閉電機(jī)都運(yùn)行在電動(dòng)工作狀態(tài)，變頻器及PLC的控制結(jié)構(gòu)及軟、硬件實(shí)現(xiàn)基本相同。提升電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)有電動(dòng)、反接制動(dòng)、再生制動(dòng)等狀態(tài)，變頻器及PLC之間的控制結(jié)構(gòu)較大車、小車復(fù)雜。以提升電機(jī)為例，其PLC的I/O接線如圖2所示，變頻器接線圖如圖3所示。 3.2 車的工作過程 圖2 PLC系統(tǒng)的I/O接線圖 圖3 變頻器接線圖 當(dāng)行車的駕駛室及橫梁攔桿的門關(guān)好后，1#、2#安全開關(guān)的常閉接點(diǎn)打開，急停開關(guān)斷開，主令控制器置于零位，此時(shí)才能按下啟動(dòng)按鈕，接通電源。當(dāng)主令控制器置于上升檔位，電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)速度檔位，控制變頻器輸出不同的電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)抓斗提升電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)主令控制器置于下降3擋且滿負(fù)荷時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，此時(shí)電機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)主令控制器置于下降2擋且負(fù)荷較重時(shí)，為強(qiáng)制下降階段，電機(jī)反轉(zhuǎn)，在重力加速度的作用下，電機(jī)進(jìn)入再生制動(dòng)狀態(tài)。另外，當(dāng)電機(jī)由穩(wěn)定高速向低速換檔極快時(shí)，電機(jī)也會(huì)進(jìn)入再生制動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)主令控制器置于下降1擋時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，處于電動(dòng)狀態(tài)。運(yùn)行中，不論何種原因電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，為防止重物急速下降，保留了原來的三相液壓制動(dòng)器。 在緊急狀態(tài)下，可按下急停按鈕，一方面機(jī)械制動(dòng)器動(dòng)作，另一方面，將變頻器緊急停機(jī)控制端EMS接通，變頻器停止工作。當(dāng)抓斗提升電機(jī)因故障跳閘，熱繼電器動(dòng)作，電機(jī)過載等動(dòng)作，在故障排除后，可按下復(fù)位按鈕，接通變頻器復(fù)位控制端RST，使變頻器恢復(fù)到運(yùn)行狀態(tài)。 3.3 PLC的軟件設(shè)計(jì) 選用FXON系列PLC，采用摸塊式編程，具體模塊如下: (1) 高度換算功能塊。用于將格雷碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼，二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成起升高度及起升高度偏差調(diào)整; (2) 變頻器開關(guān)量控制功能塊。用于大車、小車及抓斗起升變頻器起動(dòng)、停止和速度給定的開關(guān)量控制; (3) 變頻器的通信控制功能塊。用于大車、小車、提升電機(jī)變頻器的啟動(dòng)、停止、速度給定。還用于變頻器的控制字與狀態(tài)字的讀取。圖4為大車的軟件控制流程圖，小車、提升電機(jī)、開閉電機(jī)的軟件流程圖和大車的相似。 3.4 安全保護(hù)措施 (1) 配電部分:除設(shè)有缺相、過流、短路等保護(hù)外，還在行車兩側(cè)端梁及平臺(tái)處設(shè)置2只安全開關(guān)，只有開關(guān)均閉合時(shí)，才允許行車運(yùn)行。在行車上還設(shè)有登機(jī)請(qǐng)求及應(yīng)答按鈕，用于行車工作中其它工作人員的安全登機(jī)。 (2) 變頻器部分:選用的ACS600系列變頻器具有電機(jī)過載、缺相、接地、過流、直流母線過壓等保護(hù)，抓斗提升電機(jī)及小車變頻器當(dāng)切換至總線控制方式時(shí)具有通信故障監(jiān)視功能。 (3) 行程開關(guān)保護(hù):各機(jī)構(gòu)均設(shè)有行程限位保護(hù)。單動(dòng)工況時(shí)，小車及抓斗提升限位開關(guān)各自獨(dú)立;聯(lián)動(dòng)工況時(shí)，小車1后限位及小車2前限位作為聯(lián)動(dòng)工況允許條件，小車1前限位及小車2后限位做為小車限位，起升1及起升2只要有一個(gè)限位動(dòng)作，則視為起升限位。 (4) 其它保護(hù):所有機(jī)構(gòu)均有零位保護(hù)、過流保護(hù)。抓斗提升機(jī)構(gòu)還有超載保護(hù)及超速保護(hù)。當(dāng)超速開關(guān)動(dòng)作時(shí)，斷開變頻器主接觸器電源。 4 結(jié)束語 PLC控制的變頻拖動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用到行車，各電機(jī)各檔速度、加速時(shí)間、制動(dòng)時(shí)間都可根據(jù)實(shí)際工況條件設(shè)定，而且十分方便。從運(yùn)行結(jié)果來看，負(fù)載變化時(shí)，電機(jī)速度運(yùn)行平穩(wěn)。設(shè)備的故障率大幅度降低，電機(jī)燒毀明顯減少，同時(shí)減少了到電網(wǎng)高次諧波的影響。設(shè)備檢修時(shí)排除故障的速度明顯加快，設(shè)備維護(hù)量大大減少。