250T/100T行车的变频改造设计

摘要：基于行车升降控制的特点和设计的要求，提出了利用PLC（可编程控制器）作为控制系统，变频器作为执行元件对250T/100T进行全面电气改造的设计方案。分别从硬件的配置、电路设计、软件编程和系统参数的设定等几方面作了详细的阐述。 关键词： 变频器 PLC（可编程逻辑控制器） 行车 1引言： 250T/100T桥式双钩行车是东方汽轮机厂1978年从太原重型机器厂购买的重型起吊设备，主要用于汽轮机转子，汽缸等精密部件的搬运和安装使用。原有控制系统是根据常规使用设计，大、小车运行机构速度能够满足运行需要，但其调速方式存在运行不平稳，难精确定位等问题。主钩与副钩提升电机作为起吊动力电机，由于设计时调速范围不够大，不能满足新生产作业情况下的精密吊装需要，并且转子串电阻控制方式在低速运行中机械特性太软，且在位能性负载控制中存在局限性，不具备减速下放功能，下放时准确定位必须使用“点车”并配合机械制动或者反接制动操作，操作难度大，容易造成汽轮机转子、汽缸等精密部件的碰伤。因此提出了变频改造方案。 2电气控制原理简介 250/100T桥式双钩行车，由大车、小车、主钩与副钩四部分组成完整的运动系统。原有控制系统采用继电器-接触器逻辑控制，采用转子切电阻的调速方案。该方案依赖转子部分串不同阻值的金属电阻来消耗部分能量以达到调速效果，在低速区具有稳定性差、出力不足的缺点，在高速重载下降时要有第三方制动即拖拽才能保证重载不溜钩，这种制动方式采用有能耗制动、单相制动、低频发电机制动等。它们在能源利用方面：要消耗大量能源作制动、降能方面的功，只有一少部分（用以驱动电机作功）作功是用来提升重物。在电机保护方面：由于采用了第三方的拖拽对电机的冲击较大，在能耗和单相制动要对电机注入直流电流和不平衡电流，在频繁使用过程中会使电机的温度过高，影响电机的绝缘加速了电机的老化过程。在机械平稳方面：由于制动的冲击力使振动加剧，加速了机械疲劳过程。 改造过程中采用可编程逻辑控制器S7-300系列PLC内部复杂逻辑的设计实现对变频器开关量端子的控制。变频逻辑的控制改变变频器输出电源的频率和电压这两个参数来实现了变频调速。变频调速是一平滑的过程，在调节速度过程中是无级的，对振动不敏感。其本身具有控制接线简单，全过程可调整，调速精度高，启动力矩大，过载能力强等优点。变频器能通过开环、闭环、编码器、总线、频率、矢量、力矩等控制组合出多达十几种控制。 3电器选型： 在使用变频器的过程中对成本的回收不是利用设备的创造价值，而是依附节省能源这部分来实现。而大多数变频器使用寿命在2~8年，与环境和保养方法有直接联系，与是国内或国外的产品没多大关系。在国内用户只注重变频器一次性投入价格，而忽视了性价比的用户比较常见。在变频器的选型时，用户要考滤的技术因素已不在是昔日的关键技术是否成熟的问题；转而转到CPU处理速度是否够快，变频器对电机的建模方法，控制板和功率板的设计运算能力和精度等问题。选择安川高性能变频器能够使系统科技含量跨向一新台阶，一切源自于安川起重应用宏的设计是针对与起重设备各机构的调速需求。 　　在行车应用中，要求变频器在四个象限工作、200%力矩启动、启动次数频繁等苛刻条件下工作。变频控制时为防止重载提升货物过程中出现溜钩现象。安川专用的机械制动应用变频器，安川专用的闭环控制应用变频器、抗晃应用变频器等都具有该功能。 　　在起升过程中变频器如果在没有力矩输出时就误打开机械报闸是很危险的，更不符合《起重设备安全技术规范》的要求。机械制动应的开闭信号都由变频器的输出端子控制。原理是：用电流互感器检测输出电流，进行向量分解以检测电机定子磁场位置，计算反馈给控制处理器CPU，经CPU运算分析通过专用ASIC电路发出控制信号，触发门极驱动器来控制IGBT桥的PWM调制电压、频率的。整个过程在每1ms内循环完成一次。当输出力矩足够大（>150%）时打开报闸，运行时电机出力将自动保持在能够提升重物所克服的摩擦力和向上的加速度，停车时先降低频率增大力矩直到输出频率为零，经过设定的延时时间后（0~1S），控制端子输出闭合报闸信号，控制报闸闭合。采用频率控制或速度控制。 　　大、小车，主、副钩本身惯性较大，为防止电机被倒拖处于发电状态时产生过电压,因此各驱动变频器都配备有制动单元和制动电阻来释放能量。为了减少对电网谐波的污染，每个变频器均加有输入电抗器，它不仅减少了高次谐波分量，同时也抑制了输入电流峰值，有利于提高整流二极管的使用寿命，电源输入端均采用断路器作为电路的短路保护,因此大车机构驱动电机采用变频器V/F控制平板方式，小车机构采用开环矢量控制，主、副钩提升机构均采用变频器带PG-B2速度控制卡的闭环矢量控制方式。其具体配置见表 4电路设计 250/100T桥式双钩行车，由大车、小车、主钩与副钩四部分组成。其电气控制和设计原理基本相同，故在这里就以主钩电气设计为主来阐述设计原理与思想。 5 PLC应用程序的设计 硬件连接好，插入存储卡到中央处理器中，建立计算机和中央处理器的通讯。开始对系统进行PLC程序调试，要求对系统作一次（PLC）总清或总复位。PLC总清完成后，PLC程序即可进行调试。本次设计所选用的PLC是SIMATIC S7-300。故而调试软件为STEP 7。 5.1 S7-300硬件组态 S7-300硬件组态在硬件配置窗口中完成。光标点击STATION目录级，选择“Hardware”图标，进入硬件配置窗口。 （1）组态 在硬件组态的站窗口中分配机架，可分布式I/O，可以从硬件目中选择部件。 （2）参数分配 建立可分配参数模块的特性，如：启动特性，保持区等。 （3）设定组态 设定好的硬件组态和参数分配，需下载到CPU中去， 选择菜单“PLC” “DOWNLOAD”。 （4）实际组态 已存在硬件中的实际组态和参数分配。可以从CPU直接上传到PC。选择菜单“PLC” “UPLOAD”。 5.2 PLC基本程序 西门子提供了一些PLC基本程序，用户可以根据实际情况调 这些标准块即可，而被系统占用的功能块不能再被编辑,基本程序项目库由组织块（OB），功能（FC），功能块（FB）三种逻辑块和数据块（DB）构成。OB1为CPU循环扫描时间内唯一扫描的主程序，FC或FB被CPU执行的条件是必须是在组织块（OB）中被调用，同时FB和FC也能实现子程序的嵌套。FB与FC的区别在与它们的变量声明表中能够定义的参数类型不同。当FC的程序执行完成后，FC的参数不能被保存；当FB的程序执行完成后，FB的参数能被保存。在OB1中调用FC时，只需直接调用，如：CALL FC1；而调用FB时，必须为其分配一个背景数据块，用来保存FB的参数，如：CALL FB1，DB7。背景数据块的数据格式与相应FB的变量声明表的数据格式相同，不允许用户进行修改。 5.3 用户基本程序 PLC程序的编制全部按照正逻辑的设计，即不论物理信号是高电平还是低电平有效，逻辑“1”表示信号有效。所有物理输入输出信号都需经过逻辑处理好，才能进行逻辑运算，也就是先要定义输入输出的信号有效和输入输出信号的逻辑，再将输入输出的物理信号和逻辑参数异或，其结果与有效参数（使能参数）与，最后送入输入输出缓冲区中。由于大、小车，主、副钩控制原理基本相似，现就主构上行调速PLC程序加以说明，其I/O逻辑地址见控制回路原理图（二）。 1 主钩制动器打开 A ( // 与 A I 9.3 // 主钩一速上行 A I 0.2 //主钩上限位 O //或 A I 9.4 //主钩一速下行 A I 0.3 //主钩下限位 O //或 A M 1.1 //上行零速继电器 AN M 13.1 //上行延时继电器 O //或 A M 1.2 //下行零速继电器 AN M 13.3 //下行延时继电器 ) A I 1.2 //变频器运行 AN I 1.3 //变频器故障 AN Q 24.1 //主钩回路故障 AN M 5.7 //门开关与急停保护继电器 =Q 16.1 //制动器打开 2 主钩上行零速辅助继电器 A （ //与 A I 9.3 //主钩一速上行 A I 9.6 //主钩三速上行 FN M 4.1 //下降沿触发 0 M 1.1 ) A Q 17.3 //主钩上行 AN I 9.4 //主钩一速下行 AN M 13.2 //主钩上行零速延时 = M 1.1 //上行零速继电器 3主钩上行零速延时 A M 1.1 //上行零速继电器 = L 0.0 A L 0.0 L S5T#400MS A T 31 //延时时间400MS = L 0.0 A L 0.0 L S5T#800MS A T 32 //延时时间800MS 4 主钩上行 A （ O I 9.3 //主钩一速上行 O M 1.1 // ) A I 0.2 //主钩上限位 AN Q 17.4 //主钩下行输出 AN Q 24.1 //主钩回路故障指示 AN M 5.7 //门开关与急停保护继电器 = Q 17.3 //主钩上行输出 5主钩一速 A （ O I 9.3 //主钩一速上行 O I 9.4 //主钩一速下行 ) AN I 9.5