OMRON变频器/PLC在新型动臂吊车控制中的应用

摘 要：本文介绍应用欧姆龙PLC、变频器、触摸屏对新型动臂吊车控制系统进行设计，以及配件的组成、控制方式、参数设置。并对调试运行过程中出现的问题进行总结、分析、解决。
    实践证明应用欧姆龙PLC、变频器、触摸屏很好的解决了新型动臂吊车的矢量控制，运行效果良好，取得了一定的社会效应和经济效益。
关键词：欧姆龙  变频器  PLC  触摸屏  控制     动臂吊车
Abstract:This paper introduced the use of omron PLC 、Inverter、HTML in the design of arm moving crane control system，and the accessories constitute、the control way、the parameter choose。The problem appearing in adjust process was concluded、analyzed and resolved。
    The fact prove using omron PLC 、Inverter、HTML solved the problem of arm moving crane vector control well，The running result was very satisfied and obtained society effect and economy performance。
Key  words: Omron  Inverter  PLC  HTML   Control   Arm moving crane
1 引言
    吊车广泛应用于国民生产的各个行业，对于新型吊车的研发、制造、控制理论研究也进入了一个新的高度、阶段。此新型吊车从设计原理上进行观念性地改进.由原先建筑设备静臂吊车的绞缆提升改为动臂的俯仰、提升同时动作，完成重载提升的功能,这项改进将明显降低设备的制造和运行成本，与传统吊车设备相比预计将达到近50%的节能效果。
    新型吊车的特点是节能、控制简便、灵活调速、精准定位、安全可靠性高等。为了实现上诉功能，尤其适应国家提出的可持续发展，节能降耗。而且新型吊车采用了触摸屏协助操作并显示、PLC控制、变频器执行的控制方法。笔者有幸参与大连佳云高层建筑机械有限公司研制国内首创的动臂吊车的开发过程，并负责电气设计、安装及调试工作。在这个项目中采用欧姆龙触摸屏、PLC、变频器。现将控制方式、过程介绍一下，力求能够抛砖引玉。
2 动臂吊车调速基本原理
    根据电机学理论，交流电动机的转速公式为：
n=60f （1-s）/p
    上式中： f为定子的电源频率，p为极对数，s为转差率，n为转速。
    因此，交流电机可有以下几种调速方法：
    （1）改变电机极对数p，可以改变电机转速。这是交流双速梯采用的调速方法。
    （2）通过调整定子绕组电压大小来改变转差率s, 以达到调速目的。这是交流调速梯采用的调速方法。
    （3）改变定子电源频率f也可达到调速目的，但f最大不能超过电机额定频率。
    （4）吊车作为恒转矩负载调速时为保持最大转矩不变，根据转矩公式M=CmФIcosφ式中Cm为电机常数，I为转子电流，Ф为电机气隙磁通，cosφ为转子功率因数。必须保持Ф恒定，又根据电压公式U=4.44fWkФ，式中U为定子电压，f为定子电压频率，W为定子绕组匝数，k为电机常数，必须保持U/f为常数，即变频器必须兼备变压变频两种功能简称为VVVF（Vary Voltage Vary Frequency）型变频器, 这就是动臂吊车的基本控制原理。
3 系统组成
3.1 PLC
    可编程控制器PLC完成系统逻辑控制部分，负责处理各种信号的逻辑关系，从变频器及其它被控设备接收开关及模拟量信号，通过运算控制信号送给变频器及其它被控设备，形成双向联络关系，它是系统的核心。本系统采用欧姆龙CJ系列PLC进行控制。
3.2 触摸屏
   本案中触摸屏是作为显示和控制的终端设备，显示各被控设备的工作状态。选用欧姆龙的NS系列触摸屏。
3.3  变频器
    变频器实现电动机调速。欧姆龙3G3RV-B4450-ZV1通用变频器可实现平稳操作和精确控制，使电动机达到理想输出。并将无PG的U/f控制、无PG矢量控制、有PG的U/f控制、有PG矢量控制的四种控制方式融为一体，其中有PG矢量控制是最适合吊车控制要求的。容量选择最好是采用大一数量级选配，本例中吊车电动机采用37kW的异步电动机，即37kW的电动机选45kW的变频器, 图1示出电气原理图。

图1  电气原理图
3.4  旋转编码器和PG卡

   旋转编码器和PG卡，实现闭环运行。为满足吊车的要求，变频器又要通过与电动机同轴连接的旋转编码器和PG卡，完成速度检测及反馈，形成闭环系统。旋转编码器与电动机同轴连接，对电动机进行测速。旋转编码器输出A、B两相脉冲，旋转编码器根据AB脉冲的相序，可判断电动机转动方向，并可根据A、B脉冲的频率测得电动机的转速。旋转编码器将此脉冲输出给PG卡，PG卡再将此 反馈信号送给变频器内部，以便进   行运算调节。   
              
    PG卡选择PG-B2，光电编码器选用增量式600p/r，推挽放大输出，A相B相Z相原点信号，轴径8mm中空型的编码器。
                             
3.5 制动单元
    在变频器应用中当吊钩空载上升或重载下降时，拖动系统存在位能负荷下放。电动机将处于再生发电制动运行状态，使电动机回馈的能量通过逆变环节中并联的二极管流向直流环节给滤波电容器充电。当回馈能量较大时，会引起直流环节电压升高发生故障，电动机急速减速也会造成上述现象。解决办法是在变频器直流环节并联制动单元和制动电阻。制动单元是变频器一个可选组件，内设检测和控制电路，其工作时对变频器的直流回路电压进行在线检测。当电压超过设定允许值时，触发制动器晶体管导通，经电阻释放能量维持变频器的直流母线电压在正常工作范围内，一个制动单元可并联几个电阻，视工况而定。
3.6 制动电阻
    制动电阻，消耗回馈电能，抑制直流电压升高。当吊车减速运行时，电动机处于发电状态，向变频器回馈电能。这时，同步转速下降，交一直一交变频器的直流母线电压升高，为了能消耗回馈电能，抑制直流电压升高，还必须配置制动电阻。
电阻的选择非常重要，电阻选择过大则制动力矩不足，电阻选择过小则电流过大、电阻发热等问题难以解决。一般我们推荐的电阻功率和阻值内选择，对于提升高度较大、电机转速较高的情况可以适当减小电阻以得到较高的制动力矩，如果最小值不能满足制动力矩的话，要更换大一级功率的变频器。
    制动单元和制动电阻应根据回馈最大能量及时间来选用。一般制动电阻器的选择应使制动电流Is不超过变频器的额定电流Ie，制动电阻最大功率Pmax要小于1.5倍的变频器功率，然后与过载系数相乘。过载系数与减速时间和持续制动时间有关，具体要厂家提供电阻器过载系数及参数样本。制动电阻的计算不再赘述。采用制动电阻消耗电机再生制动时送回直流回路的电能。制动过程中，当直流电路电压高于正常电压70V时，制动单元中的IGBT进行直流斩波，使制动电阻流过电流消耗再生电能。
4 其它配件选择
    对于其它配件仅列举，不再详述。
（1）交流电机
    三相异步电机  
    铭牌：50Hz  70A  37KW  380V  1470r/min
（2）旋转编码器
    渡边旋转编码器  600p/r  电压DC17-30V
    输出信号：A+、B+、Z+、A-、B-、Z-
（3）液压制动器
（4）电磁制动器
（5）电磁离合器
5 控制方法及变频器设置
5.1  PLC控制方法
    本系统采用欧姆龙PLC数字量及模拟量控制，具体控制方式如下：
    输入信号：变频器运行信号、报警信号、频率模拟量；手柄模拟量输入、外部制动信号输入等；
    控制对象：变频器运行信号、零伺服信号、频率模拟量；外部制动开关信号等；
串行通讯：与欧姆龙NS触摸屏进行数据通讯；
5.2  变频器设置
    根据实际应用的欧姆龙变频器3G3RV-B4450-ZV1系统的结构特点及程序设计要点。
    采用PLC 作为逻辑控制部件，变频器和PLC通讯时采用模拟量。由于3G3RV-B4450-ZV1为通用型变频器，因而用在吊车控制上为了满足运行效率、灵活调速、精准定位和安全可靠的要求, 其参数设置比专用型变频器要复杂得多。下面仅介绍几个主要参数的设置：
    曳引电动机的转速控制应是闭环的, 其转速的检测由和电动机同轴旋转的旋转编码器完成。必须保证旋转编码器和电动机连接时的同心度和可靠性, 以保证速度采样的准确度。
    变频器其它常用参数可根据电网电压和电机名铭牌参数直接输入。也可通过自学习实现，本例是采用自学习方法读入电机参数，可以使变频器工作在最佳状态。具体方法：在完成参数设置后,使变频器对所驱动的电动机进行自学习，将曳引机制动轮与电动机轴脱离,  使电动机处于空载状态，然后启动电动机，变频器便可自动识别并存储电动机有关参数, 使变频器能对该电动机进行最佳控制。至此, 变频器参数设置完毕。
    软件设计主要涉及到参数设置如表1：                             
  


    其他参数按变频器出厂值。 图2～图4示出部分现场情况。

         
6 设备调试出现的问题分析及解决
    上述系统在整机调试过程中遇到以下问题，经讨论及技术改动，现场问题已经全部解决。出现的问题简单列举如下：
（1）开始开机送模拟量缓慢，运行不正常   
   解决方法：PLC先提供给变频器正转/反转信号，然后提供模拟量。
（2） 处于零伺服时再启动异常   
   解决方法：变频器处于零伺服状态下不能够再启动，程序中做零伺服状态下禁止操作。
7 结束语
    设备经过调试，并经过辽宁省建设机械城市车辆检测中心专家现场检测，达到预期效果，证明欧姆龙控制系统在动臂吊车控制的应用是成功的，具有广阔的前景。
参考文献
[1]欧姆龙自动化（中国）统辖集团. 高功能变频器SYSDRIVE 3G3RV-ZV1操作手册. 2006
[2]欧姆龙自动化（中国）统辖集团. 高功能变频器SYSDRIVE 3G3RV-ZV1产品样本. 2006
[3] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，2004