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1、 - 1 - 维修电工高级技师论文维修电工高级技师论文题 目 PLC 在行车控制系统中的应用 单 位 益丰生化有限公司 专 业 维修电工高级技师论文 姓 名 索学农 二零一三年九月 - 2 - 摘要：摘要：行车起重系统主要应用在冶金、机械制造等重型企业，是一 种既能垂直提升又能水平移动重物的机械组。行车的主要任务是把 负载吊起并移动到预定的位置.本文是以电镀车间的行车工艺流程为 背景，研究基于 PLC 的自动控制系统，对系统的调速性能、稳定性、 精度、可靠性等方面作了研究。 关键词关键词: : 行车； 交流调速； PLC 1 绪论1.1 研究行车起重控制系统的意义行车起重控制系统主要应用于重型
2、机械制造、冶金等行业。行车既不同于仅作垂直移动的电梯、升降机等，又不同于水平输送谷物、煤炭等大量物料的传送机，它是一种既能垂直提升又能水平移动重物的机械组。行车控制系统是由左/右、前/后及上/下三个运动组成，它们分别由三个三相交流电动机拖动，通过正/反转控制实现正/反方向的移动。这种行车的主要任务是把负载吊起并移动到预定的位置。为了确保负载能准确快速的到达目标位置，控制携带负载的平台使负载在预定的位置无振荡地停下来非常重要。目前行车控制方式大概有两种:一种是手动控制，一种是自动控制。手动控制中就需要驾驶员能根据现场的要求控制行车平移、起升;自动控制是根据生产车间的工艺流程，利用程序实现行车的自
3、动运行。行车系统控制精度完全取决于交流电机调速控制的精度，这就要求电机控制能够平稳的加速和减速。因此，研究行车起重控制系统中的交流调速控制技术对行车的发展有着重要的意义 。1.2 交流调速发展概况经过约 30 年的发展，目前，交流调速系统在性能上可和直流调速一样，但它克服了直流调速系统现存的缺点，且发挥了扩大交流电机的容量、维护省力、造价低、坚固耐用、事故率低等优点。所以，近些年来交流调速传动在国内外引起了人们极大的重视且得到了飞跃发展。交流电动机与直流电动机相比，有结构简单、牢固、成本低廉等许多优点，缺点是调速困难1 。现在，借助于电力电子技术己经很好地解决了交电动机的调速问题，所以交流调速
4、传动已进入与直流调速传动相媲美、相竞争并逐渐占据主导地位的时代。据日本早年统计，1975 年销售的交流调速装置与直流调速装置之比为 1: 3，而到了 1985 年，- 3 - 反过来成为 3:1，这种趋势近 10 年来发展更快。因此可以相信本世纪，工业发达国家中，交流调速必将占据主导地位2。下面列举近代交流调速控制技术发展的十个方面，它们相互之间既有联系又有区别，形成了各自的控制特点，现正在不断丰富、充实和发展中：(1)相位控制它主要应用于“直一交”变频器和“交一直一交”变频器中的整流控制器，同一般整流控制原理一样，采用相位控制原则。(2)VVVF 控制为保持恒磁通变频控制(或恒转矩控制)原则
5、，要求变压变频控制(即 VVVF 控制)，这是协调控制条件所要求的。通常把这种变频装置也称为 VVVF 装置。(3)转差频率控制在调速过程中保持有限的转差频率值进行控制，可以获得高效调速方式。这种方式系统简单，需要测速机检测，是当前常用的高性能转差频率矢量控制的基础。(4)脉宽调制(PWM)控制脉宽调制型变频器由于具有功率因数高和输出波形好的特点，近年来发展较快。(5)矢量变换控制矢量变换控制是一种新的控制理论和控制技术。其控制思想是设法模拟直流电机的控制特点对交流电机进行控制。它分有磁场定向式矢量控制和转差频率式矢量控制两种模式，前者调速精度高，需要磁通检测准确;后者只用测速机控制，系统简单
6、，调速精度不如前者，两者均属高性能交流调速系统。(6)磁场控制近年来，从磁场的观点控制交流电动机，同 PWM 控制一样有所发展，它分有磁场轨迹法和异步电动机的磁场加速法。(7)微机控制微型计算机、微处理机用于交流调速的控制系统及单元，使交流调速系统除具有控制功能外，还向着多功能(包括监视、显示、保护、故障自诊断及自复原等)方向发展。(8)现代控制理论的应用原来认为现代控制理论用于交流调速传动是比较遥远的事情，现在看来不仅成为现实，而且发展很快。(9)直接转矩控制这种系统结构简单，对电机参数变化不敏感，实现转矩、磁通闭环控制，可获得良好的调速性能，是一种高动态的 PWM 控制系统。(10)多变量
7、解藕控制利用现代控制理论设法将多变量、强藕合非线性系统解祸成两个单变量系统，再借用古典控制理论设计调节器参数，最终抵消藕合支- 4 - 路实现解藕控制3。1.3 PLC 的产生和发展可编程控制器问世于 1969 年。20 世纪 60 年代末期，当时美国的汽车制造工业非常发达竞争也十分激烈。各生产厂家为适应市场需求不断更新汽车型号，这必然要求相应的加工生产线随之改变，整个继电器控制系统也就必须重新设计和配置。这样不但造成设备的极大浪费，而且新系统的接线也十分费时。这种情况下，采用继电器控制就显出有过多的不足。正是从汽车制造业开始了对传统继电器控制的挑战，1968 年美国 General Moto
8、rs(GM)公司，为了适应产品品种的不断更新、减少更换控制系统的费用与周期，要求制造商为其装配线提供一种新型的通用程序控制器。1969 年，美国数据设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器，并成功的应用在 GM 公司的生产线上。其后日本、原联邦德国等相续引入，使其迅速发展起来。但这一时期它主要用于顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思想，但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称 PLC（programmable logic controller）4。 1.4 论文研究的内容(1)深入研究冶金行业起重系统的运行特性，以利于设计满足冶金行业起重系统要求的交流电机调压控制系统;(2
9、)研究交流电机调压调速的原理以及其在交流电机的调速控制中的应用;(3) 研究设计基于 PLC 的行车起重电气控制系统2 交流异步电机的调速控制系统设计当异步电动机电路参数不变时，在一定转速下，电动机的电磁转矩 Te 与定子电压 U 的平方成正比。因此，改变定子外加电压就可以改变其机械特性的函数关系，从而改变电动机在一定输出转矩下的转速。异步电动机调压调速是一种比较简单的调速方法，在 20 世纪 50 年代以前主要利用自祸变压器(小容量时)或饱和电抗器串在三相电路中调速，其原理图如图 2.1(a)和(b)所示。自祸变压器 TU 的调压原理不言自明。饱和电抗器 LS 是带有直流励磁绕组的交流电抗器
10、，改变直流励磁电流可以控制铁芯的饱和程度，从而改变交流电抗值。铁芯饱和时，交流电抗很小，因而定子电压降低，实现了降压调速5。异步电动机变压调速的原理如图 2.1 所示，其中 TU 表示自藕变压器，LS 表示饱和电抗器，VVC- 5 - 表示双向晶闸管交流调压器。自祸变压器和饱和电抗器的共同缺点是设备庞大笨重，近年来随着电力电子技术的发展，多采用晶体管来实现交流调压，如图2.1(c)，采用三对反向并联的晶闸管或三个双向晶闸管分别串接在三相交流电源线路中，再接到电机定子绕组上，通过控制晶闸管的导通角，可以调节电动机的端电压，这就是晶闸管交流调压器。交流调压器与可控整流器一样都是利用相位控制，在工作
11、原理上有其相似之处，只是在带交流电机负载的波形分析、双向晶闸管的触发控制等方面有特殊的问题6。图 2.1 异步电动机变压调速原理图2.2 总体方案设计交流电动机调速控制系统的基本任务是实现绕线电动机的起升、平移运动。在起升或平移运动时，能在两个运动方向上均达到三个独立于载荷的慢速，即10%、20%和 30%的速度，选择全速(100%速度)就是使得电机沿斜坡加速到全速。同时，交流电动机调速系统应有安全监测功能，在系统工作前，安全电路应监测是否有相序错误，相位极度不平衡和三相供电的电压过度降低等故障。提供电气联锁，保证在发生供电故障、相序错误或主令在再次起动前没有回零等情况时，电动机不能运行7。整
12、个电动机调速系统的结构框图如图 2.2 所示- 6 - 图 2.2 交流电机调速装置结构图测定电机速度则通过检测转子频率，外接的换向接触器在零电流和零电压时切换，用于改变机构的运动方向。设计此系统时，我们按照工况和实际经验，对设备的工作情况加以说明:系统工作前安全电路即监测是否有相序错误，相位极度不平衡和三相供电的电压。过度降低等故障。提供电气联锁，保证在发生供电故障、相序错误或主令在再次起动前没有回零等情况时，电动机不能运行。加到电机的电压是经过一个斜坡后加上的，以保证对电机和齿轮箱施加较小的机械冲击力。这样保证了恒定平稳的地进行快速点动，促使他有效地使用慢速。在两个运动方向上均达到三个独立
13、于载荷的慢速，即 10%. 20%和 30%的速度。选择全速(100%速度)就是使得电机沿斜坡加速到全速。对于起升系统，两个加速接触器分别在 25Hz ( 50%速度)和 12.5Hz ( 75%速度)下动作，以平稳加速到全速。加速过程中的峰值切换电流限制在满载时电机电流的两倍左右。接触器也是零电流动作的8。2.3 起升运动和平移运动起升运动:当用主令控制器选择四个挡位(10%, 20%, 30%, 100%)起升速度中的某一挡速度时，控制系统将使起升接触器吸合。电机通电，短时之后，制动器释放。选择三个慢速的某一个慢速后，电机速度即被调整到所要求的速度电机主令控制逻 辑 控 制 电 路供 电
14、瞬 态 保 护 电 路相位保护电路触发 模块制动电机 转向转子电阻控制反馈控制- 7 - 上。如果选择全速，则电机将平稳地加速到全速。当将主令从全速拉回到某一个慢速挡上时，加速驱动的力矩将从电机上移除直到达到所需速度。如果在某一个挡位主令回零位，则制动器立即抱闸，在一秒左右后电机失去供电9。平移运动:当用主令选择平移速度的某一个挡时，只要起重机运行有阻力，控制器就会控制电机维持在这一选择速度上。如果这样的阻力移开不存在了，就是说相当于起重机上有额外风力而产生的力推动，则起重机允许被加速到超过额定挡位速度的 10%左右，而此时则反向接触器才吸合以增加阻力。电机的减速是在不超过满载起动力矩的力矩下
15、进行的，直到达到所要求的低速(略过一点)。如果此时有额外风力向前的推力在作用，则反向力矩被加入以维持要求的正常模式中运行。因为只有电机速度超过所需要的额定速度的 10%时反向接触器才动作，所以速度转换，比如从 30%设置到 20%的速度设定，不会将反向接触器接入。从 20%设置到 10%设定也是一样的。电机的电压不是急速陡然加上去的，而是经过一个斜坡平滑加上去的。特别要注意，控制的速度与转子反馈的频率是一一对应的。在回零位时，由于设计考虑最大频率转差 2%时反向接触器动作，所以在标准正常情况下，电机被装置控制关断电源是在 52HZ 或 4%速度时。特殊要求时，在 10%,20%和 30%的速度位置回零时，可以设计成不需反向接通的控制方式来制动10。2.4 重载下降和再生发电当选择(通过主令)三个慢速
