摘 要：本文介紹應(yīng)用歐姆龍PLC、變頻器、觸摸屏對(duì)新型動(dòng)臂吊車控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以及配件的組成、控制方式、參數(shù)設(shè)置。并對(duì)調(diào)試運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)、分析、解決。 實(shí)踐證明應(yīng)用歐姆龍PLC、變頻器、觸摸屏很好的解決了新型動(dòng)臂吊車的矢量控制，運(yùn)行效果良好，取得了一定的社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益。 關(guān)鍵詞：歐姆龍 變頻器 PLC 觸摸屏 控制 動(dòng)臂吊車 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 吊車廣泛應(yīng)用于國民生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)，對(duì)于新型吊車的研發(fā)、制造、控制理論研究也進(jìn)入了一個(gè)新的高度、階段。此新型吊車從設(shè)計(jì)原理上進(jìn)行觀念性地改進(jìn).由原先建筑設(shè)備靜臂吊車的絞纜提升改為動(dòng)臂的俯仰、提升同時(shí)動(dòng)作，完成重載提升的功能,這項(xiàng)改進(jìn)將明顯降低設(shè)備的制造和運(yùn)行成本，與傳統(tǒng)吊車設(shè)備相比預(yù)計(jì)將達(dá)到近50%的節(jié)能效果。 新型吊車的特點(diǎn)是節(jié)能、控制簡便、靈活調(diào)速、精準(zhǔn)定位、安全可靠性高等。為了實(shí)現(xiàn)上訴功能，尤其適應(yīng)國家提出的可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能降耗。而且新型吊車采用了觸摸屏協(xié)助操作并顯示、PLC控制、變頻器執(zhí)行的控制方法。筆者有幸參與大連佳云高層建筑機(jī)械有限公司研制國內(nèi)首創(chuàng)的動(dòng)臂吊車的開發(fā)過程，并負(fù)責(zé)電氣設(shè)計(jì)、安裝及調(diào)試工作。在這個(gè)項(xiàng)目中采用歐姆龍觸摸屏、PLC、變頻器?，F(xiàn)將控制方式、過程介紹一下，力求能夠拋磚引玉。 2 動(dòng)臂吊車調(diào)速基本原理 根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為： 上式中： f為定子的電源頻率，p為極對(duì)數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，n為轉(zhuǎn)速。 因此，交流電機(jī)可有以下幾種調(diào)速方法： （1）改變電機(jī)極對(duì)數(shù)p，可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。這是交流雙速梯采用的調(diào)速方法。 （2）通過調(diào)整定子繞組電壓大小來改變轉(zhuǎn)差率s, 以達(dá)到調(diào)速目的。這是交流調(diào)速梯采用的調(diào)速方法。 （3）改變定子電源頻率f也可達(dá)到調(diào)速目的，但f最大不能超過電機(jī)額定頻率。 （4）吊車作為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載調(diào)速時(shí)為保持最大轉(zhuǎn)矩不變，根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式M=CmФIcosφ式中Cm為電機(jī)常數(shù)，I為轉(zhuǎn)子電流，Ф為電機(jī)氣隙磁通，cosφ為轉(zhuǎn)子功率因數(shù)。必須保持Ф恒定，又根據(jù)電壓公式U=4.44fWkФ，式中U為定子電壓，f為定子電壓頻率，W為定子繞組匝數(shù)，k為電機(jī)常數(shù)，必須保持U/f為常數(shù)，即變頻器必須兼?zhèn)渥儔鹤冾l兩種功能簡稱為VVVF（Vary Voltage Vary Frequency）型變頻器, 這就是動(dòng)臂吊車的基本控制原理。 3 系統(tǒng)組成 3.1 PLC 可編程控制器PLC完成系統(tǒng)邏輯控制部分，負(fù)責(zé)處理各種信號(hào)的邏輯關(guān)系，從變頻器及其它被控設(shè)備接收開關(guān)及模擬量信號(hào)，通過運(yùn)算控制信號(hào)送給變頻器及其它被控設(shè)備，形成雙向聯(lián)絡(luò)關(guān)系，它是系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)采用歐姆龍CJ系列PLC進(jìn)行控制。 3.2 觸摸屏 本案中觸摸屏是作為顯示和控制的終端設(shè)備，顯示各被控設(shè)備的工作狀態(tài)。選用歐姆龍的NS系列觸摸屏。 3.3 變頻器 變頻器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速。歐姆龍3G3RV-B4450-ZV1通用變頻器可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作和精確控制，使電動(dòng)機(jī)達(dá)到理想輸出。并將無PG的U/f控制、無PG矢量控制、有PG的U/f控制、有PG矢量控制的四種控制方式融為一體，其中有PG矢量控制是最適合吊車控制要求的。容量選擇最好是采用大一數(shù)量級(jí)選配，本例中吊車電動(dòng)機(jī)采用37kW的異步電動(dòng)機(jī)，即37kW的電動(dòng)機(jī)選45kW的變頻器, 圖1示出電氣原理圖。 [align=center] 圖1 電氣原理圖[/align] 3.4 旋轉(zhuǎn)編碼器和PG卡 旋轉(zhuǎn)編碼器和PG卡，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行。為滿足吊車的要求，變頻器又要通過與電動(dòng)機(jī)同軸連接的旋轉(zhuǎn)編碼器和PG卡，完成速度檢測及反饋，形成閉環(huán)系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)編碼器與電動(dòng)機(jī)同軸連接，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行測速。旋轉(zhuǎn)編碼器輸出A、B兩相脈沖，旋轉(zhuǎn)編碼器根據(jù)AB脈沖的相序，可判斷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，并可根據(jù)A、B脈沖的頻率測得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)編碼器將此脈沖輸出給PG卡，PG卡再將此 反饋信號(hào)送給變頻器內(nèi)部，以便進(jìn) 行運(yùn)算調(diào)節(jié)。 PG卡選擇PG-B2，光電編碼器選用增量式600p/r，推挽放大輸出，A相B相Z相原點(diǎn)信號(hào)，軸徑8mm中空型的編碼器。 3.5 制動(dòng)單元 在變頻器應(yīng)用中當(dāng)?shù)蹉^空載上升或重載下降時(shí)，拖動(dòng)系統(tǒng)存在位能負(fù)荷下放。電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，使電動(dòng)機(jī)回饋的能量通過逆變環(huán)節(jié)中并聯(lián)的二極管流向直流環(huán)節(jié)給濾波電容器充電。當(dāng)回饋能量較大時(shí)，會(huì)引起直流環(huán)節(jié)電壓升高發(fā)生故障，電動(dòng)機(jī)急速減速也會(huì)造成上述現(xiàn)象。解決辦法是在變頻器直流環(huán)節(jié)并聯(lián)制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻。制動(dòng)單元是變頻器一個(gè)可選組件，內(nèi)設(shè)檢測和控制電路，其工作時(shí)對(duì)變頻器的直流回路電壓進(jìn)行在線檢測。當(dāng)電壓超過設(shè)定允許值時(shí)，觸發(fā)制動(dòng)器晶體管導(dǎo)通，經(jīng)電阻釋放能量維持變頻器的直流母線電壓在正常工作范圍內(nèi)，一個(gè)制動(dòng)單元可并聯(lián)幾個(gè)電阻，視工況而定。 3.6 制動(dòng)電阻 制動(dòng)電阻，消耗回饋電能，抑制直流電壓升高。當(dāng)?shù)踯嚋p速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，向變頻器回饋電能。這時(shí)，同步轉(zhuǎn)速下降，交一直一交變頻器的直流母線電壓升高，為了能消耗回饋電能，抑制直流電壓升高，還必須配置制動(dòng)電阻。 電阻的選擇非常重要，電阻選擇過大則制動(dòng)力矩不足，電阻選擇過小則電流過大、電阻發(fā)熱等問題難以解決。一般我們推薦的電阻功率和阻值內(nèi)選擇，對(duì)于提升高度較大、電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的情況可以適當(dāng)減小電阻以得到較高的制動(dòng)力矩，如果最小值不能滿足制動(dòng)力矩的話，要更換大一級(jí)功率的變頻器。 制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻應(yīng)根據(jù)回饋?zhàn)畲竽芰考皶r(shí)間來選用。一般制動(dòng)電阻器的選擇應(yīng)使制動(dòng)電流Is不超過變頻器的額定電流Ie，制動(dòng)電阻最大功率Pmax要小于1.5倍的變頻器功率，然后與過載系數(shù)相乘。過載系數(shù)與減速時(shí)間和持續(xù)制動(dòng)時(shí)間有關(guān)，具體要廠家提供電阻器過載系數(shù)及參數(shù)樣本。制動(dòng)電阻的計(jì)算不再贅述。采用制動(dòng)電阻消耗電機(jī)再生制動(dòng)時(shí)送回直流回路的電能。制動(dòng)過程中，當(dāng)直流電路電壓高于正常電壓70V時(shí)，制動(dòng)單元中的IGBT進(jìn)行直流斬波，使制動(dòng)電阻流過電流消耗再生電能。 4 其它配件選擇 對(duì)于其它配件僅列舉，不再詳述。 （1）交流電機(jī) 三相異步電機(jī) 銘牌：50Hz 70A 37KW 380V 1470r/min （2）旋轉(zhuǎn)編碼器 渡邊旋轉(zhuǎn)編碼器 600p/r 電壓DC17-30V 輸出信號(hào)：A+、B+、Z+、A-、B-、Z- （3）液壓制動(dòng)器 （4）電磁制動(dòng)器 （5）電磁離合器 5 控制方法及變頻器設(shè)置 5.1 PLC控制方法 本系統(tǒng)采用歐姆龍PLC數(shù)字量及模擬量控制，具體控制方式如下： 輸入信號(hào)：變頻器運(yùn)行信號(hào)、報(bào)警信號(hào)、頻率模擬量；手柄模擬量輸入、外部制動(dòng)信號(hào)輸入等； 控制對(duì)象：變頻器運(yùn)行信號(hào)、零伺服信號(hào)、頻率模擬量；外部制動(dòng)開關(guān)信號(hào)等； 串行通訊：與歐姆龍NS觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊； 5.2 變頻器設(shè)置 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的歐姆龍變頻器3G3RV-B4450-ZV1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)。 采用PLC 作為邏輯控制部件，變頻器和PLC通訊時(shí)采用模擬量。由于3G3RV-B4450-ZV1為通用型變頻器，因而用在吊車控制上為了滿足運(yùn)行效率、靈活調(diào)速、精準(zhǔn)定位和安全可靠的要求, 其參數(shù)設(shè)置比專用型變頻器要復(fù)雜得多。下面僅介紹幾個(gè)主要參數(shù)的設(shè)置： 曳引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制應(yīng)是閉環(huán)的, 其轉(zhuǎn)速的檢測由和電動(dòng)機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器完成。必須保證旋轉(zhuǎn)編碼器和電動(dòng)機(jī)連接時(shí)的同心度和可靠性, 以保證速度采樣的準(zhǔn)確度。 變頻器其它常用參數(shù)可根據(jù)電網(wǎng)電壓和電機(jī)名銘牌參數(shù)直接輸入。也可通過自學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)，本例是采用自學(xué)習(xí)方法讀入電機(jī)參數(shù)，可以使變頻器工作在最佳狀態(tài)。具體方法：在完成參數(shù)設(shè)置后,使變頻器對(duì)所驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行自學(xué)習(xí)，將曳引機(jī)制動(dòng)輪與電動(dòng)機(jī)軸脫離, 使電動(dòng)機(jī)處于空載狀態(tài)，然后啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，變頻器便可自動(dòng)識(shí)別并存儲(chǔ)電動(dòng)機(jī)有關(guān)參數(shù), 使變頻器能對(duì)該電動(dòng)機(jī)進(jìn)行最佳控制。至此, 變頻器參數(shù)設(shè)置完畢。 軟件設(shè)計(jì)主要涉及到參數(shù)設(shè)置如表1： [align=center] [/align] 其他參數(shù)按變頻器出廠值。 圖2～圖4示出部分現(xiàn)場情況。 6 設(shè)備調(diào)試出現(xiàn)的問題分析及解決 上述系統(tǒng)在整機(jī)調(diào)試過程中遇到以下問題，經(jīng)討論及技術(shù)改動(dòng)，現(xiàn)場問題已經(jīng)全部解決。出現(xiàn)的問題簡單列舉如下： （1）開始開機(jī)送模擬量緩慢，運(yùn)行不正常 解決方法：PLC先提供給變頻器正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)信號(hào)，然后提供模擬量。 （2） 處于零伺服時(shí)再啟動(dòng)異常 解決方法：變頻器處于零伺服狀態(tài)下不能夠再啟動(dòng)，程序中做零伺服狀態(tài)下禁止操作。 7 結(jié)束語 設(shè)備經(jīng)過調(diào)試，并經(jīng)過遼寧省建設(shè)機(jī)械城市車輛檢測中心專家現(xiàn)場檢測，達(dá)到預(yù)期效果，證明歐姆龍控制系統(tǒng)在動(dòng)臂吊車控制的應(yīng)用是成功的，具有廣闊的前景。 參考文獻(xiàn) [1]歐姆龍自動(dòng)化（中國）統(tǒng)轄集團(tuán). 高功能變頻器SYSDRIVE 3G3RV-ZV1操作手冊(cè). 2006 [2]歐姆龍自動(dòng)化（中國）統(tǒng)轄集團(tuán). 高功能變頻器SYSDRIVE 3G3RV-ZV1產(chǎn)品樣本. 2006 [3] 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004