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摘  要：本文介紹應用歐姆龍PLC、變頻器、觸摸屏對新型動臂吊車控制系統進行設計，以及配件的組成、控制方式、參數設置，并對調試運行過程中出現的問題進行總結、分析和解決。

實踐證明：應用歐姆龍PLC、變頻器、觸摸屏很好的解決了新型動臂吊車的矢量控制，運行效果良好，取得了一定的社會效應和經濟效益。

關鍵詞：歐姆龍  變頻器  PLC  觸摸屏  控制  動臂吊車

1、 引言

吊車廣泛應用于國民生產的各個行業，對于新型吊車的研發、制造、控制理論研究也進入了一個新的高度、階段。此新型吊車從設計原理上進行觀念性地改進.由原先建筑設備靜臂的絞纜提升改為動臂的俯仰、提升同時動作,完成重載提升的功能,這項改進將明顯降低設備的制造和運行成本,與傳統吊車設備相比,預計將達到近50%的節能效果.

新型吊車的特點是節能、控制簡便、靈活調速、精準定位、安全可靠性高等。為了實現上訴功能，尤其適應國家提出的可持續發展，節能降耗，新型吊車大都采用觸摸屏協助操作并顯示、PLC控制、變頻器執行的控制方法。筆者有幸參與大連佳云高層建筑機械有限公司研制開發國內首創的動臂吊車的工作，并負責電氣控制。在這個項目中采用歐姆龍觸摸屏、PLC、變頻器。現將控制方式、過程介紹一下，力求能夠拋磚引玉。

2、 動臂吊車調速基本原理

根據電機學理論，交流電動機的轉速公式為：

n=60f (1-s)/p

上式中： f為定子的電源頻率，p為極對數，s為轉差率，n為轉速。

因此，交流電機可有以下幾種調速方法：

a) 改變電機極對數p，可以改變電機轉速。這是交流雙速梯采用的調速方法。

b) 通過調整定子繞組電壓大小來改變轉差率s, 以達到調速目的。這是交流調速梯采用的調速方法。

c) 改變定子電源頻率f也可達到調速目的，但f最大不能超過電機額定頻率。

d) 吊車作為恒轉矩負載調速時為保持最大轉矩不變，根據轉矩公式M=CmФIcosφ式中Cm為電機常數，I為轉子電流，Ф為電機氣隙磁通，cosφ為轉子功率因數。必須保持Ф恒定，又根據電壓公式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，k為電機常數，必須保持U/f為常數，即變頻器必須兼備變壓變頻兩種功能簡稱為VVVF(Vary Voltage Vary Frequency)型變頻器, 這就是動臂吊車的基本控制原理。

3、 系統組成

3.1  PLC

    可編程控制器PLC完成系統邏輯控制部分，負責處理各種信號的邏輯關系，從變頻器及其它被控設備接收開關及模擬量信號，通過運算控制信號送給變頻器及其它被控設備，形成雙向聯絡關系，它是系統的核心。本系統采用歐姆龍CJ系列PLC進行控制。

3.2 觸摸屏

本案中觸摸屏是作為顯示和控制的終端設備，顯示各被控設備的工作狀態。選用歐姆龍的NS系列觸摸屏。

3.3  變頻器

    變頻器實現電動機調速。歐姆龍3G3RV-B4450-ZV1通用變頻器可實現平穩操作和精確控制，使電動機達到理想輸出。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量級選配，本例中吊車電動機采用37kW的異步電動機。即37kW的電動機選配45kW的變頻器。

圖1：電氣原理圖

3.4  旋轉編碼器和PG卡

旋轉編碼器和PG卡，實現閉環運行。為滿足吊車的要求，變頻器又要通過與電動機同軸連接的旋轉編碼器和PG卡，完成速度檢測及反饋，形成閉環系統。旋轉編碼器與電動機同軸連接，對電動機進行測速。旋轉編碼器輸出A、B兩相脈沖，旋轉編碼器根據AB脈沖的相序，可判斷電動機轉動方向，并可根據A、B脈沖的頻率測得電動機的轉速。旋轉編碼器將此脈沖輸出給PG卡，PG卡再將此 反饋信號送給變頻器內部，以便進行運算調節。                

PG卡選擇3G3FV-PPG-B2，光電編碼器選用增量式600p/r，推挽放大輸出，A相B相Z相原點信號，軸徑8mm中空型的編碼器。

3.5    制動單元

    在變頻器應用中當吊鉤空載上升或重載下降時，拖動系統存在位能負荷下放。電動機將處于再生發電制動運行狀態，使電動機回饋的能量通過逆變環節中并聯的續流二極管流向直流環節給濾波電容器充電。當回饋能量較大時，會引起直流環節電壓升高發生故障，電動機急速減速也會造成上述現象。解決辦法是在變頻器直流環節并聯制動單元和制動電阻。制動單元是變頻器一個可選組件，內設檢測和控制電路，其工作時對變頻器的直流回路電壓進行在線檢測。當電壓超過設定允許值時，觸發制動器晶體管導通，經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，一個制動單元可并聯幾個電阻，視工況而定。

3.6    制動電阻

制動電阻，消耗回饋電能，抑制直流電壓升高。當吊車減速運行時，電動機處于發電狀態，向變頻器回饋電能。這時，同步轉速下降，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，還必須配置制動電阻。

電阻的選擇非常重要，電阻選擇過大則制動力矩不足，電阻選擇過小則電流過大、電阻發熱等問題難以解決。一般我們推薦的電阻功率和阻值內選擇，對于提升高度較大、電機轉速較高的情況可以適當減小電阻以得到較高的制動力矩，如果最小值不能滿足制動力矩的話，要更換大一級功率的變頻器。

制動單元和制動電阻應根據回饋最大能量及時間來選用。一般制動電阻器的選擇應使制動電流Is不超過變頻器的額定電流Ie，制動電阻最大功率Pmax要小于1.5倍的變頻器功率，然后與過載系數相乘。過載系數與減速時間和持續制動時間有關，具體要廠家提供電阻器過載系數及參數樣本。制動電阻的計算不再贅述。采用制動電阻消耗電機再生制動時送回直流回路的電能。制動過程中，當直流電路電壓高于正常電壓70V時，制動單元中的IGBT進行直流斬波，使制動電阻流過電流消耗再生電能。

4、 其它配件選擇

對于其它配件僅列舉，不再詳述。

4.1        交流電機

三相異步電機 

銘牌：50Hz  70A  37KW  380V  1470r/min

4.2        旋轉編碼器

渡邊旋轉編碼器  600p/r  電壓DC17-30V

輸出信號：A+、B+、Z+、A-、B-、Z-

4.3        液壓制動器

4.4        電磁制動器

4.5        電磁離合器

圖2：整機帶載試驗(2T)           

圖3：非標減速箱鉸纜　　

圖4：現場3G3RV-ZV1變頻器

5、 控制方法及變頻器設置

5.1  PLC控制方法

本系統采用歐姆龍PLC數字量及模擬量控制，具體控制方式如下：

輸入信號：變頻器運行信號、報警信號、頻率模擬量；手柄模擬量輸入、外部制動信號輸入等；

控制對象：變頻器運行信號、零伺服信號、頻率模擬量；外部制動開關信號等；

串行通訊：與歐姆龍NS觸摸屏進行數據通訊；

詳細控制流程參見后附流程圖

5.2  變頻器設置

根據實際應用的歐姆龍變頻器3G3RV-B4450-ZV1系統的結構特點及程序設計要點。

采用PLC 作為邏輯控制部件，變頻器和PLC通訊時采用模擬量。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行效率、靈活調速、精準定位和安全可靠的要求, 其參數設置比專用型變頻器要復雜得多。下面僅介紹幾個主要參數的設置：

曳引電動機的轉速控制應是閉環的, 其轉速的檢測由和電動機同軸旋轉的旋轉編碼器完成。必須保證旋轉編碼器和電動機連接時的同心度和可靠性, 以保證速度采樣的準確度。

變頻器其它常用參數可根據電網電壓和電機名銘牌參數直接輸入。也可通過自學習實現，本例是采用自學習方法讀入電機參數，可以使變頻器工作在最佳狀態。具體方法：在完成參數設置后,使變頻器對所驅動的電動機進行自學習，將曳引機制動輪與電動機軸脫離,  使電動機處于空載狀態，然后啟動電動機，變頻器便可自動識別并存儲電動機有關參數, 使變頻器能對該電動機進行最佳控制。至此, 變頻器參數設置完畢。

軟件設計主要涉及到參數設置見下表：                              圖5

6、 設備調試出現的問題分析及解決

上述系統在整機調試過程中遇到以下問題，經討論及技術改動,現場已全部解決,簡單列舉如下。

(1)開始開機送模擬量緩慢，運行不正常  

   解決方法：PLC先提供給變頻器正轉/反轉信號，然后提供模擬量。

(2) 處于零伺服時再啟動異常   

   解決方法：變頻器處于零伺服狀態下不能夠再啟動，程序中做零伺服狀態下禁止操作。

結束語

設備經過調試，并經遼寧省建設機械城市車輛檢測中心專家檢測，達到預期求，證明歐姆龍控制系統在動臂吊車控制的應用是成功的，具有廣闊的前景。

參考文獻

【1】       歐姆龍自動化（中國）統轄集團. 高功能變頻器SYSDRIVE 3G3RV-ZV1操作手冊. 2006年

【2】       歐姆龍自動化（中國）統轄集團. 高功能變頻器SYSDRIVE 3G3RV-ZV1產品樣本. 2006年

【3】       上海工業大學 陳伯時 主編. 電力拖動自動控制系統. 機械工業出版社 2004年1月