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PLC在驱动电气控制电路改造中的应用

作者:李，，胡杰佳

关键词:电气传动变频调速可编程控制器

1简介

绕线式异步电动机转子串联频敏电阻，用于工厂抓矿起重机的起动和调速。这种继电器-接触器控制方式在实际运行中存在以下问题:

(1)驾驶工作环境恶劣，工作任务繁重。电机的串联频敏电阻不定时烧断接地，导致电机频繁烧毁；

(2)由于机体振动和导电粉尘环境，继电器-接触器控制系统可靠性差，故障率高，维修困难，维修费用高，维修工人维修累；

(3)转子串联频敏电阻调速，机械特性软。负载变化时运行不稳定，中频敏电阻长时间运行，电能浪费严重；

(4)接触器在大电流下频繁分合闸，造成电网谐波污染严重，功率因数低。

所以工厂采用PLC代替继电器-接触器控制，变频器代替电机转子串联频敏电阻。改造后运行效果显著，解决了上述问题。

2驱动车辆的PLC控制变频驱动系统

2.1系统组成

行走小车、小车、抓斗提升和抓斗开闭电机都需要独立运行。大车由两台电机同时驱动，小车、抓斗提升、抓斗开合各由一台电机驱动。整个系统有五个电机。为了保证各部分安全运行且互不影响，采用四台变频器驱动，四台PLC相互控制。系统组成如图1所示:

PLC接收主控制器的速度控制信号，该信号为数字控制信号，信号电平为AC220V V..这些信号包括:主控制器发出的正负信号、电机过热保护信号、安全限位信号、启动、急停、复位、零锁等信号，这些信号都是sink输入的。PLC根据这些信号完成系统的逻辑控制功能，向变频器发出启动、停止、正转、反转、调速等控制信号，使电机处于所需的工作状态。

变频器接收PLC提供的控制信号，根据设定输出变频变压电源给电机，实现电机的调速。操作人员根据实际需要通过主控制器向PLC发送各种控制信号。

当提升电机降低重物时，电机反转。由于重力的加速，电机处于再生制动状态，拖动系统的机械能转化为电能，储存在电压源逆变器的滤波电容两端，使DC电压不断上升，甚至可以击穿电气绝缘。当电压上升到设定值时，连接泄能电阻，消耗DC电路的这部分能量，保证逆变器的安全运行。

2.2变频器与PLC之间的通信

该系统采用现场总线方式控制变频器，而不是传统的模拟或开关方式。在该系统中，小车和升降变频器通过可选模块连接到Profibus-DP总线。考虑到数据传输的实时性和稳定性，系统选择PPC-3作为数据传输格式，波特率为387.5kbps，采用总线结构后，系统进一步优化，如下图所示:

(1)简单布线

只需要1两芯屏蔽双绞线，其他方式至少需要4根电缆，减少了维护工作量。

(2)给定稳定性

避免了信号漂移、电磁干扰等诸多因素造成的模拟基准抖动，系统速度基准更加可靠。

(3)连续速度

与采用开关量作为速度参考值的系统相比，速度参考值由离散值变为连续值，使变频器可以接受PLC的速度微调指令，实现升降运行的平衡。

2.3备用应急系统

当总线干线电缆或总线上的某个点损坏时，可能会使系统无法正常工作。所以系统里有备份系统，防止紧急情况下公交车正常使用，但不能停止工作。变频器有两套控制模式，一套采用总线通讯进行正常控制；一套采用紧急情况下的开关控制。两组参数通过PLC进行切换，两组参数在手柄档位的速度设定上是完全一致的，所以从使用角度来说两组参数的切换是感觉不到的。

2.4同步和整流

起重机在提升抓斗时，系统会进入自动纠偏模式，保证吊钩提升时钢丝位置同步。由于机械安装时的摩擦力矩，机械制动的调整不能完全一致，所以系统没有采用动态实时纠偏，而是采用了折中方案。其工作原理是:首先，系统在PLC中设置两个阈值，阈值1用于启动吊钩自动纠偏，阈值2用于结束自动纠偏；其次，PLC读取安装在提升卷筒上的编码器的数据，实时计算提升高度；第三，PLC比较两个读入的提升高度。当两个高度之差大于阈值1时，PLC会在由手柄确定的参考速度上叠加一个微小的速度偏差。当两个高度之差小于阈值2时，它取消偏差，并通过惯性进一步减小升力差。最后，当给定抓斗起重机电机的速度时，PLC将通过Profibus-DP将计算和合成的速度值下载到变频器。

3 PLC软硬件设计及应用

3.1 PLC的硬件设计

起重机大车、小车、抓斗提升和抓斗开闭电机分别由不同的PLC控制。起重机大车、小车、起升和开闭电机都运行在电动工作状态，变频器和PLC的控制结构、软硬件实现基本相同。提升电机的运行状态包括电动、反向制动和再生制动，变频器和PLC之间的控制结构比大车和小车复杂。以提升电机为例，其PLC的I/O接线如图2所示，变频器的接线图如图3所示。

3.2汽车的工作过程

当驾驶室门和横梁轨道门关闭时，安全开关1#和2#的常闭触点打开，急停开关关闭，主控制器置零。只有这样，才能按下启动按钮，打开电源。当主控制器置于上升档时，电机正转。通过调节速度档，控制逆变器输出不同的电压，从而调节抓斗提升电机的转速。当主控制器置于3档满载时，电机正转，电机处于反向制动状态。当主控制器置于2档下降档，负载较重时，为强制下降阶段，电机反转方向，在重力加速度的作用下，电机进入再生制动状态。另外，当电机从稳定的高速快速切换到低速时，电机也会进入再生制动状态。当主控制器设置为1的下降档时，电机反转，处于电动状态。运行中，电机不管什么原因停止运转，保留原有的三相液压制动，防止重物快速下落。

在紧急情况下，可以按下急停按钮，一方面机械制动器会动作，另一方面变频器的急停控制端子EMS会接通，变频器停止工作。当抓斗起重机电机因故障跳闸时，热继电器动作，电机过载等。故障排除后，可按下复位按钮，打开变频器的复位控制端子RST，使变频器恢复运行状态。

3.3 PLC软件设计

选用FXON系列PLC，采用模块化编程。具体模块如下:

(1)高度转换功能块。用于将格雷码转换为二进制码，将二进制码转换为提升高度和提升高度的偏差调整；

(2)变频器开关控制功能块。用于起重机、小车和抓斗起重机变频器的启动、停止和速度控制；

(3)变频器通信控制功能块。用于大车、小车和提升电机变频器的启动、停止和速度设定。它也用于读取变频器的控制字和状态字。图4是小车的软件控制流程图，小车、升降电机和开合电机的软件流程图与小车类似。

3.4安全防护措施

(1)配电部分:除了缺相、过流、短路保护外，还在车辆两侧的端梁和平台处设置了两个安全开关。只有当开关闭合时，车辆才能行驶。列车上还有一个登机请求和应答按钮，供其他工作人员在驾驶工作过程中安全登机使用。

(2)变频器:选用的ACS600系列变频器具有电机过载、缺相、接地、过流和DC母线过电压保护，抓斗提升电机和小车变频器切换到母线控制模式时具有通讯故障监控功能。

(3)行程开关保护:所有机构都有行程限位保护。在单动状态下，小车和抓斗提升限位开关是独立的；在联动工况下，小车1的后极限和小车2的前极限为联动工况的允许条件，小车1的前极限和小车2的后极限作为小车极限。只要有一个起升1和起升2的极限动作，就视为起升极限。

(4)其它保护:所有机构都有接零保护和过流保护。抓斗起升机构还具有过载保护和超速保护。当超速开关动作时，断开变频器主接触器的电源。

4结论

PLC控制的变频驱动系统在行车上的应用。每个电机的速度、加速时间、制动时间都可以根据实际工况设定，非常方便。从运行结果来看，负载变化时电机转速运行平稳。设备故障率大大降低，电机烧损明显减少，降低了高次谐波对电网的影响。设备检修时，排除故障的速度明显加快，设备维护量大大减少。

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