謝樹林

（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣電子工程系，浙江 溫州 325035）

基于WTCT回饋節(jié)能型提升裝置的控制系統(tǒng)研究

謝樹林

（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣電子工程系，浙江 溫州 325035）

針對(duì)傳統(tǒng)提升裝置存在能量浪費(fèi)、控制方式落后、自動(dòng)化水平低等問題，設(shè)計(jì)基于WTCT回饋節(jié)能型提升裝置控制系統(tǒng)。運(yùn)行結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)高效節(jié)能、性能可靠，自動(dòng)化控制水平高，維護(hù)維修方便。

提升裝置；WTCT；PLC；控制系統(tǒng)

0 引 言

在工礦企業(yè)的生產(chǎn)和日常生活中會(huì)使用多種提升裝置，如起重吊車、電梯和各種升降機(jī)等，這些提升裝置與生產(chǎn)、生活密切相關(guān)?，F(xiàn)在使用的提升裝置大多數(shù)由繞線式電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，由繼電接觸器電路改變轉(zhuǎn)子電阻的阻值，實(shí)現(xiàn)階梯調(diào)速。傳統(tǒng)提升裝置存在以下問題：由主令開關(guān)控制繞線式異步電動(dòng)機(jī)，有觸點(diǎn)控制，可靠性能差；調(diào)速為階梯式有級(jí)調(diào)速，速度調(diào)節(jié)范圍窄，平滑性差；啟動(dòng)制動(dòng)電流大，對(duì)電機(jī)、電網(wǎng)有較大沖擊；低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子回路很大的轉(zhuǎn)差功率全部消耗于轉(zhuǎn)子電阻中，使其嚴(yán)重發(fā)熱；當(dāng)其載荷下放時(shí)，載荷具有的勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芟挠谵D(zhuǎn)子電阻中，造成能量嚴(yán)重浪費(fèi)；故障率高，維護(hù)維修困難。通過實(shí)踐與研究，本文設(shè)計(jì)基于WTCT（weight，torque，

current，time）回饋節(jié)能型提升裝置變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，可以有效解決重物下放時(shí)能量浪費(fèi)及系統(tǒng)安全可靠性等問題。

1 控制系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

根據(jù)提升裝置控制、通訊及記錄的需要，該控制系統(tǒng)由工控機(jī)、觸摸屏、PLC、變頻器和逆變回饋單元組成，如圖1所示。功率傳動(dòng)部分由變頻器配合逆變回饋單元驅(qū)動(dòng)鼠籠式電動(dòng)機(jī)，采用變頻調(diào)速方式，解決傳統(tǒng)提升裝置在低速運(yùn)行時(shí)繞線電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差功率大、轉(zhuǎn)子電阻嚴(yán)重發(fā)熱等問題?？刂葡到y(tǒng)變頻回饋電路如圖2所示。

提升裝置提升重物時(shí)，電動(dòng)機(jī)使重物提升具有勢(shì)能；重物下放時(shí)，釋放其勢(shì)能[1]。通過電動(dòng)機(jī)發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)回饋到變頻器，回饋的能量使變頻器內(nèi)部電容器兩端直流電壓升高。當(dāng)直流電壓升到逆變回饋單元?jiǎng)幼鏖撝禃r(shí)，逆變回饋單元投入工作，將電能通過逆變方式回饋到交流電網(wǎng)，釋放直流側(cè)的能量，避免變頻器直流電路過電壓。同時(shí)因直流回路的能量是通過逆變裝置回饋到電網(wǎng)，而不是像傳統(tǒng)提升裝置通過繞線式電動(dòng)機(jī)消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，因而控制系統(tǒng)效率得以顯著提高。提升裝置的負(fù)載越重、工作越頻繁，逆變回饋單元回饋電網(wǎng)的電能越多，節(jié)能效果越顯著。通過采用變頻回饋技術(shù)，使提升裝置能量損耗減少，工作效率提高，控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定性增加，起制動(dòng)電流沖擊減少，使用壽命延長。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 控制系統(tǒng)變頻回饋電路

2 PLC控制系統(tǒng)

回饋節(jié)能型提升裝置采用變頻控制方式，使控制系統(tǒng)具有良好的控制精度和調(diào)速性能，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)高精度穩(wěn)定運(yùn)行和連續(xù)平滑調(diào)速，并具有可靠的安全保證。

PLC控制系統(tǒng)采用OMRON公司CP1H來完成系統(tǒng)的邏輯、時(shí)間和順序控制，使其具有完善的過電壓、過電流和缺相等保護(hù)措施，以及事故報(bào)警、自診斷、事件記錄等功能。PLC有兩個(gè)通訊端口：一個(gè)與變頻器之間進(jìn)行通訊，另一個(gè)用于上位機(jī)后臺(tái)監(jiān)控、診斷、管理和系統(tǒng)調(diào)試。P L C輸入端接收提升裝置采集的各種信號(hào)，如電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方向、速度給定信號(hào)，提升裝置的實(shí)時(shí)位置、極限位置保護(hù)狀態(tài)及電動(dòng)機(jī)、變頻器故障等信號(hào)。PLC綜合上述信息，通過內(nèi)部邏輯運(yùn)算發(fā)出控制指令，指揮變頻器的動(dòng)作，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，同時(shí)由觸摸屏作為數(shù)據(jù)與狀態(tài)顯示器，使用現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取和修改控制。PLC控制系統(tǒng)精度高，可加快現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息采集速度，提高管理的有效性?？刂葡到y(tǒng)由程序取代了繼電—接觸式控制方式，在控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中可實(shí)時(shí)檢測(cè)通訊、保護(hù)、運(yùn)行和測(cè)量信號(hào)，提高了安全性和可靠性[2-3]；通過PLC控制簡(jiǎn)化線路結(jié)構(gòu)，減少安裝、調(diào)試和維護(hù)工作量，降低因硬件和控制線路過多產(chǎn)生的故障。PLC控制系統(tǒng)流程如圖3所示。

3 控制系統(tǒng)保護(hù)與遠(yuǎn)程通訊

圖3 PLC控制系統(tǒng)流程

重物在懸停狀態(tài)下進(jìn)行提升移動(dòng)時(shí)，如控制不當(dāng)則可能發(fā)生下滑，此時(shí)可采取以下措施：一是在提升裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的卷筒上加裝混合式光電編碼器，將光電脈沖信號(hào)通過高速計(jì)數(shù)口送入P L C，根據(jù)脈沖相位與數(shù)量檢測(cè)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與速度，決定電磁抱閘工作狀態(tài)。二是提升裝置在打開電磁抱閘前檢測(cè)變頻器控制的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，電動(dòng)機(jī)輸出提升轉(zhuǎn)矩不足以克服負(fù)載重力時(shí)，電磁抱閘不能打開。

3.1 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向判定

光電編碼器輸出信號(hào)送入PLC高速計(jì)數(shù)口，PLC計(jì)算電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，檢測(cè)光電編碼器所發(fā)出的A和B脈沖相位，判斷電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方向[4-5]，如圖4所示。電動(dòng)機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖A超前脈沖B，反之脈沖A滯后脈沖B，當(dāng)檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行方向與給定方向不一致時(shí)，電磁抱閘瞬間抱緊，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖4 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向檢測(cè)

PLC通過旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖，采用M-T法計(jì)算電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。在一定時(shí)間內(nèi)采樣編碼器脈沖A（或脈沖B）的數(shù)目，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為。其中，P0為光電編碼器每周發(fā)出的脈沖數(shù)，T為PLC內(nèi)部采樣周期，m1為采樣周期內(nèi)測(cè)得的脈沖數(shù)值，k為測(cè)量周期系數(shù)。

3.2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制

提升裝置中，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電磁抱閘的配合十分重要。尤其提升裝置提升重物時(shí)，如果電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與電磁抱閘控制稍有偏差，就有可能發(fā)生“溜鉤”現(xiàn)象。為精確電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與電磁抱閘的配合，控制系統(tǒng)采用WTCT控制法，即以提升重物的重量、電動(dòng)機(jī)電流、電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩作為控制變量，計(jì)算出最佳的電磁抱閘釋放時(shí)刻，以保證提升動(dòng)作的安全可靠。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出提升重物命令時(shí)，首先根據(jù)測(cè)重傳感器檢測(cè)物體重量，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)所需提升轉(zhuǎn)矩，然后檢測(cè)變頻器輸出電流，計(jì)算出對(duì)應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩，控制電磁抱閘放松延遲時(shí)間，在確定滿足提升要求時(shí)，方可松開電磁抱閘。提升重物運(yùn)行時(shí)，P L C實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方向，并與PL C發(fā)出的指令方向進(jìn)行對(duì)比，一旦發(fā)現(xiàn)異常立刻切斷電磁抱閘供電回路，使電磁抱閘瞬間抱緊，從根本上防止“溜鉤”事故的發(fā)生。

控制系統(tǒng)運(yùn)行期間，P L C從高速口檢測(cè)脈沖進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)提升和下放速度。當(dāng)檢測(cè)到運(yùn)行速度超出預(yù)設(shè)數(shù)值時(shí)，P L C立即發(fā)出命令，調(diào)整變頻器輸出，降低轉(zhuǎn)速；在設(shè)定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速未降至給定速度值，則發(fā)出停止指令，配合外部設(shè)備使電磁抱閘抱緊，有效地防止了因超速引發(fā)的事故。

3.3 遠(yuǎn)程通訊

當(dāng)多臺(tái)不同型號(hào)、規(guī)格的提升裝置同時(shí)工作時(shí)，控制系統(tǒng)可由一臺(tái)工控機(jī)作為上位機(jī)實(shí)現(xiàn)管理功能。通過組態(tài)王管理軟件進(jìn)行信息統(tǒng)計(jì)、編輯、存檔、制作報(bào)表，同時(shí)將數(shù)據(jù)信息傳輸給上位管理系統(tǒng)。工控機(jī)連接發(fā)射器、接收器、中繼器構(gòu)成無線通訊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制和數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)每臺(tái)提升裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖5所示。上位管理系統(tǒng)也可根據(jù)每臺(tái)提升裝置的工作狀況，綜合調(diào)配整個(gè)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)WTCT控制下高效節(jié)能的目的。

圖5 工控機(jī)無線傳輸系統(tǒng)

4 結(jié)束語

將基于W T C T回饋節(jié)能型提升裝置控制系統(tǒng)應(yīng)用于某鋼鐵集團(tuán)，運(yùn)行結(jié)果表明，該提升裝置控制系統(tǒng)高效節(jié)能，總節(jié)電效率提高30%以上，而且從未發(fā)生過“溜鉤”事故，安全可靠，有很大的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

[1]段蘇振.交流變頻調(diào)速技術(shù)在門式起重機(jī)中的應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng)，2005，35(1):56-62.

[2]謝樹林，曲永印，樊生文，等.回饋裝置在變頻吊車節(jié)能中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)雜志，2003，3(4):33-34，48.

[3]曲永印，邵世煌，謝樹林，等.網(wǎng)絡(luò)化智能型變頻節(jié)能起重機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].控制工程，2006，13(3):230-232.

[4]周秀君，鄧榆林.基于PLC的高可靠性電機(jī)測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微電機(jī)，2008，41(6):62-63.

[5]劉廷霞，姜潤強(qiáng)，余毅，等.基于CPLD的全數(shù)字測(cè)速法[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，27(3):74-75.

[責(zé)任編輯：?jiǎn)叹S德]

Research on Control System Based on WTCT Feedback Energy-saving Lifting Device

XIE Shulin
(Electric and Electronic Engineering Department, Wenzhou Vocational & Technical College,
Wenzhou, 325035, China)

In terms of the problems of energy waste, backword controlling way and the low automatic level of traditional lifting device, a control system is designed based on WTCT feedback energy-saving lifting device. The result shows that this system is efficient, energy-saving and reliable, and is high in automatic control and convenient in maintenance.

Lifting device; WTCT; PLC; Control system

TP273

A

1671-4326(2013)02-0048-03

2013-02-04

溫州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2011G0029）

謝樹林（1955—），男，吉林長春人，溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系教授.