摘要：介绍了三台电机同步控制的用于多自由度升降旋转舞台的几种悬挂输送链方案,重点论证了可编程控制器(PLC)及变频器在悬挂输送链同步控制中的应用。由于使用了位置与速度双闭环控制、触摸屏(POD)显示和独特的子程序设计,系统具有安全可靠、高效平稳、功能完善、操作维修简便等优点,在多自由度升降旋转舞台取得了良好效果。
关键词：同步控制,悬挂输送链,可编程控制器,变频器,触摸屏POD,闭环控制
搭建升降旋转舞台，选择悬挂输送链是一种理想的方式。要保证输送链能正常工作,每一部分输送链的移动速度必须相同,也就是同步,否则各个电机在所承担的负荷畸轻畸重情况下速度差异很大,设备无法正常运行。输送链(模锻可拆链)的同步控制在这个行业内一直是一个令人关注的话题,从笔者了解的一些情况来看,由于负载重且变化大、工作环境恶劣,其故障概略远大于其他类型机械的同步控制。
1任务要求
1)输送链长度560m,最高运行速度6m/min。工作时间一星期7天,每天16小时,工作环境温度0～40℃。最大吊挂重量100kg/80cm,整线最大吊挂重量70t。
2)输送链整线分成3个部分,由三台功率为3kW的电机分别驱动,要求3个部分的输送链要同步运行。
2同步控制方案与论证
2.1三电机同步控制方案
1)简单的把要控制的三个电机的功率加起来乘一个1.2到1.5之间的系数,以此数值选一变频器,用这一台变频器直接驱动三台电机。
2)用市面有售的同步控制器,用同步控制器发速度指令给三台变频器,每台变频器驱动一台电机。
3)用三台变频器,在一号电机上加PG卡及编码器(增量式A、B相,PC、12/15v1024p/r),以1#电机为主电机,2#、3#电机以1#电机速度为基准;方向指令同时加到三台变频器。1#电机矢量控制方式闭环运行,2#电机、3#电机开环v/f控制加转差补偿。
4)用三台变频器,在每个电机上加PG卡及编码器(规格同上),1#电机为主电机,2#、3#电机以1#电机速度、转矩为基准;方向指令同时加到三台变频器。1#电机以速度控制方式闭环运行,2#电机、3#电机以转矩控制方式闭环运行。
5)用PLC控制,控制转速的指令由PLC的DA转换模块以直流0～10V形式向驱动电机的变频器发出,在每一个电机用编码器或测速齿轮加接近开关测量其实际转速并反馈给PLC,以第一电机实际转速为基准,PLC根据测量到的2#电机、3#电机的实际转速经运算处理后向控制2#电机和3#电机的变频器发出修正指令,保证3台电机实际转速趋于一致。
2.2分析
三相异步电动机的工作原理是定子上对称三相绕组中通以对称三相交流电流时产生旋转磁势及相应的旋转磁场,这种旋转磁场以同步转速ns切割转子绕组,则在转子绕组中感应出电势及电流,转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁转矩,使转子旋转。因为只有在转子与旋转磁场有相对运动时,才能在转子绕组中感应出电势及电流,所以异步电动机的转速n与旋转磁场的同步转速n0之间总存在转差(n0-n),这是异步电动机运行的必要条件,通常用转差率S来表示这一转差与同步转速之比。异步电动机的实际转速n=(1-S)60f/p,(公式中f为电源频率,p为电机极对数),通常电机空载转差率约为0.5%,满载转差率约为5%。
异步电动机在负载增大时,实际转速有所下降,转差率增大,转子电势增大,转子电流随之增大,以产生更大一点的电磁转矩与负载转矩平衡。因此三相异步电机在负载变化时转差率也有变化,同样规格的电机在接受相同的指令时负载大的转差率大转速低,负载小的转差率小转速高。
在实际运行中输送链负载的变化是很大的。因为在输送链中存在转弯、高度升降,即使在输送链在空载时三个电机的负载也不是完全相等的,在生产过程中变化更大,尤其是在开始生产也就是向空线吊挂工件时(此时1#电机负载大于2#电机、而2#电机负载大于3#电机),生产结束开始也就是向输送链不挂只卸工件时(此时3#电机负载大于2#电机、而2#电机负载大于1#电机),及在换品种时(新工件与老工件重量有差异)也会发生以上的情况。
2.3论证
第一种方法和第二种方法均是开环控制。第一种方法只适用于各电机负载相同和同步要求不太高的场合,第二种方法实际上只是把同一个速度给定信号简单复制几份或者按比例复制几份加到相应变频器上,它只适用于各电机负载相同或各电机负载不相同但负载不变而且同步要求不太高的场合。
第三种方法是半闭环控制,控制精度好于前两种,但也只适用于各电机负载相同或各电机负载不相同但负载不变而且同步要求不太高的场合。
第四种控制方式和第五种控制方式均是闭环控制,基本能满足控制要求。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆比较起来,第四种控制方式以控制转矩为主,追
求各电机转矩及速度同步,但配置价格较高;第五种控制方式以控制各电机速度为主,配置价格较经济。
由于560m的悬挂输送链是由1000多节40cm的链条联接而成,在吊挂工件后链条会有一些伸长,在悬挂输送链有两段温度高达150℃以上,还有几段凉水喷淋或强迫风冷的地方,温度因数也会造成链条伸长或收缩,由于链条节数较多,即使每节微小长度的变化累积起来也会使三台实际转速同步的电机驱动的三部分链条的移动速度不相同。为此,必须对同步控制作一些修正。
因此,我们在经反复比较和考虑后决定对三电机采用第五种控制方式,即速度闭环控制。另外为了保证整个输送链的同步,在速度闭环控制的基础上加上补充调节,该补充调节具体来说是在悬挂输送链的每一个张紧伸缩节处安装了四个接近(限位)开关(稍快、很快、稍慢、很慢),PLC根据每一个张紧伸缩节处的接近开关接通状况向各电机发出相应的速度修正指令,修正指令根据我们现场调试的经验而得到,这些指令优先执行,以实现张紧伸缩节位置环闭环模糊控制。这是我们这个控制系统的创新点,因此,该悬挂输送链同步控制采用了位置及速度双闭环控制。
悬挂输送链的几个部分速度不同步或由于机械原因造成链条滑轮卡死会造成张紧伸缩节处拉伸或压缩过度,从而引起机械故障,为此,我们在每一个张紧伸缩节处安装了一个极限位接近开关(加上前面四个,每个张紧伸缩节共用了五个接近开关),它可在张紧伸缩节处拉伸或压缩达到一定程度时停止整线的运行,另外,如果三台变频器的一台报警,整线的运行也将停止,这样可有效地避免引起机械故障。
3系统实现的功能
当把“自动运行”按钮按下时,PLC根据系统有无报警发生以及报警是否在运行中发生,来决定系统能否启动和是否按子程序启动。如无报警发生,则三个电机按预设方案同时启动,输送链开始移动,为了减少冲击力,电机缓慢起动后,先在低速运行3s,然后加速至设定速度运行。在运行过程中,开始时,PLC的模拟量输出单元给每个控制电机的变频器的速度指令是相同的,之后,PLC每0.5s对三个电机采集一次实际转速数据,以第一台为基准对其他两台电机转速进行比较,算出差额,经CPU处理后,再向控制第二台和第三台电机的变频器发出修正后的速度指令,使其的速度与第一台的速度趋于一致。这是速度闭环控制。
PLC在某一部分的“稍快”开关接通时,即将相应的电机的转速以设定转速为基准增加3%,如果这个信号未消失,那么以后每0.5s将相应的电机转速增加1%;PLC在某一部分的“很快”开关接通时,即将相应的电机转速以设定转速为基准增加9%,如果这个信号未消失,那么以后每0.5s将相应的电机转速增加3%,直至信号消失。反之,PLC在某一部分的“稍慢”开关接通时,即将相应的电机转速以设定转速为基准减少3%,如果这个信号未消失,那么以后每0.5s将相应的电机转速减少1%;PLC在某一部分的“很慢”开关接通时,即将相应的电机转速以设定转速为基准减少9%,如果这个信号未消失,那么以后每0.5s将相应的电机转速减少3%,直至信号消失。这是位置环闭环模糊控制,这些数据是根据现场调试的经验而得到。
在触摸屏上可设定第一电机的转速(只有特定人员可进行此操作),如不重新设定,每次开机时执行上次已设定的转速。在触摸屏上可显示每个电机的实际转速,显示每一个张紧伸缩节处的状况(正常、稍快、很快、稍慢、很慢),显示报警状况并提示检修部位。
4结束语
此系统的特点是:1)由于使用了触摸屏POD,可用数字量来设定电机的速度,可用POD监测整个系统的运行状况及报警,易于操作和检修维护。2)由于采用了位置及速度双闭环控制,同步控制精度较高,系统反应速度较快,在应对负载变化大而且各部分负载不均衡的恶劣情况时,也能避免各电机速度的大起大落,这一方面避免在输送链中产生大的应力,另一方面也使输送链运行非常平稳,大大地提高了系统的可靠性。3)由于独特的子程序设计,解决了因非机械故障引起位置极限开关报警要人为干预才能起动这个令使用者非常头疼的问题,提高了设备的使用效率。
参考文献：
[1]钟福金,吴晓梅.可编程序控制器[M].南京:东南大学出版社,2002.
[2]顾绳谷.电机与拖动基础[M].北京:机械工业出版社,2003.
[3]胡寿松.自动控制原理[M].北京:科学出版社,2002.
[4]李浚源,等.电力拖动基础[M].武汉:华中理工大学出版社,2004.
[5]李向东.电气控制与PLC[M].北京:机械工业出版社,2005.
[6]陈建明.电气控制与PLC应用[M].北京:电子工业出版社,2006.
[7]王也仿.可编程控制器应用技术[M].北京:机械工业出版社,2004.
[8]廖常初.可编程控制器应用技术[M].重庆:重庆大学出版社,2002.
[9]方承远.工厂电气控制技术[M].北京:机械工业出版社,2005.
[10]魏召刚.工业变频器原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2006.
论文作者:孙博
论文发表刊物:《电力设备》2017年第14期
论文发表时间:2017/9/4
标签：电机论文; 转速论文; 负载论文; 闭环论文; 速度论文; 变频器论文; 输送链论文; 《电力设备》2017年第14期论文;