基于WTCT回饋節能型提升裝置的控制系統研究

謝樹林

（溫州職業技術學院 電氣電子工程系，浙江 溫州 325035）

基于WTCT回饋節能型提升裝置的控制系統研究

謝樹林

（溫州職業技術學院 電氣電子工程系，浙江 溫州 325035）

針對傳統提升裝置存在能量浪費、控制方式落后、自動化水平低等問題，設計基于WTCT回饋節能型提升裝置控制系統。運行結果表明，該控制系統高效節能、性能可靠，自動化控制水平高，維護維修方便。

提升裝置；WTCT；PLC；控制系統

0 引 言

在工礦企業的生產和日常生活中會使用多種提升裝置，如起重吊車、電梯和各種升降機等，這些提升裝置與生產、生活密切相關?，F在使用的提升裝置大多數由繞線式電動機拖動，由繼電接觸器電路改變轉子電阻的阻值，實現階梯調速。傳統提升裝置存在以下問題：由主令開關控制繞線式異步電動機，有觸點控制，可靠性能差；調速為階梯式有級調速，速度調節范圍窄，平滑性差；啟動制動電流大，對電機、電網有較大沖擊；低速運行時轉子回路很大的轉差功率全部消耗于轉子電阻中，使其嚴重發熱；當其載荷下放時，載荷具有的勢能轉變為電能消耗于轉子電阻中，造成能量嚴重浪費；故障率高，維護維修困難。通過實踐與研究，本文設計基于WTCT（weight，torque，

current，time）回饋節能型提升裝置變頻調速控制系統，可以有效解決重物下放時能量浪費及系統安全可靠性等問題。

1 控制系統構成及工作原理

根據提升裝置控制、通訊及記錄的需要，該控制系統由工控機、觸摸屏、PLC、變頻器和逆變回饋單元組成，如圖1所示。功率傳動部分由變頻器配合逆變回饋單元驅動鼠籠式電動機，采用變頻調速方式，解決傳統提升裝置在低速運行時繞線電動機轉差功率大、轉子電阻嚴重發熱等問題。控制系統變頻回饋電路如圖2所示。

提升裝置提升重物時，電動機使重物提升具有勢能；重物下放時，釋放其勢能[1]。通過電動機發電運行狀態回饋到變頻器，回饋的能量使變頻器內部電容器兩端直流電壓升高。當直流電壓升到逆變回饋單元動作閾值時，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，釋放直流側的能量，避免變頻器直流電路過電壓。同時因直流回路的能量是通過逆變裝置回饋到電網，而不是像傳統提升裝置通過繞線式電動機消耗在轉子電阻上，因而控制系統效率得以顯著提高。提升裝置的負載越重、工作越頻繁，逆變回饋單元回饋電網的電能越多，節能效果越顯著。通過采用變頻回饋技術，使提升裝置能量損耗減少，工作效率提高，控制系統工作穩定性增加，起制動電流沖擊減少，使用壽命延長。

圖1 控制系統結構

圖2 控制系統變頻回饋電路

2 PLC控制系統

回饋節能型提升裝置采用變頻控制方式，使控制系統具有良好的控制精度和調速性能，在整個調速范圍內均能實現高精度穩定運行和連續平滑調速，并具有可靠的安全保證。

PLC控制系統采用OMRON公司CP1H來完成系統的邏輯、時間和順序控制，使其具有完善的過電壓、過電流和缺相等保護措施，以及事故報警、自診斷、事件記錄等功能。PLC有兩個通訊端口：一個與變頻器之間進行通訊，另一個用于上位機后臺監控、診斷、管理和系統調試。P L C輸入端接收提升裝置采集的各種信號，如電動機運行方向、速度給定信號，提升裝置的實時位置、極限位置保護狀態及電動機、變頻器故障等信號。PLC綜合上述信息，通過內部邏輯運算發出控制指令，指揮變頻器的動作，并將實時數據傳送給上位機，同時由觸摸屏作為數據與狀態顯示器，使用現場人機界面實現數據的實時讀取和修改控制。PLC控制系統精度高，可加快現場設備的信息采集速度，提高管理的有效性?？刂葡到y由程序取代了繼電—接觸式控制方式，在控制系統運行過程中可實時檢測通訊、保護、運行和測量信號，提高了安全性和可靠性[2-3]；通過PLC控制簡化線路結構，減少安裝、調試和維護工作量，降低因硬件和控制線路過多產生的故障。PLC控制系統流程如圖3所示。

3 控制系統保護與遠程通訊

圖3 PLC控制系統流程

重物在懸停狀態下進行提升移動時，如控制不當則可能發生下滑，此時可采取以下措施：一是在提升裝置傳動機構的卷筒上加裝混合式光電編碼器，將光電脈沖信號通過高速計數口送入P L C，根據脈沖相位與數量檢測電動機旋轉方向與速度，決定電磁抱閘工作狀態。二是提升裝置在打開電磁抱閘前檢測變頻器控制的電動機轉矩是否滿足要求，電動機輸出提升轉矩不足以克服負載重力時，電磁抱閘不能打開。

3.1 電動機轉向判定

光電編碼器輸出信號送入PLC高速計數口，PLC計算電動機的旋轉速度，檢測光電編碼器所發出的A和B脈沖相位，判斷電動機運行方向[4-5]，如圖4所示。電動機順時針旋轉時，脈沖A超前脈沖B，反之脈沖A滯后脈沖B，當檢測到電動機實際運行方向與給定方向不一致時，電磁抱閘瞬間抱緊，同時發出報警信號。

圖4 電動機轉向檢測

PLC通過旋轉編碼器脈沖，采用M-T法計算電動機旋轉時的實時轉速。在一定時間內采樣編碼器脈沖A（或脈沖B）的數目，電動機轉速計算公式為。其中，P0為光電編碼器每周發出的脈沖數，T為PLC內部采樣周期，m1為采樣周期內測得的脈沖數值，k為測量周期系數。

3.2 電動機轉矩控制

提升裝置中，電動機的電磁轉矩與電磁抱閘的配合十分重要。尤其提升裝置提升重物時，如果電動機輸出轉矩與電磁抱閘控制稍有偏差，就有可能發生“溜鉤”現象。為精確電動機輸出轉矩與電磁抱閘的配合，控制系統采用WTCT控制法，即以提升重物的重量、電動機電流、電動機電磁轉矩作為控制變量，計算出最佳的電磁抱閘釋放時刻，以保證提升動作的安全可靠。當系統發出提升重物命令時，首先根據測重傳感器檢測物體重量，計算出電動機所需提升轉矩，然后檢測變頻器輸出電流，計算出對應電磁轉矩，控制電磁抱閘放松延遲時間，在確定滿足提升要求時，方可松開電磁抱閘。提升重物運行時，P L C實時監測電動機運行方向，并與PL C發出的指令方向進行對比，一旦發現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”事故的發生。

控制系統運行期間，P L C從高速口檢測脈沖進行轉速計算，實時監測電動機提升和下放速度。當檢測到運行速度超出預設數值時，P L C立即發出命令，調整變頻器輸出，降低轉速；在設定時間內轉速未降至給定速度值，則發出停止指令，配合外部設備使電磁抱閘抱緊，有效地防止了因超速引發的事故。

3.3 遠程通訊

當多臺不同型號、規格的提升裝置同時工作時，控制系統可由一臺工控機作為上位機實現管理功能。通過組態王管理軟件進行信息統計、編輯、存檔、制作報表，同時將數據信息傳輸給上位管理系統。工控機連接發射器、接收器、中繼器構成無線通訊系統，實現遠距離控制和數據傳輸，對每臺提升裝置進行實時監控，如圖5所示。上位管理系統也可根據每臺提升裝置的工作狀況，綜合調配整個控制系統的工作狀態，實現WTCT控制下高效節能的目的。

圖5 工控機無線傳輸系統

4 結束語

將基于W T C T回饋節能型提升裝置控制系統應用于某鋼鐵集團，運行結果表明，該提升裝置控制系統高效節能，總節電效率提高30%以上，而且從未發生過“溜鉤”事故，安全可靠，有很大的市場推廣價值。

[1]段蘇振.交流變頻調速技術在門式起重機中的應用[J].電氣傳動，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能中的應用[J].電工技術雜志，2003，3(4):33-34，48.

[3]曲永印，邵世煌，謝樹林，等.網絡化智能型變頻節能起重機系統及其應用[J].控制工程，2006，13(3):230-232.

[4]周秀君，鄧榆林.基于PLC的高可靠性電機測速系統設計[J].微電機，2008，41(6):62-63.

[5]劉廷霞，姜潤強，余毅，等.基于CPLD的全數字測速法[J].長春理工大學學報，2004，27(3):74-75.

[責任編輯：喬維德]

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

溫州市科技計劃項目（2011G0029）

謝樹林（1955—），男，吉林長春人，溫州職業技術學院電氣電子工程系教授.