無人天車電氣控制系統中的變頻器選擇與PLC通信

詹 博

（河鋼唐鋼能源環保部 河北 唐山 063000）

1 引言

冶金天車在惡劣復雜的環境下工作時間過長，電氣設備老化，且控制系統不精確、不完善，導致天車在運行時事故率增加，影響生產的順利進行。優化天車的電氣控制系統，可降低事故率，保障生產連續性。

2 無人天車結構及電氣系統簡介

2.1 無人天車結構

天車設備由大車電動機驅動，沿車間兩邊的軌道作縱向前后運動；小車及提升機構由小車電動機驅動，沿橋架上的軌道作橫向左右運動；無人天車在作業時，主要有起重機驅動進行垂直方向的運動。通過機械與電氣控制設備的配合，天車實現重物在垂直、橫向、縱向三個方向的運動。

2.2 無人天車電氣系統

PLC無人天車電氣系統主要由六大模塊組成：

（1）配電保護模塊；（2）主起升機構模塊；（3）副起升機構模塊；（4）大車運行機構模塊；（5）小車運行機構模塊；（6）PLC控制模塊。

以上模塊包括了PLC控制系統、變頻器、同步與糾偏系統、制動器的控制和安全保護系統等。首先操控聯動臺上的主令控制器手動控制裝置，通過MPI總線與PLC的CPU通信，并把發出的指令信號傳給PLC模塊，CPU根據這些指令信號，經過處理后進行相應的控制信號輸出，傳遞到各種控制器中。各種控制器帶動接觸器，從而對天車各控制部分的機構進行有效的運行模式控制。同時，天車上的各限位開關信號發所有的信息反饋給PLC，做好天車作業時的安全保障。系統總圖如圖1。

圖1 系統總圖

3 PLC無人天車電氣控制系統設計

本文從變頻器選擇、PLC程序選擇與設計、備用應急系統、電氣同步與自動糾偏、安全保護5個方面介紹PLC無人天車電氣控制系統的設計方法和步驟。

圖2 無人天車控制原理圖

3.1 變頻器選擇

無人天車各機構選用FR-A740系列變頻器，相比于通用型變頻器，其性能具有以下優點：

3.1.1 軟件性能更優化 核心控制程序針對變量負載在速度控制、轉矩控制、電氣制動等方面做了更深入的優化。

3.1.2 安全性能好，自身保護功能齊全。提高了安全性能。

3.1.3 具有限流作用，可以減少啟動時對電網沖擊。

3.1.4 零速全轉矩功能。吊鉤由運行狀態降為零速時，系統先產生一定的轉矩并確認轉矩的產生，直到電磁制動器將電動機軸抱住為止，從而防止溜鉤。

3.2 PLC程序選用及設計

根據輸入輸出信號的數量、參數和性能要求，PLC選用西門子S7-200CN系列控制器，并采用塊式編程，除了具有極高的可靠性、豐富的功能指令集合外，還具有以下優點：

3.2.1 具有6個獨立的30kHz高速計數器，用于將二進制碼轉換成起升高度，同時對起升高度偏差調整更加細微化，使天車設備運行更加平穩。

3.2.2 具有2個RS485通訊編程口，使得變頻器開關量控制功能更強大，用于變頻器起停和速度給定的開關量控制更加多樣化；具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊能力，變頻器通信控制功能增強，同時增強了小車及升降機構的各種控制系統。

3.2.3 備用應急系統 為防止緊急情況下總線干纜上某點出現損壞，系統還配備了一套相匹配的控制系統，保證在出現緊急情況時， 作業也不會被終止。

目前一般無人天車PLC和變頻器控制系統設置有兩套控制系統，一套采用總線通信，用于正常的操作作業；另一套采用開關量控制，用于應急作業。遇到總線緊急情況時，PLC可以切換兩套參數，將總線通信切換至開關量控制，并反饋給主操作界面總線通信故障信號。兩套參數在作業速度給定上完全相同，從作業操作角度感覺不出兩套參數的切換，在接受到報警信號之后由專業人員排查總線通信故障，故障消除后切換到總線控制模式。

3.2.4 自動糾偏與電氣同步 對于雙溝式無人天車，在啟動作業模式后，系統進入自動糾偏模式，以保證雙鉤作業位置的同步。當偏斜量超過系統限定值后，糾偏指令發生器則進行工作。但PLC系統并不是動態實時糾偏，而是采用設置兩個閾值對天車進行有效的糾偏控制。

3.5 安全保護

3.5.1 安全門開關連鎖保護 在無人天車橋機兩側端梁及平臺處設置3只安全門開關，只有所有開關均處于閉合狀態，才可以保證天車的有效運行。再打開狀態時，接觸器不可以進行工作?？偨佑|器處于吸合狀態時，這些門任何一個被打開，均會使控制回路不具備條件導致接觸器釋放，從而可實現無人天車工作人員免受天車設備意外的突然起動所造成的危害。

3.5.2 變頻器部分的保護 選用的FR-A740系列變頻器本身具有短路、過載、過壓、缺相、失速等多種保護和故障輸出功能，可以有效的對天車進行各種故障的監視和信息通信。

3.5.3 行程保護 所有的運動機構部分都設定相應的限位保護，包括主副其中勾，大車運行和小車運行。一旦觸碰限位開關，即可會切斷運行方向的電源，此時天車只可以往相反的方向運行。

3.5.4 超載保護 當天車作業時起重量超過天車設計的95%時，就會出現報警，一旦超過限重就會自動停止運轉，此時起重機只能下降，不可以進行上升操作。

4 結語

將PLC可編程控制和變頻器控制技術綜合起來應用于無人天車控制系統，可以使天車設備的調速性能、節能和運行效率以及安全性方面得到明顯提高。隨著工業化進程的快速發展，PLC和變頻器系統的無人天車正越來越多的運用在各個行業，其發展速度也是日新月異。

[1]胡斐然，盧杰.變頻器在起重設備控制系統上的應用[J].包鋼科技，2017(04).

[2]楊勛.煉鋼行車定位及智能調度系統應用[J].電子世界，2017(16).

[3]么坤.唐鋼高強汽車板成品庫無人天車自動下線過程控制系統設計與應用[J].電子世界，2017(16).

[4]王曉曦，羅會信，黨章，徐衛文，章勤奮.350t鑄造起重機主梁端部開裂機理研究[J].機械強度，2017(05).