西门子模块6ES7321-7BH01-0AB0型号规格

西门子模块6ES7321-7BH01-0AB0型号规格

一、原系统分析：
桥式起重机情况:
桥式起重机(天车)是一种用来起吊、放下和搬运重物、并使重物在一定距离内水平移动的起重、搬运设备，在生产过程中有着重要应用。5吨桥式起重机，原设备电气驱动系统分为起重机升降、小车、大车三部份。其中起重机升降由一台13kW的绕线式异步电动机驱动，大车由两台4 kW绕线式异步电动机、小车由一台2.5 kW绕线式异步电动机驱动。在原传动控制中，采用转子串接电阻的调速方式.由于工作环境差,粉尘和有害气体对电机的集电环、电刷和接触器腐蚀性大，加上工作任务重,实际过载,由于冲击电流偏大,容易造成电动机触头烧损、电刷冒火、电动机及转子所串电阻烧损和断裂等故障, 影响现场生产和安全,工人维修量和产生的维修费用也很高.并且原调速方式机械特性较差,调速不够平滑，所串电阻长期发热浪费能量。综上所述原设备存在的主要缺点如下：
（1） 拖动电动机容量大，起动时电流对电网冲击大，电能浪费严重。
（2） 起重机升降、小车、大车起动、停止速度过快，而且都是惯性负载，机械冲击也较大，机械设备使用寿命缩短，操作人员的安全系数较差，设备运行可靠性较低。
（3） 由于电动机一直在额定转矩下工作，而每次升降的负载是变化的，因此容易造成比较大的电能浪费。
（4） 起重机每天需进行大量的装卸操作，由于绕线式电机调速是通过电气驱动系统中的主要控制元件---交流接触器来接入和断开电动机转子上串接的电阻，切换十分频繁，在电流比较大的状态下，容易烧坏触头。同时因工作环境恶劣，转子回路串接的铜电阻因灰尘、设备振动等原因经常烧坏、断裂。因而设备故障率比较高，维修工作量比较大。同样小车、大车的运转也存在上述问题。
（5） 在起重机起升的瞬间，升降电动机有时会受力不均匀，易过载，直接造成电机损坏或者钢丝绳断裂。
（6） 为适应起重机的工况，起重机的操作人员经常性的反复操作，起重机的电器元件和电动机始终处于大电流工作状态，降低了电器元件和电动机的使用寿命。
（7） 起重机工作的协调性主要靠操作人员的熟练程度。由于升降、大车、小车三个凸轮控制器之间没有固定的联系，在起重机工作时操作人员劳动强度比较大，容易疲劳，易产生误操作。
针对上述现有技术存在的不足，本次改造的起重机采用**的可编程控制技术（PLC）和变频器技术，以程序控制取代继电器----接触器控制，交流电动机调速方式采用变频调速，进而实现了起重机的半自动化控制。
二、改造方案：
交流电动机的调速方式很多,针对上述现有技术存在的不足，综合各种性能较佳者为变频调速方式。
2.1拖动系统
1、电动机选型
A.大车与小车用电动机 可选用普通的笼型转子异步电
动机；
B.升降用电动机 由于要求比较高，应选用变频专用的笼
型转子异步电动机。
原设备系统采用的是绕线式异步电动机，出于经济方面的考虑，通过短接转子回路也能进行使用。
2、调速方法
采用目前**技术具有矢量控制功能的变频调速系统。变频后转速可以分档控制，一般采用6段速度运行，从低到高自由切换。
3、制动方式
采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。
A.首先，通过变频器调速系统的再生制动和直流制动把运动中的大车、小车和起重机的速度迅速而准确地降到0(使它们停止) ；
B.对于起重机，常常会有重物在半空中停留一段时间（如重物在半空中平移），而变频调速系统虽然能使重物静止，但因设备容易受到外界因素的干扰，（如在平移过程中常易出现的瞬间断电）因此，利用电磁制动器进行机械制动仍然是必须的。

2．2变频调速系统的控制要点
桥式起重机拖动系统的控制动作包括：大车的左、右行走及速度档位；小车的前、后行走及速度档位；起重机的升、降及速度档位等。所有这些，都可以通过可编程序控制器（PLC）进行无触点控制。
桥式起重机控制系统中需要引起注意的是关于防止溜钩的控制。在电磁制动器抱住之前和松开之后的瞬间，较易发生重物由停止状态下滑的现象，称为溜钩。
防止溜钩的控制需要注意的关键问题是：
1）电磁制动器在通电到断电（或从断电到通电）之间是需要时间
的，大约0.6秒（视型号和大小而定）。因此，变频器如过早地停止输出，将容易出现溜钩。
2）变频器必须避免在电磁制动器抱闸的情况下输出较高频率，以
免发生“过流”而跳闸的误动作。
为此，具体控制方法如下：
1．重物高空停止的控制过程
A．设定一个“停止起始频率”fBS,当变频器的工作频率下降
到fBS时，变频器将输出一个“频率到达信号”，发出制动电磁铁断电指令；
B. 设定一个fBS 的维持时间tBB, tBB长短应略大于制动电磁铁从开始释放到完全抱闸所需要的时间；
C. 变频器将工作频率下降止0。

图1-1 重物高空停止的控制过程
2． 重物升降的过程
A． 设定一个“升降起始频率”fRD,当变频器的工作频率上升到fRD
时，将暂停上升。为了确保当制动电磁铁松开后，变频器已经能控制住重物的升降而不会溜钩，所以，在工作频率达到fRD的同时，变频器将开始检测电流，并设定检测电流所需要的时间tRC；
B．当变频器确认已经有足够大的输出电流时，将发出一个“松开
指令”，使制动电磁铁开始通电；
C. 设定一个fRD的维持时间tRD，tRD的长短应略大于制动电磁铁从通电到完全松开所需要的时间；
D. 变频器将工作频率上升止所需频率。
如图1-2 所示:

3. 变频器的零速全转矩功能和直流制动励磁功能
艾默生高性能矢量TD3000系列变频器，具备了有效的防止溜钩的一些*特的制动功能，如：
A.零速全转矩功能 变频器可以在速度为0的状态下，保持电动
机有足够大的转矩。这一功能**了起重机有升降状态降为0时，电动机能够使重物在空中停止，直到电磁制动器将轴抱住为止，从而防止了溜钩的放生。
B.起动前的直流强励磁功能 变频器可以在起动之前自动进行直流强励磁。使电动机有足够大的转矩（有速度传感器的矢量控制：200%rpm；无速度传感器的矢量控制：150%/0.5Hz）,维持重物在空中的停住状态，以**电磁制动器在释放过程中不会溜钩。

三．桥式起重机采用变频调速的优点和系统介绍
3.1变频调速控制系统的优点
1.变频器调速控制系统的保护功能强
A.变频调速以其体积小、通用性强、动态响应快、工作频、保护性能完善、可靠性好、使用方便等**的性能而优于以往的任何调速方式；
B.使用变频器控制电机的运行控制，可以进行电机的软启动，而让电机具有很快的动态响应并且实现无级调速；另外对电机的一些参数做到补偿；对电源的缺相、欠压、过压、过流等都能做到很及时很准确的检测而自动采取应变措施保护电机；
2.工作可靠性**提高，主要有以下几个方面：
A.电磁铁的寿命可大大延长 原拖动系统是在运动的状态下进行抱闸的，采用变频调速后，可以在基本停住的状态下进行抱闸，闸皮的磨损情况大为改善；
B.操作手柄不易损坏 原系统的操作手柄因常常受力过大，属于易损件。采用变频调速后，操作手柄的受力将大大的减小，不容易损坏；
C.控制系统的故障率大为下降 原系统是由于十分复杂的接触器、继电器系统进行控制的，故障率较高。采用了变频调速控制系统后，控制系统可大大简化，可靠性大为提高。
3.节能效果十分可观 绕线转子异步电动机在低速运行时，转子回路的外接电阻内消耗大量的电能。采用变频调速系统后，非但外接电阻内消耗的大量电能可以完全节约，并且在起重机放下重物时，还可将重物释放的位能反馈给电源。
5．调速质量明显提高 采用了变频调速系统后，调速范围有PG矢量控制时1：1000，无PG矢量控制时1：100，速度控制精度有速度传感器矢量控制0.05%，无速度传感器矢量控制0.5%较高频率，并且调速平稳，能够长时间低速运行，具有很高的定位精度和运行效率。
6．可简化传动链 由于可以进行无级调速，从而在机械上省去了非标设计的减速箱，使传动链结构简单，设计标准化。
3.2变频调速控制系统的介绍
1.大、小车运行机构 大车为双梁结构，分别由两台4KW电动机拖动，用一台较大的变频器（15KW）供电；小车由单台2.5KW电动机拖动，并且由单独的变频器（3.7KW）供电。
大、小车变频器都有预置为V/F控制方式。大、小车系统图如1-3图和1-4图所示；

图1-3 起重机大车行走系统图

图1-4 起重机小车行走系统图
2.起重机升降机构 起重机升降的电动机由一台电动机（13KW）驱动。系统框图如图1-5所示：

3.制动单元和制动电阻 本系统对于重物下降时电动机再生的电能，采取由变频器外接的制动单元（TD3000系列变频器22KW及其以下机型中，已内置了制动单元；但是所有的制动电阻都需要外接）和制动电阻消耗掉的方式。针对桥式起重机的起重机升降机构起、制动频繁，要求制动的转矩较大，以及下降时制动状态的持续时间较长等特点，因此：
A.制动单元用标准配置就可以实现制动过程的功能。
B.制动电阻的额定功率可以稍稍的加大一倍。
总的系统方框图如下：

4. 可编程序控制器（PLC）选择：
此方案,选用美国紧凑型EC20系列可编程序控制器。EC20系列可编程序控制器是艾默生(EMERSON)公司致力于工业自动化领域全新推出的新一代可编程序控制器，它代表了工业自动化控制的较高水平，是较新计算机技术与工业控制技术的**结合。具特点主要如下：
·体积小，结构紧凑；
·采用功能强大的较新MCU和CPLD工业控制专用芯片；
·丰富的硬件资源，高执行速度；
·强大的组网功能：支持MODBUS协议和自由端口协议；
·功能强大的用户指令集，包括PID等复杂指令；
·*特的抗干扰设计，重要数据的掉电保护功能；
·板件严格的三防处理，宽电压设计，适应恶劣现场环境。
PLC 按控制程序、输入控制信号来完成起重机各种工况的协调，并决定起重机的各种工作状态。系统软件设计采用 PLC梯形图语言来编程完成，用 PLC控制工作可靠，扫描速度快，控制非常灵活。
5. 变频器选择：
此方案，变频器选用安川品牌变频器。
采用变频器驱动异步电动机调速，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值（较大值）来选择变频器，通常令变频器的额定电流≥（1.05～1.10）电动机的额定电流或电动机实际运行中的较大电流。
I1nv≥（1.05～1.10）In或（1.05～1.10）Imax
式中I1nv--变频器额定输出电流（A）；
In--电动机的额定电流（A）；
Imax--电动机实际较大电流（A）。
大车小车行走是一般的负载，因此采用安川系列和安川系列变频器驱动。对于起重机升降电动机，考虑到功能性负载，工作时总是重载起动、制动。而且要求尽可能地快速起动、制动。变频器的容量是按上式计算得到的。根据实际情况，经过与同类变频器的性能与价格及售后服务等方面的综合考虑，变频器选用安川公司高性能矢量控制变频器。安川变频器采用目前**的矢量控制方式，通过对电机励磁电流和转矩电流进行解耦控制，实现转矩的快速响应和准确控制，能以很高的精度进行宽范围的调速运行。

、系统概述

    玻璃熔窑各参数的稳定运行非常重要，它直接影响到玻璃的产量和质量。在玻璃生产过程中对窑压和温度的稳定有严格的要求，同时窑压和温度的写急定又涉及到其它环节和参数，比如燃油的压力和温度，雾化介质的压力以及换向过程等等。要想实现这些参数的稳定，并且达到较好地配合有不同的方法可以实现。随着微电子技术的发展，PLC产品在其功能和性能指标上都大大地丰富和完善，因此，我们就应用PLC的一些特殊功能模块和一些普通的I/O模块对玻璃熔窑的各个参数进行自动控制，包括提到的各种参数、熔窑的换向控制以及通过PLC和变频器的通讯实现对变频器输出频率的控制。系统投入使用以来运行状况良好。

    2、系统构成

    本系统上位机部分选用一台上位机配以FIX软件包，PLC部分选用**品牌的PLC，它具有、运行可靠、功能较强的特点。执行机构主要有变频器、电磁阀、薄膜调节阀、三相异步电动机等。

    3、PLC实现的功能

    本系统大致可以分为三个部分；1、PID调节部分，2、熔窑的换向系统，3、PLC和变频器的通讯部分。其中PID调节部分包括油压、油温、油流（1-6号）、雾化介质、窑压等参数的控制。

    3.1PlD调节部分

    PID控制主要通过PID控制单元，该单元主要有以下特性；1、l00ms高速采样周期，实现了高速PID控制。2、数字滤波器衰减输入噪音，控制输入意外干扰，使PID控制成为有效的快速响应系统。3、多种输出规格可供选择。4、八组数据设置，八个数值（如设**（SP）和报警设置值）可以预置在八个数据组中。5、可以用数据设定器输入和显示当前值。6、**PID控制，利用**PID控制器及自动调谐的特性获得稳定的PID控制。7、可以用PLC程序输入和检索数据。同时我们通过PLC的程序实现双PID控制，从而实现了窑压和油流的稳定运行。

    PID控制可以分为本地控制和远程控制两种模式，远程控制即通过PLC实现的控制，又有自动和手动两种方式，自动控制即由PLC进行全自动控制，不需要进行人工干预。手动控制即在上位机上给定一个阀位输出值，通过PLC对阀位进行控制。在正常情况下都是在远程控制模式下的自动状态进行，并且每个PID控制回路的SV值、PV值、OUT值都可以在上位机上用棒图显示出来，非常直观。

    同时在上位机上可以很方便地修改油温、油压、油流、雾化介质、窑压等每个控制回路的PID参数，如设定值（SV）、“P”值、“I”值、“D”值，并且操作界面非常友好，操作方便。

    3.2熔窑的换向部分

    熔窑的换向分为手动、半自动、和自动三种方式，手动即在控制柜上进行操作；半自动和自动都是通过PLC进行控制的，正常情况下都是在全自动换向状态下运行，不需要进行人工干预，只要在上位机上设定换向时间，PLC就会按给定的时间进行自动换向。并且PLC能自动地识别方向，在上位机上显示。同时还能**在于动/半自动/自动三种状态之间无扰动切换。
3.3PLC与变频器的通讯

    （现场总线DeviceNet）

    现场总线是近年来进入工业现场控制领域的一项**的技术，在本项目中我们采用了DeviceNet开放式的现场总线来实现PLC与变频器之间的通讯。DeviceNet有很多特点；1、它为开放式现场总线网络，符合DeviceNet总线标准的国内外各生产厂商的机器均可连接。2、它支持广泛的数据处理操作，从通常的ON/OFF数据处理到条形码读入器的数据位操作。3、DeviceNet**了波特率为125kbps，节点间较大500m的距离，因而在较长的生产线上应用简单方便。当采用某种PLC机型时它可以使用多达2048个I/O点和63个从站。过去我们都是利用一个模拟量信号（4-2OmA或0-10v）来控制变频器的输出频率，从而实现节能或调速的要求。但是模拟量信号不管是4-20mA的电流信号或者是0-l0v的电压信号，即使采用数字化处理，但在传输过程中仍然是以模拟量信号进行传输，容易受到干扰，同时模拟量信号精度较低，只能用于精度要求不高的系统中，在精度要求较高的系统中，模拟量信号还易受干扰，造成系统的不稳定，而我们采用通讯的方式来控制变频器的输出频率，是一种纯数字化的控制，即数字的处理采用数字化处理，传输是纯数字化的传输，精度很高，这就能够使变频器的输出频率非常稳定。同时还可以把变频器的运行状态，故障信息在上位机上显示出来。

    4、结束语

    该系统应用于某玻璃生产线后运行稳定，也降低操作者的劳动强度，受到生产分厂的**。由于该系统在改造前，油流量的控制一直不能技入自动，长期处于手动控制状态，需要很频繁地调节流量阀的开度大小，工作量很大。改造后能完全实现自动控制。而且该系统的操作也非常方便，凡是需要修改的参数都可以在上位机上直接输入，如变频器的起/停、基准频率、每个PID控制回路的参数值等。另外，该系统价格低，投资少，降低了产品成本，效益**。