加料机PLC控制及大小车电气制动系统设计.pdf

第3 2 卷 第 4 - 5期 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 2 0 1 1 笠 1 0 月 加料机 P L C控制及大小车电气制动系统设计 杨善来 ， 陈强 2 ， 张留生 2 f 1 ． 铜陵有色控股铜冠矿冶设备有限公司， 安徽铜陵2 4 4 0 2 1 ； 2 ． 江西理工大学电气工程与 自动化学院， 江西赣州 3 4 1 0 0 0 1 [ 摘 要 1 介 绍 了将加 料 机 原 常规 继 电控 制 系统 改 造 为 P L C控 制 的 无 触点 系统， 将 原机 械 制动 系统 改造 为电气制动系统的设计实例 该设计可有效地提 高系统的可靠性， 减 少日常维护工作量 f 关 键 词 ] 地 面加 料机； P L C控 制 能耗 制动 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 B文章编号 1 0 0 4 4 3 4 5 2 0 1 1 0 4 0 1 0 5 0 3 De s i g n o f Fe e di ng M a c hi ne PLC Co nt r o l a nd Car t s El e c t r i c Br ak e S ys t e m Y A N G S h a n l a i ． C H E N Q i a n g 2 ． z HA N G L i u s h e n g z 1 ．T o n g g u a n Mi n i n g a n d Me t a l l u r g y Eq u i p me n t C o ． ， L t d ． o f T o n g l i n g No n f e r r o u s Me t a l s Gr o u p C o ．， L t d ． ， T o n g l i n g , An h u i 2 4 4 0 2 1 ， Ch i n a ； 2 ． S c h o o l o f E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g a n d A u t o ma t i o n ， J i a n g x i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy， G a n z h o u ， J i a n g x i 3 4 1 0 0 0 ， C h i n a Abs t r ac t Th e pa pe r h a s i nt r o du c e d t h e d e s i g n c a s e t o u pg r a d e t he o r i g i n a l r e l a y c o nt r o l s y s t e m o f f e e di ng ma c h i ne i n t o PLC c o n t r o l l e d n o n- c o n t a c t s y s t e m，a n d t h e o r i g i n a l me c h a n i c a l b r a k e s y s t e m i n t o e l e c t r i c b r a k e s y s t e m．T h e d e s i g n c a n e f f e c t i v e l y i mp r o v e s y s t e m r e l i a b i l i t y a n d r e d u c e d a i l y mmn t e n a n c e wo r k l o a d ． Ke y wo r d s g r o u n d f e e d i n g ma c h i n e ； P L C c o n t r o l ； e n e r gy c o n s u mp t i o n b r a k e 地面加料机是铜精炼炉等适合地面加料的各种 冶炼炉的重要辅助设备之一． 主要 由液压系统 、 大车 行走机构、 小车行走机构、 料杆回转摆动机构、 平台、 回转机构 、 驾驶室等组成 。 大车行走机构在驱动装置 带动下， 沿着地面轨道做直线运动 ； 小车行走机构安 装在大车行走机构的轨道上。 在驱动装置的带动下， 沿 着大车轨道做直线运动 ； 料杆 回转摆动机构 、 驾驶室 分别安装在平台上，平 台安装在小车机构 回转支承上， 平台靠液压回转器带动做回转运动 料杆在回转马 达带动下做 回转运动。 在油缸的推动下做上下摆动 。 加料机 回转平 台和送 、 推料机构均 由液压驱动， 大 、 小车由两台小型异步电动机驱动。电控系统控制油泵， 大、 小车驱动电机， 油冷却机等的启停和正反转等。 其 工作可靠性对整个冶炼工序有着极为重要 的影响 。 原电控系统采用常规继电器控制，其主要问题是可靠 性较差， 维护工作量较大。将原继电器控制系统改为 P L C控制系统． 即将有触点系统 中那些频繁通断的触 点用 P L C软件实现， 将有效地提高系统的可靠性， 减 少设备故障， 提高设 备的 自动化程度， 减少 日常维护 工作量。另外’ 由于现场使用环境较为恶劣f 温度高1 ， 加上机械制动装置体积较大， 停位准确性较低．且使 用频繁， 磨损量大， 维护工作量大， 将原大小车采用的 机械制动方式改为以感应 电机 电气制动为主。 机械制 动为辅的电气一机械联合制动方式 ，以缩短制动时 间， 提高制动的可靠性和停位准确性[ 1] 。 1 P L C控制系统设计 1 ． 1 控制系统对 P L C的要求 原系统 中通断最为频繁的主要是大小车电机正 反转控制 以及新增加的大小车制动继 电器 的触点 。 而系统中那些并非频繁通断的触点则不必用P L C软 件取代。 这样可以节省 P L C的 I ／ 0点数。 降低成本。 系 统对 P L C的直流数字输入点数要求为 6点 ； 交流数 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 7 2 0 作者简介 杨善来 1 9 6 4 ， 男， 高级工程师， 主要从事机械加工技术开发工作 。 1 0 6 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 第 3 2卷 字输出点数要求为 7点圆 。 1 ． 2 P L C选 型及 l ／ o分 配 可供选用 的 P L C品牌主要有西门子 、欧姆龙 、 三菱等。 西门子 P L C在国内市场上占有率较高． 其产 品性价 比较高， 扩展容易， 故选用西门子 7 - 2 0 0型P L C ， C P U 2 2 2 ， 不须扩展模块。C P U 2 2 2 有 8 个数字量输入 接 口f 1 0 ． 0 ～ 1 0 。 7 和 6个数字量输出接 口f Q O ． 0 ～ Q O ． 5 。 配套编程软件为 S T E P 7 ～ Mi c r o ／ WI N 3 2 。 系统中需要用 P L C软件实现的触点及端 口分配l3 J如下表 1 所示。 表 1 P L C触点及端 口分配 开关量输入 端口 开关量输 出 端 口 小车前行主令信 号 S A2 1 1 0 ．0 小车前行接触器 KM2 Q O ．0 小车后行主令信号 S A2 2 1 0 ． 1 小车后行接触器 KM3 Q O ． 1 大车左行主令信号 S A 3 1 1 0 ． 2 大车左行接触器接触器 K M4 Q O ． 2 大车右行主令信号 S A3 2 1 0 ． 3 大车右行接触器接触器 KM5 Q O ． 3 大车制动 Z A 2 1 0 ． 4 小车制动接触器 K M6 Q O ．4 小车制动 Z A1 1 0 ． 5 大车制动接触器 K M7 Q O ． 5 P L C I ／ O接线图见图 1 。 串 。 囝 叵 I L Q O ． 0 Q0 ． 1 Q0 ． 2 Q0 ． 3 Q0 ．4 Q0 ． 5 I M 10． O 1 0． 1 IO． 2 I O _ 3 1 0．4 I O． 5 L ． 24 V t A2一 A2一 A3一{{ A3- ZA1 ZA l 图 1 P L C I ， o接线 2 大小车 电气制动系统设计 2 ． 1 制动方案选择 地面加料机大车和小 车均采用两台三相笼形异 步电动机拖动。 采用双电机并联运行方式 。原系统用 机械制动， 由于现场温度高， 机械制动装置体积较大， 致使停位准确性较低， 且使用频繁， 磨损量大， 维护工 作量大， 故改为 以感应 电机 电气制动为主， 机械制动 为辅的电气一机械联合制动系统，以缩短制动时间。 提高系统可靠性和停位准确性 。 感应 电机常用的制动方式有反接制动和能耗制 动。 反接制动的转矩大且制动迅速 ， 但其制动电流大 为额定 电流的 3 ～ 5 倍 ， 能量损耗大， 系统发热严重 ， 仅适用于三相绕线式 电动机 ， 在此不适用。 能耗制动 就是在 电机断电瞬时， 在电机定子的二相绕组中通入 一 直流电流 ， 在电机气 隙中产生静止磁场 ， 电机转子 因惯性作用仍按原来方 向旋转 ， 转 子绕组切割静止 磁场产生感应 电动势及转子电流 ， 从而在转子上产生 一 个制动转矩 。 这一转矩的特点是转子转速越高 ， 则 制动转矩越大 ， 转子转速下降为零时 ， 制动转矩也 同 时下降为零， 因此能使生产机械实现准确停车。 这一 制动方式既适用于绕线式异步电机也适用于笼形异 步电机。本系统最适合的电气制动方式是能耗制动【 4 J 。 2 ． 2 能耗制动线路设计 可供采用的能耗制动电流方案有带整流变压器 的单相桥式整流器和无整流变压器 的单管半波整流 器两种。前者系统可靠性高、 制动转矩较大。单管负 荷较轻， 适用于较大功率的三相异步电动机要求平稳 制动和起动频繁的场合。后者电路简单， 单管工作负 荷较大 ， 但 电机直流电阻较小时， 需要 在制动 回路 中 串接限流电阻． 从而增加能耗和配电柜内温度。考虑 到设备的高温工作环境，选用可靠性较高，单管工作 负荷较轻 。 能耗较小 的单相桥式整流方案较为合理 。 大小车能耗制动电气原理图见图 2 。 ．J Q F “； ““ISA 2OZA Mt J M KM M 2 K M 3 K M S J 咀 l2 0 l F1 ／ 60 A 一 图 2 大 小 车 能 耗 制 动 电 气 原 理 以小车 电气制动系统为例。 其工作原理如下 两 台3 8 0 V ． 0 ． 8 k W 电机采用并联运行方式。通过 K M2 、 K M3交流接触器供 电，由主令控制器 S A 2控制其正 反转。 停车时， S A 2 置于停车位，K M2 和 K M 3 均失电， 电机 主电路 断电。这时按下制动按钮 Z A 可采用脚 踏式制动按钮1 ， K M6和时间继 电器 S J 均得 电 KM6 的常开触点实现 K M6和 S J 的得 电自保 。K M6得电 后 ， 通过整流变压器 T 2和单相整流桥 B1向电动机 A、 c相绕组中通人一直流制动电流． 电机获得制动转 矩，制动转矩随转速下降而下降直至停车。时间继电 器在预定 的延时时间到达后 ， 延时释放常闭触 点断 第 4 5期 加料机 P L C 控制及大小车 电气制动系统设计 1 0 7 开。 使 K M6断 电， K M6的常开分断又使 s J 失 电， 制动 完成。时间继电器的延时时间应不小于实际调试 中 测得的系统停车时间圈 。 2 ． 3 元件选择 加料机大小车采用两台同型号和功率 的笼 型三 相异步电动机拖动， 采用双电机并联运行 。电机参数 如下 型号 Z D Y Z 1 4 ； 功率 0 ． 8 k W； 额定 电压 3 8 0 V； 额定 电流 2 ． 1 A 估计值 ； 接法为 Y ； 电机 出线端冷态 电阻f 经验估计值1 R 1 0 Q。 1 1 整流变压器容量及 电压选择 能耗制动时需要 的制动直流电流 I 可根据制动 负载和制动时间确定， 一般取 I 。 为电动机空载电流， 取 t o O ． 3， N 0 ． 3 x 2 ． 1 0 ． 6 3 A K3 ． 5 - 4 取 4 ， 则双机运行时， I z 2 KI o 2 x 4 O． 6 3 5． 0 4 A 整流器直流输 出电压为 ． 孚 5 ． 0 4 2 5 ．2 V 变压器二次输出电压 罟 2 8 V 变压器二次输出电流 缶 5 ．6 A 变压器计算容量 S U J 2 2 8 x 5 ． 6 1 5 7 VA 由于制动电路仅在制动时使用 ， 实际选用容量 可小于计算容量，但考虑到现场使用环境温度较高，且 制动使用较为频繁，故选 S 0 ． 7 5 1 1 7 ． 8 VA 2 1 整流元件选择 每只整流元件流过的电流 ， 0 ． 5 L 2 ． 5 2 A 实际按 2 ． 5倍选择 2． 5x 2 ． 5 2 6 ． 3 5 A 每 只整流元件受到的最大反向电压 U 、 v ／ U 2 3 9 ． 6 V 实 际扩大 1 ． 5 - 2 ． 5 倍选择 DRM 2 ． 5 x 3 9．6 1 01 V 选用 1 只 B K 一 2 0 0型小型控制变压器， 额定电压 为 3 8 0 ／ 3 6 v 容量 2 0 0 V A。 整流二极管选用 2 C Z 5 8 D， 其额定电流为 l O A， 反峰电压 2 0 0 V。 2 ． 4 能耗制动实验测试 为验证能耗制动电路的有效 陛． 使用 2台 0 ． 2 5 k W 的小型三相感应 电动机进行 了单机和双机运行的能 耗制动实验， 结果如下 1 1 单机实验 使用单管半波整流电路， 电机于空载运行状态 开始制动， 测得直流侧制动电流为 1 ． 0 A ， 交流制动电 流为 1 ． 2 A， 制动时间 0 ． 8 s 。 制动效果 良好 。 2 1 双机实验 两台同型号电机并联空载运行， 仍使用单管半 波整流电路。 测得直流侧制动电流为 2 ． 3 A． 交流侧为 2 ． 6 A 。 制动时间均 0 ． 8 s 。实验结果表明． 笼型感应 电 机在能耗制动电流取约 1 ． 5 倍 电机额定电流f 约为空 载 电流的 4 ～ 4 ． 5倍1 时， 单双机运行均可获得 良好 的 制动效果 。 3 结论 将加料机原常规继电控制系统改造为无触点 的 P L C控制 系统， 可有效地提高系统的可靠性， 减少 日 常维护工作量 。原机械制动改进为电气制动后． 可提 高制动可靠性及停位准确性 ， 减少制动 系统 日常维 护工作量 。 参考文献 【 1 】王永华．现代电气控制及 P L C应用技术【 M ] ．北京 北京航空航天大 学出版社． 2 0 0 8 ． [ 2 】殷 洪义． 可编程控制器选择设计与维护【 M] ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 01 ． [ 3 ]廖常处． P L C 编程及应用[ M 】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 2 ． [ 4 】陈超山， 杨达飞． 一种简单实用的新型能耗制动电路『 J 1 _ 机床电器， 2 0 0 7 4 6 1 - 6 2 ． [ 5 ]李 琴兰．笼 型电动机能耗制动控制线路 的分析与改进【 J 1 ．天水 师范 学院学报． 2 0 0 6 5 5 7 5 8 ．