谢树林

（温州职业技术学院 电气电子工程系，浙江 温州 325035）

基于WTCT回馈节能型提升装置的控制系统研究

谢树林

（温州职业技术学院 电气电子工程系，浙江 温州 325035）

针对传统提升装置存在能量浪费、控制方式落后、自动化水平低等问题，设计基于WTCT回馈节能型提升装置控制系统。运行结果表明，该控制系统高效节能、性能可靠，自动化控制水平高，维护维修方便。

提升装置；WTCT；PLC；控制系统

0 引 言

在工矿企业的生产和日常生活中会使用多种提升装置，如起重吊车、电梯和各种升降机等，这些提升装置与生产、生活密切相关。现在使用的提升装置大多数由绕线式电动机拖动，由继电接触器电路改变转子电阻的阻值，实现阶梯调速。传统提升装置存在以下问题：由主令开关控制绕线式异步电动机，有触点控制，可靠性能差；调速为阶梯式有级调速，速度调节范围窄，平滑性差；启动制动电流大，对电机、电网有较大冲击；低速运行时转子回路很大的转差功率全部消耗于转子电阻中，使其严重发热；当其载荷下放时，载荷具有的势能转变为电能消耗于转子电阻中，造成能量严重浪费；故障率高，维护维修困难。通过实践与研究，本文设计基于WTCT（weight，torque，

current，time）回馈节能型提升装置变频调速控制系统，可以有效解决重物下放时能量浪费及系统安全可靠性等问题。

1 控制系统构成及工作原理

根据提升装置控制、通讯及记录的需要，该控制系统由工控机、触摸屏、PLC、变频器和逆变回馈单元组成，如图1所示。功率传动部分由变频器配合逆变回馈单元驱动鼠笼式电动机，采用变频调速方式，解决传统提升装置在低速运行时绕线电动机转差功率大、转子电阻严重发热等问题。控制系统变频回馈电路如图2所示。

提升装置提升重物时，电动机使重物提升具有势能；重物下放时，释放其势能[1]。通过电动机发电运行状态回馈到变频器，回馈的能量使变频器内部电容器两端直流电压升高。当直流电压升到逆变回馈单元动作阈值时，逆变回馈单元投入工作，将电能通过逆变方式回馈到交流电网，释放直流侧的能量，避免变频器直流电路过电压。同时因直流回路的能量是通过逆变装置回馈到电网，而不是像传统提升装置通过绕线式电动机消耗在转子电阻上，因而控制系统效率得以显著提高。提升装置的负载越重、工作越频繁，逆变回馈单元回馈电网的电能越多，节能效果越显著。通过采用变频回馈技术，使提升装置能量损耗减少，工作效率提高，控制系统工作稳定性增加，起制动电流冲击减少，使用寿命延长。

图1 控制系统结构

图2 控制系统变频回馈电路

2 PLC控制系统

回馈节能型提升装置采用变频控制方式，使控制系统具有良好的控制精度和调速性能，在整个调速范围内均能实现高精度稳定运行和连续平滑调速，并具有可靠的安全保证。

PLC控制系统采用OMRON公司CP1H来完成系统的逻辑、时间和顺序控制，使其具有完善的过电压、过电流和缺相等保护措施，以及事故报警、自诊断、事件记录等功能。PLC有两个通讯端口：一个与变频器之间进行通讯，另一个用于上位机后台监控、诊断、管理和系统调试。P L C输入端接收提升装置采集的各种信号，如电动机运行方向、速度给定信号，提升装置的实时位置、极限位置保护状态及电动机、变频器故障等信号。PLC综合上述信息，通过内部逻辑运算发出控制指令，指挥变频器的动作，并将实时数据传送给上位机，同时由触摸屏作为数据与状态显示器，使用现场人机界面实现数据的实时读取和修改控制。PLC控制系统精度高，可加快现场设备的信息采集速度，提高管理的有效性。控制系统由程序取代了继电—接触式控制方式，在控制系统运行过程中可实时检测通讯、保护、运行和测量信号，提高了安全性和可靠性[2-3]；通过PLC控制简化线路结构，减少安装、调试和维护工作量，降低因硬件和控制线路过多产生的故障。PLC控制系统流程如图3所示。

3 控制系统保护与远程通讯

图3 PLC控制系统流程

重物在悬停状态下进行提升移动时，如控制不当则可能发生下滑，此时可采取以下措施：一是在提升装置传动机构的卷筒上加装混合式光电编码器，将光电脉冲信号通过高速计数口送入P L C，根据脉冲相位与数量检测电动机旋转方向与速度，决定电磁抱闸工作状态。二是提升装置在打开电磁抱闸前检测变频器控制的电动机转矩是否满足要求，电动机输出提升转矩不足以克服负载重力时，电磁抱闸不能打开。

3.1 电动机转向判定

光电编码器输出信号送入PLC高速计数口，PLC计算电动机的旋转速度，检测光电编码器所发出的A和B脉冲相位，判断电动机运行方向[4-5]，如图4所示。电动机顺时针旋转时，脉冲A超前脉冲B，反之脉冲A滞后脉冲B，当检测到电动机实际运行方向与给定方向不一致时，电磁抱闸瞬间抱紧，同时发出报警信号。

图4 电动机转向检测

PLC通过旋转编码器脉冲，采用M-T法计算电动机旋转时的实时转速。在一定时间内采样编码器脉冲A（或脉冲B）的数目，电动机转速计算公式为。其中，P0为光电编码器每周发出的脉冲数，T为PLC内部采样周期，m1为采样周期内测得的脉冲数值，k为测量周期系数。

3.2 电动机转矩控制

提升装置中，电动机的电磁转矩与电磁抱闸的配合十分重要。尤其提升装置提升重物时，如果电动机输出转矩与电磁抱闸控制稍有偏差，就有可能发生“溜钩”现象。为精确电动机输出转矩与电磁抱闸的配合，控制系统采用WTCT控制法，即以提升重物的重量、电动机电流、电动机电磁转矩作为控制变量，计算出最佳的电磁抱闸释放时刻，以保证提升动作的安全可靠。当系统发出提升重物命令时，首先根据测重传感器检测物体重量，计算出电动机所需提升转矩，然后检测变频器输出电流，计算出对应电磁转矩，控制电磁抱闸放松延迟时间，在确定满足提升要求时，方可松开电磁抱闸。提升重物运行时，P L C实时监测电动机运行方向，并与PL C发出的指令方向进行对比，一旦发现异常立刻切断电磁抱闸供电回路，使电磁抱闸瞬间抱紧，从根本上防止“溜钩”事故的发生。

控制系统运行期间，P L C从高速口检测脉冲进行转速计算，实时监测电动机提升和下放速度。当检测到运行速度超出预设数值时，P L C立即发出命令，调整变频器输出，降低转速；在设定时间内转速未降至给定速度值，则发出停止指令，配合外部设备使电磁抱闸抱紧，有效地防止了因超速引发的事故。

3.3 远程通讯

当多台不同型号、规格的提升装置同时工作时，控制系统可由一台工控机作为上位机实现管理功能。通过组态王管理软件进行信息统计、编辑、存档、制作报表，同时将数据信息传输给上位管理系统。工控机连接发射器、接收器、中继器构成无线通讯系统，实现远距离控制和数据传输，对每台提升装置进行实时监控，如图5所示。上位管理系统也可根据每台提升装置的工作状况，综合调配整个控制系统的工作状态，实现WTCT控制下高效节能的目的。

图5 工控机无线传输系统

4 结束语

将基于W T C T回馈节能型提升装置控制系统应用于某钢铁集团，运行结果表明，该提升装置控制系统高效节能，总节电效率提高30%以上，而且从未发生过“溜钩”事故，安全可靠，有很大的市场推广价值。

[1]段苏振.交流变频调速技术在门式起重机中的应用[J].电气传动，2005，35(1):56-62.

[2]谢树林，曲永印，樊生文，等.回馈装置在变频吊车节能中的应用[J].电工技术杂志，2003，3(4):33-34，48.

[3]曲永印，邵世煌，谢树林，等.网络化智能型变频节能起重机系统及其应用[J].控制工程，2006，13(3):230-232.

[4]周秀君，邓榆林.基于PLC的高可靠性电机测速系统设计[J].微电机，2008，41(6):62-63.

[5]刘廷霞，姜润强，余毅，等.基于CPLD的全数字测速法[J].长春理工大学学报，2004，27(3):74-75.

[责任编辑：乔维德]

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

温州市科技计划项目（2011G0029）

谢树林（1955—），男，吉林长春人，温州职业技术学院电气电子工程系教授.