基于PLC与变频器的恒张力电动绞车设计

基于PLC与变频器的恒张力电动绞车设

计

摘要：文章从变频器实现对变频电机转矩控制原理及运行特点出发，采用PLC、编码器及变频器实现绞车的恒张力的控制方案，并根据该方案阐述了系统控制的实现方案。该恒张力绞车具有较高的使用价值及广阔的市场前景。

关键词：变频器；恒张力；扭矩控制；

引言

随着近年来海洋科学考察、水下资源的探测和开发，以及水下追踪与探测等技术的快速发展，促进了水下探测设备技术的进步，平稳的吊放及回收水下探测设备成了对吊放绞车不可或缺的功能，而恒张力绞车可以满足此要求，本文采用PLC算法与变频器的转矩控制功能和编码器卷绕半径检测计算实现对绞车缆绳的恒张力控制。

1变频器转矩控制原理

转矩控制是指变频器以控制电机的输出转矩为目的，速度大小与转向与转矩无关，只与外负载有关。此时变频器采用电流环控制，外部给定信号直接给电流环作为电动机的输出转矩设定。如图1所示。当给定信号为10V时，电动机的输出力矩为额定值（100%T），当给定信号为5V时，电机输出力矩为额定转矩的50%。

图1、电机转矩控制曲线图

转矩控制的运行特点

在变频器转矩控制时，拖动系统的状态取决于系统的动态转矩

式中：为动态转矩，为电动机输出转矩，为绞车负载转矩

式1中电动机的输出转矩取决于转矩给定信号，当=0时，绞车拖动

负载等速运行，当＞0时，绞车拖动负载加速，此时为防止超速，许多变频器

都带有速度外环限制超速，通过设置上限频率，当电动机的转速上升到上限

转速时，电动机的转矩并不取决于转矩给定信号，但转矩给定信号保证了拖动系

统将在上限转速下运行。当＜0时，负载拖动绞车减速运行，直至绞车收绳速

度为零，负载再拖动绞车反向加速运行，该过程绞车变频电机处于再生发电状态，将缆绳的机械能转变为电能。但这部分电能一般通过制动电阻以热能的形式消耗

掉或通过电封闭共直流母线技术供给系统中其它电机使用，避免因再生高压而损

坏变频器。

2卷绕半径的检测与计算

在绞车卷筒收绳过程中，卷绕半径是一个动态的变化过程，随着钢丝绳层数

的增加而不断的增加，因此若要保证钢丝绳张力恒定，随着卷绕半径的增加，变

频电机输出的转矩也要增加；在此采用分辨率为1024的增量编码器（A/B两相脉

冲输出），通过PLC高速计数器记录编码器信号，进而计算出卷筒的卷绕层数。

设高速计数器模块的瞬时计数值为，则层数与编码器计数值的关系式如式（2）；

式中：为编码器瞬时计数值，为钢丝绳绕上卷筒时编码器计数值，为卷筒每层钢丝绳的圈数；钢丝绳卷绕半径与编码器计数值的函数关系，如式3所示。

式中：为卷筒底径，d为钢丝绳直径，n为钢丝绳层数

3控制系统的实现方案

3.1硬件组成

该绞车主要包括变频电机、变频柜、制动电阻、现场控制、附加控制、远程

控制等组成，其中变频电机包括电机主体、电机编码器、盘式制动器、冷器风扇、加热器，变频柜包括控制PLC、变频器、主断路器、熔断器及继电器等组成。PLC

与变频器之间选用Profibus-DP通信与硬线模拟量传送两种方式，系统具体构成

如图2所示

图2 电动绞车框架

3.2程序设计

3.2.1人机界面规划

人机界面规划主要用于人机参数交换，由于转矩控制方式常常应用于拖动系

统在某个特定阶段的特殊运行状态，而很少应用于运行的全过程。因此，需要在

人机界面上带有变频器转矩控制与和转速控制之间的切换按钮，且变频器转矩控

制需要通过人机界面给定信号，同时，缆绳的张力、速度及放绳长度等绞车运

行参数需要实时显示以让操作人员知道绞车的工况及报警参数等。人机界面规划

如下图3所示

图3、人机界面

3.2.2-PLC控制原理

在此系统中我们采用S7-1200系列的1214C作为控制CPU，文章采用博途

V13SP1对PLC进行硬件组态及结构化编程，其控制过程如图4所示，图中虚线部

分由PLC实现，PID控制器采用PLC内部的PID控制器。编码器信号送至PLC的

高速计数器输入端，即图中的编码器信号反馈值，PLC通过高速计数器值计算钢

丝绳的卷绕半径，张力传感器信号送至PLC的模拟量输入端，即为图中的张力反

馈值，张力反馈值与张力给定值运算后，得到一个张力偏差量，张力偏差量经过PID控制器运算处理后获得一个控制量，PLC程序将该控制量转换成变频器控制

字后通过模拟信号传送给变频器，变频器对绞车变频电机进行转矩调节，进而实现绞车缆绳的恒张力控制。

图4、基于PLC、变频器及编码器的绞车恒张力控制框图

结论

本文采用PLC与变频器的转矩控制方式实现了绞车钢丝绳的恒张力控制。且

已经成功的运用于日本海洋探测设备的吊放作业，调试结果表明采用该绞车在深

海大浪探测作业中能有效降低探测设备与海床的冲击碰撞，维持钢丝绳张力恒定。

同时，该方案还能应用于风电吊缆风绳绞车恒张力系统、海洋横向补给等领域的应用，具有非常广阔的市场前景。

参考文献

[1] 恒张力绞车的应用研究. 鄢华林;宋林.液压与气动,2011

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