变频器调速技术与应用 课件 项目4变频器在高炉卷扬机上的应用

1.知识目标（1）掌握变频器在卷扬机上的应用（2）掌握齿轮减速器的原理与选用（3）掌握卷扬机原理与用途（4）了解PLC工作原理与选用2.技能目标（1）会编制简单的PLC控制程序（2）会根据变频器的工作要求选择变频器参数与调试3.内容导读本项目主要分析变频器的PLC原理与应用、齿轮减速器的应用、卷扬机工作原理与控制应用。项目导航知识准备4.1PLC原理与应用话题引入变频器是驱动电器，在驱动生产设备做功的同时，还解决了生产设备中很多工艺问题。但生产设备在工作中，还需要开关信号配合，才能完成生产任务。PLC是逻辑控制器，是专门发送控制指令信号的电器。在较复杂的控制系统中必须由PLC的配合才能圆满的完成生产任务。4.1.1PLC简介1.PLC基本概念（1）PLC功能框图在上个世纪70年代，美国汽车制造业非常发达，通过生产线加工和组装。在流水线上采用了大量的电气控制柜，为电动设备提供动力。控制柜中应用了大量的接触器、继电器、定时器等部件组成逻辑控制电路。当产品更新换代，控制柜的控制逻辑不符合新的工艺要求，控制柜便报废，要根据新的工艺要求重新组装，投资大，周期长。当时计算机技术发展到了一个较高的水平，人们设想：应用计算机技术，用虚拟开关器件替代接触器、继电器、定时器等实体开关器件，组成虚拟逻辑电路。虚拟逻辑电路计算结果由实体电路输出。

当需要更改时，只改变虚拟部件的组态方式即可。根据此设想，1969年研究出现了“可编程逻辑控制器”(ProgrammableLogicController)。英文缩写为：PLC。“PLC”称谓简练，在世界流行。

图4-1是PLC内部功能框图。框图中控制核心是CPU，CPU类似人的大脑，具有记忆、运算和逻辑控制功能。人们把PLC需要做的工作编写为“用户程序”，存放在“用户存储器”。现场设备通过开关（数字信号）、传感器（模拟信号）将输入信号（输入指令）通过输入部件处理，转化为“数字信号指令”，传到CPU。CPU根据输入的“数字信号指令”，调用“用户程序”，进行逻辑运算，将运算结果通过输出部件输出，进行外电路控制。即采用虚拟逻辑电路对实体电路进行控制。图4-1PLC内部功能框图（2）PLC指令我们知道，计算机是根据指令进行工作。PLC是计算机控制系统，是模拟由低压电器组成的逻辑控制电路来进行工作。低压电器的物理结构就是线圈和触点，由线圈和触点可以组成接触器、继电器、定时器等各种低压实体电器，由这些实体电器组成低压逻辑控制电路。如电动机正反转控制、电动机Y—△起动等。这些“实体电器”在PLC中就是“虚拟指令”，这些“虚拟指令”和“实体电器”有着相同的逻辑功能。虚拟逻辑电路和实体逻辑电路分析方法也相似，都遵循数字逻辑电路的分析方法。2.存储器“实体电器”应用之前是存放在库房里，每种电器为了方便查找，都要标上“标签”，标签内容就是哪个库房、哪类电器、哪个位置。虚拟电器指令也是采用类似的方法存放，“库房”变为“存储器”，“标签”变为“地址”。在编程时首先要把指令的地址标注在指令上，便于CPU程序调用。存放PLC指令的存储器有I、Q、V、M、SM、S、L、T、C等。4.1.2S7-1200PLC结构与功能1.S7-1200PLC在西门子PLC中的位置图4-2是S7-1200PLC外形图。图4-2S7-1200PLC平面图S7-1200PLC在西门子PLC家族中属于小型高功能PLC。是一款紧凑型、模块化PLC，可完成简单逻辑控制、高级逻辑控制、HMI和网络通信等任务；对于需要网络通信功能和单屏或多屏HMI的自动化系统，易于设计和实施；具有支持小型运动控制系统、过程控制系统的高级应用功能。S7-1200具有用于进行计算和测量、闭环回路控制和运动控制的集成技术，是一个功能非常强大的系统，可以实现多种类型的自动化任务。S7-1200PLC与新型HMI的完美匹配确保自动化任务特别高效、易于开发和调试。2.S7-1200PLC结构分析图4-3是S7-1200CPU主机功能图。图4-3S7-1200CPU主机功能图（1）PROFINET通讯接口又称以太网通讯进口该接口用于编程、HMI通信和PLC间的通信。此外它还通过开放的以太网协议支持与第三方设备的通信。（2）外加插件盖板盖板内有插件板，插件板上有插件接口，如RS485接口就在插件板上。一般作为扩张功能用。图4-4PLC通信接口（3）数字量输出接线端子DQDQ端是PLC工作结果的输出端，输出的是开关信号，用于对外部设备进行控制。（4）数字量输入接线端子DIDI输入端是给PLC加入的指令控制信号，是开关信号。（5）CPU供电电源是为CPU提供电源的端子，分为两种电源，交流220V或直流24V。（6）扩展模块接口用于连接扩展模块。S7-1200外端子3.S7-1200PLC的功能与应用（1）数字逻辑控制功能PLC研制之初，就是为了处理数字逻辑电路。在PLC出现之前，人们是通过继电器、定时器等完成电路的逻辑控制。当较复杂的逻辑控制电路，结构非常复杂，体积非常庞大，成本也非常高。现在用手掌大小的一台小型PLC，就可以完成逻辑控制任务。图4-4是CPU-1215C接线端子图，图中DI端子是数字输入端子，外接开关、继电器触点、传感器触点等。PLC提供24V电源，当开关闭合，输入1个24V脉冲信号。图中DQ是输出开关端子，PLC只提供1个闭合信号，外接电源可以是直流电，也可以是220V交流电。该CPU是交流220V供电，有的是直流供电，直流供电要外加开关电源。图中AI、AQ是模拟输入和输出端子，用于处理模拟信号。图4-4S7-1200-CPU1215C数字端子图（2）模拟PID控制功能PLC在研制之初没有PID控制功能。随着技术的发展和工程需要，PLC已经延伸到模拟控制。很多设备在数字逻辑控制的同时，需要PID控制，用1台PLC就都解决了。图4-4中的AI、AQ端子可以用于PID控制。（3）远程通信功能S7-1200PLC具有强大的通信功能。图4-5是S7-1200PLC与变频器通信控制图。图中，人机界面与PLC、PLC与变频器均为通信控制。图4-5PLC-变频器通信控制4.低压电器与PLC指令PLC出现之前，电路逻辑控制采用继电器来完成，继电器具有通、断两种状态，通过组态完成各种逻辑控制。PLC出现之后，用虚拟逻辑部件完成各种逻辑控制。知识都有连续性，当时就借用了继电器逻辑电路的组态形式来表示虚拟逻辑电路，用继电器的电路符号作为虚拟电路符号，工程师很容易接受。这就是现在用的最多的梯形图（LAD）。图4-6给出电动机正反转控制的实体虚拟控制逻辑电路，图（b）中的I0.0、I0.1对应图（a）中的SB2、SB3；图（b）中的I0.2、对应图（a）中的SB1；图（b）中的Q0.0、Q0.1对应图（a）中的KM1、KM2。我们一看就读懂了PLC的虚拟正反转逻辑控制图。在实体电路中，继电器的触点或线圈是通过电流的，在虚拟电路中我们假想也是通过电流，逻辑关系就建立起来了。（a）继电器正反转控制

（b）PLC正反转指令逻辑图4.1.6PLC变频器通信控制1.通信协议

通信控制是智能设备之间独有的控制功能，他通过通信电缆传递控制信号，可以使人远离变频器工作现场，为自动化生产线、工作环境恶劣的场合奠定了物理基础。通信控制由于是智能设备之间进行网络控制的一种控制模式，大家必须遵守共同的“协议”，现在我国常用的通信协议是Modbus通信协议，他可以把不同厂家生产的PLC和变频器进行通信控制。PLC、变频器均为计算机控制，计算机运算是使用的二进制数码，PLC、变频器的指令也都是由二进制数码组成。不同厂家生产的变频器和PLC，由二进制数码组成的指令其编排格式是不同的，这给不同厂家生产的设备进行通信控制造成很大困难。2.西门子厂内USS通信协议USS（Universalseralinterface）通用串行接口协议，是西门子公司为了降低自己公司生产的PLC和变频器的通信控制难度，将通信程序进行了模块化处理，指令模块的内部已经将通信程序编制完毕，在应用通信模块时只需要在模块的端口填写通信需要的控制功能，将复杂的通信程序简化为填表式操作，这就大大简化了编制通信程序的难度。表4-1是“USS_PORT”端口通信协议模块（见下图），该模块是关于通信端口的协议，如采用的是变频器的哪个通信端口、端口的波特率是多少等，按照具体的应用进行填写即可。表4-1USS_PORT通信协议表4-2是“USS_DRV”驱动通信程序协议模块，在该模块中，RUN是驱动器起始位，控制变频器起动停机的端口；OFF2是急停端口，该端口得到控制信号，变频器紧急停机；OFF3是制动停机；DIR是控制电动机转向。SPEED_SP变频器的速度设定值，用百分比表示；F-ACK是变频器故障复位。其它端子是指示变频器工作状态的，如状态字、控制字等。当采用人机界面HMI来显示变频器的工作过程，就从这些指示端口提取数据。表4-2USS_DRV通信协议表4-2USS_DRV通信协议3.通信接口（1）Profinet通信协议接口S71200PLC可以支持多种通信协议，如USS协议、Profibus协议、Modbus协议、Profinet协议等。Profinet是一种较新的，基于以太网的工业通讯协议，Profinet使用的物理接口是一个标准的RJ-45以太网插口。图4-7是S7-1200PLC以太网接口和专用电缆图。（a）PLC接口

（b）以太网电缆

（c）以太网电缆剖面图图4-7S7-1200PLC以太网接口（2）传统通信协议接口

传统通信协议还在广泛应用，采用的是RS-485接口。s7-1200PLC有一个插件接口位置，在该位置选配一块RS-485接口板，即可进行USS、Profibus、Modbus等通信控制。4.2齿轮减速器应用4.2.1齿轮减速器1.齿轮减速器的用途变频器和电动机工作在额定转速时才有最大输出功率，但是电动机驱动的负载是根据工艺需要设定转速，其工作转速往往低于电动机的额定转速。特别是重型设备，转速都较低。图4-8是水泥厂核心生产设备——旋转窑，其结构是密封旋转的直筒，工作时将矿物粉末通过喂料斗投入到旋转窑中进行烧结，烧制成品从出料口排出。旋转窑工作时转速只有3~5r/min，但旋转转矩很大。一般采用4极电动机驱动，电动机额定功率160kW、额定转速1490r/min。工作时必须加装齿轮减速器进行减速。图4-8旋转窑示意图2.减速原理（1）1级减速器电动机和生产设备必须进行速度匹配和功率匹配，才能发挥最大的效率。电动机端工作在额定转速和转矩状态，负载端工作在额定转速和转矩状态，即P电=P负=（T电n电）=（T机n机）

（4-1）将主动轴的高转速，变为被动轴的低转速的装置，就称为减速器。图4-9是1级减速器传动原理图，只有1对减速齿轮。主动轴连接电动机，被动轴连接负载。主动轴上的齿轮齿数少，被动轴上的齿轮齿数多，主动轴转速高，转矩小；被动轴的转速低，转矩大。

图4-91级减速器结构原理齿轮的传动比为

（4-2）式中，i为速度比，1级减速器λ标准值为：2、3、4、5、7、10。i超过了10就要选择多级减速器。n1为主动轴转速，单位r/min；n2为被动轴转速，单位r/min；Z1为主动轴齿轮齿数；Z2为被动轴齿轮齿数。由速度比的定义式可知，i﹤1，为升速传动；i﹥1为降速传动；i＝1，为直接传动。根据T1n1=T2n2（减速器无损耗，输入功率=输出功率），将式（4-2）整理，可导出下面关系式为

（4-3）（4-4）式中，T1—主动轴转矩；

T2—被动轴转矩。即齿轮传动通过改变减速比λ，可以改变主动轴和从动轴的转速比和转矩比。因为齿轮减速器是无损耗传动，P1=P2

，T1n1=T2n2，传递的功率不变，主动轴转速高，转矩低；被动轴转速低，转矩高。也就是说减速器可以用转速换转矩。（2）2级减速器图4-102级减速器为了得到大i比的减速器，可以增加减速齿轮的级数。图4-10是2级减速器，采用了2级减速齿轮。总减速比i为：

（4-5）式中，i1是第1级齿轮减速比；i2是第2级齿轮减速比；i为总减速比。4.2.2平行轴齿轮减速器参数与选择1.平行轴齿轮减速器参数减速器是一个非常庞杂的大家族，除了平行轴齿轮减速器，还有交叉轴减速器，应用在各种传动领域。由于平行轴减速器传动轴是平行的，采用直齿轮传动，传动效率高噪音小，在没有特殊要求时均采用平行轴减速器。平行轴减速器是F系列，该系列减速器参数为：功率范围：0.18kW～200kW；转矩范围：3N·m～22500N·m；减速比i：1级减速比为3、4、5、7、10，2级减速比为15、20、30、35、40、50、70、90、100。F系列减速器广泛应用于冶金、矿山、起重、运输、水泥、建筑、化工、纺织、印染、制药等行业。2.平行轴减速器的选择选择减速器有两个关键参数，1是减速比，2是减速器的输出转矩。减速器的输出转矩决定了减速器的功率大小、体积大小、安装位置等诸多因素。（1）小调速范围传动比选择当负载工作在某一速度范围内，要以最高工作速度确定减速器的传动比。例如负载工作速度折算为频率为8~10Hz，则按工作最高频率10Hz计算减速器的传动比，根据i=n1/n2，i=50Hz/10Hz=5。也就是选择传动比i=5的减速器，电动机工作在50Hz时，负载工作在10Hz。（2）减速器转矩选择减速器的转矩是以被动轴输出转矩为依据，即被动轴的最大输出转矩。选择方法是：根据电动机的额定转矩（转矩计算式见式4-4）换算为被动轴的输出转矩，再乘以过载系数（电动机最大过载系数为2）就是被选的减速器转矩。任务实施任务

变频器在高炉卷扬投料机上的应用一、

卷扬机工作原理与控制1.1高炉投料系统1.话题引入钢铁是我国的支柱产业，是国家建设基础材料，产量具世界第一位。炼铁高炉是钢铁生产设备，每个生产环节都极其重要，因为生产中意外停止，造成铁水凝固，高炉就会报废。炼铁高炉在冶炼过程中，需要不断的将铁矿石、焦炭和石灰石投入到高炉中，维持高炉不间断的进行冶炼。图4-11（a）是炼铁高炉示意图，由图中可见，高炉要想维持正常的冶炼，必须要给高炉内补充氧气；在高炉顶端投入燃料和铁矿石。燃料在氧气的助燃下燃烧发热，将铁熔化。焦炭在燃烧中除了产生CO2之外，还有大量的没有燃烧的CO，CO就是煤气，从高炉顶端的煤气出口被收集（见图b）。图4-11（a）在图（b）中，给高炉上料是由卷扬机牵引的上料车（简称料车、小车），料车被牵引绳牵引到高炉的顶部，料车自动翻转，将按比例混合好的焦炭、铁矿石、石灰石等投入到高炉中。图中料坑堆放着混合好的炉料，在料车起动上行时炉料会使料车的静摩擦力增加，在设计料车驱动系统要加以考虑。图4-11高炉与上料车示意图2.投料卷扬机实物介绍图4-12是投料系统现场图片，图（a）是高炉上料小车轨道图，分为左料车轨道和右料车轨道，左右料车一个上行，另一个就下行，互为“对重”，下行的料车重量抵消掉上行料车的重量，上行的料车只对“物料”做功。左右料车上下行投料节省了电能，也不存在下行电动机的倒发电现象。图4-12a卷扬机实物图图（b）是料车外形图，料车的车轮是“轨道轮”，在“斜轨”上运行，防止“脱轨”。料车是“提篮”形，通过“拉架”拖动上行，“拉架”末端是转环，当料车到了高炉的顶部料车翻转“卸料”。图（c）是卷扬机，由电动机、抱闸、减速器和卷筒组成，卷筒上绕有钢丝绳，钢丝绳的两端分别连接左右料车。3.卷扬机原理分析卷扬机属于位能负载，任务是将物料由低处提升到高处，对提升物不作加工处理，只改变其位能。图4-13是卷扬机卷筒与料车示意图，由图（a）可见，工作卷筒在转动中驱动钢丝绳移动，通过改向轮分别拖动2台料车上行或下行。当卷筒顺时针转动时，左料车下行，右料车上行；当卷筒逆时针转动时，左料车上行，右料车下行。料车上行时是载料，下行时是空车。电动机工作时是正反转交替。因为空车具有一定的重量，在下行时抵消掉上行料车的空车质量，达到节能目的。还有一个好处是当空车返回时如果不把位能抵消掉，会出现倒发电，变频器就要增加制动电阻的容量。图（b）是当料车移动到顶端的“主曲轨”上，“辅助曲轨”提升，料车翻转，将物料倒掉。在“辅助曲轨”处安装限位开关，当料车倒料时电动机停止，并延时5s电动机反向起动。图4-13（b）料车倒料示意图图4-14是料车卷扬机示意图，由图中可见，电动机为动力源，在传动链中，具有抱闸、齿轮减速器、卷筒减速器，将运动传递到卷筒。该料车电动机容量为37kW，额定转速为740r/min。卷筒直径500mm，钢丝绳最大速度为1.5m/s。计算可知总减速比为15.75，由平行轴齿轮减速器参数可知，1级减速器减速比最大为10，2级为15~100，故该卷扬机采用齿轮减速器和卷筒减速器2级减速，满足总减速比为15.75的要求，即电动机在额定转速时，钢丝绳速度为1.5m/s。2.3.2变频器控制与调试1.变频器选择与应用（1）变频器的选择高炉卷扬系统具有恒转矩特性，为带载起动。由于电动机起动瞬间功率因数较低，起动电流很大。变频器的容量应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择，即：IN>IMmax(4-6)式中，IN为变频器的额定电流；IMmax为电动机的最大工作电流。变频器的过载能力通常为变频器额定电流的1.5倍，这只对电动机的起动或制动过程才有意义，不能作为变频器选型时的最大电流。因此，所选择的变频器容量应比变频器说明书中的“配用电动机容量”大1~2个功率档次；并且要选择矢量控制变频器，才能满足带载起动和工作要求。本系统选用西门子G120-CU24E-2矢量变频器，功率为55kW，额定电流110A。高出电动机2个功率档次，电流为电动机额定电流的1.5倍，变频器除了起动瞬间之外一般工作中不会过载，能够安全运行。（2）制动单元。该卷扬机为位能负载，位能负载下行时会出现位能回馈倒发电现象。但因为下行的为空车，上行的是负载车，不会产生位能回馈。但是在空车运行时或试车运行，当下行的空车重量加上钢丝绳的重量大于上行的空车重量时，变频器会出现倒发电。因此变频器要加装合适的制动单元和制动电阻。（3）控制与保护。料车卷扬系统是钢铁生产中的重要环节，拖动控制系统应保证绝对安全可靠。同时，高炉炼铁生产现场环境较为恶劣，所以，系统还应具有必要的故障检测和诊断功能。（4）变频器运行时序图料车运行分析：料车在斜轨上的运行分为起动、加速、稳定运行、减速、倾翻和制动共6个阶段，在整个过程中包括1次加速（t1）、2次减速（t3、t5）、恒速运行（t2、t4）和停机。运行时序图如图4-15所示。图4-15运行时序图图中OA为重料车起动加速段，加速时间为3s；AB为料车高速运行段，f1=50Hz，电动机转速为740r/min，钢丝绳速度1.5m/s；BC为料车的第1次减速段，由主令控制器发出第1次减速信号给PLC，由PLC控制G120变频器，使频率从50Hz下降到20Hz，电动机转速从740r/min下降到296r/min，钢丝绳速度从1.5m/s下降到0.6m/s，减速时间为1.8s；CD为料车中速运行段，频率为f2=20Hz；DE为料车第2次减速段，由主令控制器发出第2次减速信号给PLC。图4-15运行时序图由PLC控制G120变频器，使频率从20Hz下降到6Hz，电动机转速从296r/min下降到88.8r/min，钢丝绳速度从0.6m/s下降到0.18m/s；EF为料车低速运行段，频率为6Hz；FG为料车制动停车段，当料车运行至高炉顶时，限位开关发出停车命令。由PLC控制G120变频器完成停车。左右料车运行速度曲线一致。图4-15运行时序图2.控制电路与变频器参数选择图4-16是变频器-PLC控制电路图。图中变频器选择西门子G120-CU240E-2变频器，该变频器为矢量变频器。选择5个数字指令端子进行运行和速度控制；选择1个数字指示端子指示变频器故障。为了达到控制目的，变频器要设置相关指令参数，表4-3是变频器指令端口资源配置；表4-4是变频器参数设置。图4-16变频器-PLC控制原理图表4-3变频器指令端口资源配置。表4-4G120变频器参数设置表续表：3.PLC选型与控制（1）PLC选型可编程序控制器选用西门子S7-300PLC，该型号PLC为中型，具有通用性、高性能、模块化设计等性能特征，具备紧凑设计模块。CPU选择CPU315-2DP。（2）PLC控制

该PLC作为变频器的指令端子切换控制，首先要满足变频器指令端子的逻辑要求。变频器的指令端子在控制中既要按照逻辑控制还要按照时序控制。

变频器运行停机、正转反转、3段速控制、抱闸打开、以及延时动作等，均需要PLC控制。在图4-16中，PLC采用10个输出Q端子（Q8.0、Q8.1、Q8.2、Q8.3、Q8.4、Q8.5、Q8.6、Q8.7、Q9.0、Q9.1）对变频器实施控制。采用了19个输入I端子I0.0~I14.2，将工程控制信号输入到PLC，由PLC进行逻辑运算，运算结果在Q端输出对变频器实施逻辑控制。图4-16变频器-PLC控制原理图PLC的外输入信号：SB1、SB2是手动开关，用于变频器（PLC）的通、断电。该信号加在PLC的I0.0、I0.1端子上。变频器（PLC）通电后，PLC、变频器开始工作，工作时料车是在轨道上运行，根据时序图中给出的速度和运行时间，在轨道上安装有SM触头开关，当料车碰触到该触头，发出控制信号，由PLC进行逻辑运算，对变频器实施控制。图4-16变频器-PLC控制原理图（3）PLC保护当变频器发生故障，输出报警信号，通过PLC处理，实施报警保护。卷扬机工作时发生了机械故障，PLC必须进行保护。如钢丝绳出现松弛、断裂，PLC要输出保护信号。图4-16变频器-PLC控制原理图表4-5是S7-300PLC-I/O地址分配表，该表中将料车分为左车和右车，左右两车分别对应着各自的SM开关和PLC的I/O接口地址。左右料车上行时SM开关起作用，下行时不起作用。可根据地址分配表编制指令程序。表4-5S7-300PLC-I/O地址分配表说明：表中SM开关是专用开关。（1）PLC程序设计根据左右车上行和下行，指令程序设为2组，左车1组，右车1组。当料车上行时，程序被激活，下行时程序不激活。上行、下行由变频器正反转控制。图4-17是PLC控制程序。图4-17PLC指令程序1.3高炉上料卷扬机维护在高炉上料系统当中，高炉料车卷扬机所占据的地位至关重要，高炉生产直接与其运行状况挂钩，一旦卷扬机发生意外，就极可能引发一些重大事故，比如斜轨损坏和料车冲顶等，在造成经济损失的同时，还得花费很长时间进行处理，因此，在炼铁厂的设备分级当中，高炉卷扬机是处在1级设备。1.卷扬机变速箱的维护

卷扬机由电动机、联轴器、抱闸、减