全数字智能控制器在磁力吊车上的应用

摘要：磁力吊是钢铁企业生产中不可缺少的起重设备.本文介绍了一种基于全数字直流调速器与PLC的新型磁力吊励磁和消磁控制系统，该系统和传统的控制方式相比，能快速的励磁和消磁，提高生产效率，并能显著的减少能耗。关键字：磁力吊 数字化 直流调速器 可编程控制器 The application of digital controller in the electromagnetAbstractElectromagnet-crane is indispensable equipment in steel production. This paper introduces a new system of electromagnet commuting and controlling. It is based on digital direct current speed regular and programmable controller. To be compared with traditional controlling manner, it can excite and demagnetize much faster ，reduce energy consumption and advance productivity.Key words: electromagnet¬-crane digital DC Speed-Adjusting controller PLC一、概述目前我国各企业现有的磁力吊控制设备均采用变电阻调压控制方式，它将工业电压通过变压器和整流器调压和整流后，直接接入电磁铁线圈，随着电网的波动，磁路中的磁通也跟着波动，为了保持磁力吊的吸力，一般是将磁通保持在过饱和状态, 因此电阻上消耗功率过多，电能浪费情况十分严重。另外磁力吊电磁铁是直流大电感负载，当直流接触器接通和断开的时候，容易产生电弧光，经常烧坏直流接触器，机械结构也常常损坏，因而故障率高，维修工作量大。在当前的生产形势下，该控制方式已经远远满足不了高效大规模生产的需要。针对这种情况，笔者设计了一种基于直流调速器和可编程控制器的全数字电磁铁整流控制方式，利用软件编程代替物理接点，各种控制参数数字输入，并且可以改写和锁存，不受外界影响。内部智能控制模块可以实现多级自动励磁和消磁以及参数自动寻优功能，可以保证系统工作在最佳状态。1. 电磁铁工作原理电磁铁是利用通电线圈产生电磁力以吸引负载。在本质上是一个直流大电感，但是由于本身和环境影响复杂，在其控制过程中存在大纯滞后和非线性。当电磁铁制造完成后，它的吊重仅与输入磁势IW和等值工作气隙有关。而W是线圈的匝数，是个常数，因此当假设电磁铁的参数是不变的常数的时候，吊重是输入电流的线性函数。2.2 磁滞性当铁心线圈通有交变电流时，铁心就受到交变磁化。在电流变化一次时，磁感应强度B随着磁场强度H而变化的关系如图2-2，由图可见，当H减到零值时，B还没有回到零值。这种磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁性物质的磁滞性。当线圈中电流减到零值时（H=0），铁心在磁化时所得的磁性还没有完全消失，这时铁心中所保留的磁感应强度Br为剩磁，如图2-2中的O-2和O-5段。要使铁心的剩磁消失，一般要改变线圈中励磁电流的方向，也就是改变磁场强度H的方向进行反向磁化。使B=0的H值，在图中用O-3和O-6代表，称为矫顽磁力Hc。3. 电磁铁电气特性3.1 电磁铁线圈电流动态特性电磁特性中，磁滞回线是静态电流与电磁力的函数曲线，在起吊和卸载过程中，电流经常在动态中完成控制，在线圈工作温度和环境因素不变的情况下，电磁铁的电阻和电感可以看作常数。当电磁铁接通电源时，电流的动态方程为：三. 磁力吊电磁铁动态控制的三个阶段1．第一阶段——强励电流动态控制强励动态控制是在短的时间内和允许的最高电压下，达到磁路的过饱和，以吊起负载，强励控制第一阶段主要是电磁铁最高允许励磁电压的选择。根据公式1-3，高的励磁电压可以减少强励到磁饱和的时间。影响强励时间除励磁电压外，还有时间常数，它与电感量成正比，和电阻成反比。电磁铁在不同的环境和温度下，电感和电阻都不一样，所以不能用固定的时间原则和电流原则控制磁饱和。2. 第二阶段——维持电流动态控制强励电流建立磁饱和后，要降到维持吊重电流，在此过程中，电流变化较大，电磁铁的磁感应电压也较大，所以必须控制电流的下降速度以避免产生的感应电势破坏绝缘。并且超调电流还不能小于吊重电流，保证动态控制不减少吊重。3. 第三阶段——退磁动态控制由卸载前饱和磁滞回线退磁段吊重电流，降到消磁电流卸载过程，为卸载动态控制阶段。因为电磁铁铁心有剩磁的存在，所以必须在切断吊重电流后，加一反向电压，控制消磁电流的大小，以加快卸载速度。四. 磁力吊的智能优化控制系统在分析电磁铁的动态控制三个阶段后，可以根据电磁铁的电磁特性和电气特性对其进行智能优化控制。在强励阶段，需要根据负载的大小输入合适的励磁电压快速建立饱和磁场，但是该电压不能超过电磁铁的额定电压，该阶段的优化控制目标就是以比较经济的励磁电压快速的建立饱和磁场。在维持阶段，优化控制的目标就是将强励电流降到维持电流，以减少电能的损耗。在消磁阶段，优化控制的目标是在切断维持电流后，快速的加入矫顽电流，以尽可能短的时间消磁。根据各个阶段不同的优化控制目标，可以设计不同的优化控制方法。1．系统的组成英国CT公司生产的Mentor || 直流驱动器是新一代可控硅全控桥电流控制器，它利用可控硅的触发角来控制电流的大小。其内部含有斜坡函数，可以控制电流的上升和下降速度，并且利用电流限制功能控制电流的最大值和最小值。根据电磁铁的参数和设定的控制目标，可以计算出电流控制的各个控制参数。将这些参数输入到Mentor || 直流驱动器中，便能对电磁铁的三个控制阶段进行优化控制。2. 强励优化控制原理。根据该阶段的优化控制目标，计算出控制器的各个参数。其控制原理如图6。利用斜坡函数的功能，可以很好的对电流的上升曲线进行控制，控制器内部含有智能PID 控制模块，对于电磁铁随内外环境所产生的电流变化，可以通过PID 控制功能进行电流的优化控制。3.维持吊重优化控制原理长时间的强励电流会使电磁铁绕组过热，可能烧坏绕组。另外也增加了电能的损耗。根据负载的大小和电磁铁吸力公式，可以计算出维持吊重理论电流的大小，在此基础上乘以一个保险系数，得到实际电流大小。4.退磁优化控制原理一般的退磁方法是在电磁铁电流为零时输入反向电流。电磁铁在断电瞬间，内部绕组相当于一个大电感，传统的直流接触器开关动作慢，因而产生相当大的自感电势，其值可达上千伏，因无退磁回路，所以在触点处便形成电弧放电，烧坏设备。 Mentor || 直流驱动器是一个可控硅全控桥电流控制器。通过控制可控硅的触发角，不仅可以控制电流的大小，也可以控制电流的方向。在电磁铁断电瞬间，通过控制可控硅的触发角，在电磁铁两端加反向电流。这个过程非常短，能够到达毫秒级。因而能够将电磁铁储存的能量一部分克服矫顽磁力，一部分反馈到电网而不产生破坏作用。在剩磁消失后，反向电流也减为零。一般的反向电流的大小可以通过磁滞回线计算得出。在电磁铁吸力小于吊重时，就可以断电。其原理如下：五. 系统优越性通过比较分析知道，该控制系统比传统的控制方式具有很大的优势。1. 通过对电流的智能控制，节约了电能，全控桥的设计，使电磁铁的反电势合理的利用在反向消磁中；2. 利用编程软件代替物理继电器，实现无触点设计，减少了物理损耗；3. 控制精度高，可以实现恒电流控制；4. 安装简单，可靠性、安全性高。故障率低，备件更换简单。六. 结束语磁力吊电磁铁在现代机械、冶金、矿山等行业应用广泛，但产生的费用很高。利用该智能优化控制系统可以明显的减少生产中的电能损耗以及降低设备的故障率，同时节约电磁铁的维护和购置费用。该系统已在湘钢、舞钢等钢铁公司投产运行，显著地提高企业的生产力，具有良好的推广价值。参考文献[1] 庞世浩. 散料起重电磁铁的优化控制原理 宽厚板， 2001[2] 瞿安. 起重电磁铁 冶金电气，1986作者简介：李保军：男，1982年出生，湖北孝感人，武汉科技大学信息科学与工程学院在读研究生，研究方向为新型工业控制。刘惠康：男，1963年出生，湖南涟源人，武汉科技大学信息科学与工程学院教授，主要从事工厂供电与电机传动方面的工作。通讯地址：武汉科技大学54#信箱，430081，李保军收，联系电话：027-86566194