引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，PLC、變頻器等自動(dòng)化產(chǎn)品在電力拖動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。起重行業(yè)采用PLC-變頻器調(diào)速在近幾年逐漸得到推廣和普及，尤其在大型起重設(shè)備上，用PLC程序控制取代傳統(tǒng)的繼電-接觸器控制；用變頻調(diào)速取代繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；用變頻電動(dòng)機(jī)或異步電動(dòng)機(jī)取代繞線電機(jī)，再配合先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和人機(jī)界面系統(tǒng)，提高了設(shè)備控制精度和穩(wěn)定性，降低了故障率，且節(jié)能效果顯著，易于檢修維護(hù)，成為提高企業(yè)生產(chǎn)效率的好途徑。

控制方案

某重型機(jī)械制造大件分廠，承擔(dān)著所有大件設(shè)備裝配、定位、對(duì)接等任務(wù)，對(duì)起重機(jī)性能要求很高，所用一臺(tái)QD250/50t橋式起重機(jī)采用了siemensS7-400PLC、ABB變頻器、觸摸屏等高性能配置，應(yīng)用了先進(jìn)的Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、帶編碼器反饋的直接轉(zhuǎn)距控制方式、及先進(jìn)的人機(jī)界面系統(tǒng)。橋式起重機(jī)分為主鉤、副鉤、大車、小車等四部分.因主起升機(jī)構(gòu)在起重機(jī)應(yīng)用上最為典型，控制也最為復(fù)雜，故本章以主起升為例詳細(xì)介紹其控制方式。

1、PLC整個(gè)系統(tǒng)以S7-400PLC作為電控核心，主要有電源模塊、CPU、輸入輸出模塊及接口模塊等組成。輸入模塊采集由限位開(kāi)關(guān)、熱敏電阻、變頻器故障反饋等設(shè)備的信號(hào)狀態(tài)；接收主令控制器、按鈕開(kāi)關(guān)發(fā)出的控制指令，集中在CPU中進(jìn)行運(yùn)算，并將程序運(yùn)算結(jié)果通過(guò)輸出模塊和Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線傳送給接觸器和變頻器等執(zhí)行設(shè)備，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、液壓抱閘、冷卻風(fēng)機(jī)等完成各種生產(chǎn)任務(wù)。

2、Profibus串行通訊現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)Profibus是一種開(kāi)放式串行通訊標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在各類自動(dòng)化元件之間互相交換。在本系統(tǒng)中以S7-400作為主站，以各機(jī)構(gòu)變頻器作為從站，通過(guò)DP接口模塊和RS485屏蔽雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)快速實(shí)時(shí)交換。

設(shè)置變頻器通訊參數(shù)：98.02=fieldbus激活通迅模塊51.01=Profibus-DP選擇現(xiàn)場(chǎng)總線類型51.02=3設(shè)置主升變頻器站地址51.03=1500選擇通迅?jìng)鬏斔俾蕿?.5Mbit/s51.04=PPO4選擇數(shù)據(jù)傳輸類型4（6個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊）作為主站的PLC中央處理器從從站讀取各種輸入狀態(tài)信息，即從變頻器讀出主升狀態(tài)字和實(shí)際值，包括變頻器準(zhǔn)備好、上電應(yīng)答、運(yùn)行、轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證OK、變頻器故障、電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速等信息；并將各種輸出信息寫(xiě)入從站，即將控制字和速度給定寫(xiě)入變頻器。包括通訊檢測(cè)位、來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC系統(tǒng)的Driveon、來(lái)自上位系統(tǒng)的啟動(dòng)信號(hào)、故障復(fù)位信號(hào)及實(shí)際頻率給定等。使復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)換、監(jiān)控、反饋過(guò)程全部通過(guò)Profibus鏈的數(shù)據(jù)傳輸、和CPU的快速集中處理輕松實(shí)現(xiàn)。

3、先進(jìn)的人機(jī)界面系統(tǒng)TP270觸摸屏和PLC之間也采用Profibus總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與交換，實(shí)時(shí)地顯示和監(jiān)控各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)及電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、速度等運(yùn)行參數(shù)，并能利用自身故障實(shí)時(shí)診斷系統(tǒng)對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行判斷，記錄故障時(shí)的各種參數(shù)，這樣，操作人員和檢修人員就可以全面及時(shí)地了解系統(tǒng)的狀態(tài)，并可按提示的故障信息去檢查和維修，達(dá)到準(zhǔn)確、快速排除故障的效果，真正實(shí)現(xiàn)了人機(jī)智能化。

4、變頻調(diào)速系統(tǒng)1）起升工況及要求起升機(jī)構(gòu)要求較大的調(diào)速比和較硬的機(jī)械特性，以適應(yīng)重物的精確吊裝要求；要求有大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力，以適應(yīng)負(fù)載突變，保證重載二次起升的能力；必須解決好再生制動(dòng)狀態(tài)的能量回饋與處理，以縮短減速停車時(shí)間；必須解決好溜鉤問(wèn)題。2）變頻功能應(yīng)用根據(jù)起升機(jī)構(gòu)特性和技術(shù)要求，變頻器采用帶測(cè)速反饋接口的800系列變頻器，配合ACC7.2專用提升軟件，形成閉環(huán)直接轉(zhuǎn)矩控制，通過(guò)預(yù)勵(lì)磁功能和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩設(shè)定,使電機(jī)啟動(dòng)瞬間力矩最高可達(dá)300%,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的啟動(dòng)特性.內(nèi)置制動(dòng)斬波器，外接制動(dòng)電阻，使制動(dòng)過(guò)程中的產(chǎn)生的再生能量通過(guò)制動(dòng)電阻得到釋放，達(dá)到快速制動(dòng)的目的。使用機(jī)械制動(dòng)控制功能，使電機(jī)轉(zhuǎn)矩釋放和制動(dòng)器緊密配合，更好地提高了設(shè)備的安全性，承受頻繁起動(dòng)沖擊的能力及可靠性也大為增加。3）參數(shù)設(shè)置99.1=ENGLISH選擇語(yǔ)言.99.2=CRANE選擇起升專用宏.99.3=YES復(fù)位為工廠設(shè)置.99.4=DTC選擇直接轉(zhuǎn)矩控制.99.5=380V設(shè)定電機(jī)額定電壓為380V.99.6=286A設(shè)定電機(jī)額定電流為286A.99.7=50HZ設(shè)定電機(jī)額定頻率為50HZ.99.8=722rpm設(shè)定電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為722轉(zhuǎn)/分.99.9=150KW設(shè)定電機(jī)額定功率為150KW.99.10=STANDARD選擇標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)型電機(jī)數(shù)據(jù)辯識(shí).10.1=DI1設(shè)置數(shù)字輸入1為制動(dòng)應(yīng)答信號(hào).14.1=BRAKELIFT設(shè)置繼電器輸出1為機(jī)械制動(dòng)控制.14.2=WATCHDOG-N設(shè)置繼電器輸出2為看門狗,當(dāng)發(fā)生到通訊故障、制動(dòng)斬波器故障、CPU阻塞等故障時(shí)切斷制動(dòng)器輸出并急停.14.3=FAULT設(shè)置繼電器輸出3為故障輸出，當(dāng)發(fā)生過(guò)電流、過(guò)電壓、過(guò)力矩、過(guò)載、過(guò)速度等故障時(shí)保護(hù)裝置動(dòng)作.20.1=-722rpm設(shè)置最小轉(zhuǎn)速為-722轉(zhuǎn).20.2=722rpm設(shè)置最大轉(zhuǎn)速為722轉(zhuǎn).20.6=OFF關(guān)閉直流過(guò)電壓控制器.21.1=CNSTDCMAGN設(shè)置啟動(dòng)特性為恒定勵(lì)磁模式.21.2=600ms設(shè)置預(yù)勵(lì)磁時(shí)間為600ms.27.1=ON激活制動(dòng)斬波器的控制.27.2=ON激活制動(dòng)電阻器的過(guò)載保護(hù)功能.30.4=FAULT選擇電機(jī)過(guò)溫時(shí)的保護(hù)類型為故障跳閘停車.30.10=FAULT選擇電機(jī)缺相時(shí)的保護(hù)類型為故障跳閘停車.30.11=FAULT選擇電機(jī)發(fā)生接地故障時(shí)保護(hù)類型為故障跳閘停車.30.12=FAULT選擇現(xiàn)場(chǎng)總線與變頻器的通訊異常時(shí)的保護(hù)類型為故障跳閘停車.50.1=1024設(shè)定編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)為1024.50.2=A_-_B_-_選擇對(duì)信號(hào)A、B的所有邊沿計(jì)數(shù)并換算成速度.50.3=FAULT設(shè)定脈沖編碼器與編碼器接口模塊之間,或編碼器接口模塊與變頻器控制板之間檢測(cè)到通訊故障時(shí)的保護(hù)類型為故障跳閘停車.50.5=TRUE選擇將編碼器模塊的實(shí)際速度反饋用于速度和轉(zhuǎn)矩控制.61.1=110%設(shè)定當(dāng)電機(jī)速度值超過(guò)額定速度的110%時(shí),傳動(dòng)將跳閘并顯示過(guò)速度故障.62.1=TRUE選擇激活轉(zhuǎn)矩監(jiān)視功能.64.1=FALSE選擇控制方式為現(xiàn)場(chǎng)總線.65.1=FALSE選擇電機(jī)停止后只在65.2的時(shí)間內(nèi)保持勵(lì)磁.65.2=5s選擇電機(jī)停止后電機(jī)勵(lì)磁電流保持on的時(shí)間,在此時(shí)間內(nèi)電動(dòng)機(jī)保持勵(lì)磁并隨時(shí)準(zhǔn)備快速重起.66.1=TRUE選擇轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證功能有效.66.3=100%選擇轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證有效值.在啟動(dòng)時(shí),只有當(dāng)電機(jī)力矩達(dá)到該值并通過(guò)驗(yàn)證時(shí)才會(huì)發(fā)出抱閘打開(kāi)指令.67.1=2S設(shè)定制動(dòng)施加時(shí)間為2S,當(dāng)停止時(shí)電機(jī)速度下降到零速值,抱閘開(kāi)始閉合,在此時(shí)間內(nèi)電機(jī)保持力矩,直至抱閘閉合完閉.防止重物下滑溜鉤.67.2=2%設(shè)定相對(duì)零速值為2%,在當(dāng)實(shí)際速度達(dá)到該值以下時(shí),制動(dòng)器開(kāi)始閉合.67.09=P67.10選擇啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩調(diào)用P67.10的值.67.10=100%設(shè)定啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩給定值為100%.69.2=3S設(shè)定上升方向轉(zhuǎn)速?gòu)?到100%的加速時(shí)間為3S.69.3=3S設(shè)定下降方向轉(zhuǎn)速?gòu)?到-100%的加速時(shí)間為3S.69.4=2S設(shè)定上升方向轉(zhuǎn)速?gòu)?00%到0的減速時(shí)間為2S.69.5=2S設(shè)定下降方向轉(zhuǎn)速?gòu)?100%到0的減速時(shí)間為2S.98.1=RTAC-SLOT1激活與脈沖編碼器模塊的通訊.4）主要功能介紹:轉(zhuǎn)距驗(yàn)證轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證用于確認(rèn)在松開(kāi)抱閘和開(kāi)始提升運(yùn)行之前傳動(dòng)能夠產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,抱閘沒(méi)有打滑.它是將機(jī)械抱閘被施加時(shí)給一個(gè)正的轉(zhuǎn)矩給定（P67.10的值）來(lái)完成的.如果轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證成功,則表示轉(zhuǎn)矩達(dá)到了正確的等級(jí),才能執(zhí)行啟動(dòng)序列中的下一步驟.當(dāng)變頻器啟動(dòng)信號(hào)有效時(shí),轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證程序就開(kāi)始了,完成之后,轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證OK被置1,如果在轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證期間檢測(cè)到了任何故障,則轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證失敗,且傳動(dòng)跳閘停車,并在監(jiān)控系統(tǒng)中給出故障指示，大大增加了起重機(jī)的安全性。機(jī)械制動(dòng)控制變頻器內(nèi)置了制動(dòng)邏輯控制器,用來(lái)控制抱閘接觸器的動(dòng)作.當(dāng)接收到啟動(dòng)命令時(shí),變頻器首先對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行預(yù)勵(lì)磁,然后釋放速度和轉(zhuǎn)矩控制器,如果轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證OK通過(guò),制動(dòng)器將抬起,電動(dòng)機(jī)將按照正常的加速時(shí)間運(yùn)行.如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到制動(dòng)應(yīng)答信號(hào),傳動(dòng)將故障跳閘并指示制動(dòng)器故障.啟動(dòng)命令撤去之后,傳動(dòng)將按減速時(shí)間減速到相對(duì)零速,當(dāng)接到零速信號(hào)反饋后,制動(dòng)抬起命令被關(guān)閉,在制動(dòng)施加時(shí)間（即P67.1的值）內(nèi)傳動(dòng)將保持勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩輸出,直至制動(dòng)器閉合完畢，有效地預(yù)防了溜鉤事故的發(fā)生。再生能量的處理重載下降時(shí)電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，對(duì)于再生電能，必須能夠妥善處理，以保證能使減速停車時(shí)間盡量縮短。通過(guò)設(shè)置20.6=OFF關(guān)閉直流過(guò)電壓控制器、27.1=ON激活制動(dòng)斬波器的控制，設(shè)置P69.04、P69.05選擇合理的減速時(shí)間，當(dāng)重物下降減速時(shí)，所產(chǎn)生的再生電能將通過(guò)和逆變管所并聯(lián)的二極管全波整流后反饋到中間直流電路，這一過(guò)程將產(chǎn)生泵升電壓，當(dāng)此電壓超過(guò)門限值，制動(dòng)斬波器就會(huì)被激活，把多余的電能通過(guò)制動(dòng)電阻快速得到釋放，保證了在短時(shí)間內(nèi)快速減速或停車。

總結(jié)

綜上所述，該系統(tǒng)PLC程序控制使外部硬接線簡(jiǎn)單明了，故障率低且易于維護(hù)，整個(gè)系統(tǒng)電網(wǎng)適應(yīng)性強(qiáng)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和低速轉(zhuǎn)矩高，速度響應(yīng)快，調(diào)速范圍寬，各檔位速度可任意設(shè)置，加減速時(shí)間可調(diào)，尤其是提升專用軟件，使該起重機(jī)具備了提升機(jī)應(yīng)用所需的全部控制和安全功能，確保了安全可靠地運(yùn)行。智能人機(jī)界面系統(tǒng)具備了完善的保護(hù)及監(jiān)控功能，使操作者隨時(shí)掌握整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)，故障處理更加簡(jiǎn)便快捷。該系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái)，一直運(yùn)行良好，調(diào)速性能優(yōu)異、定位準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單、故障率低、維護(hù)方便，大大地提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，有著廣泛的推廣價(jià)值，必將成為起重設(shè)備電控系統(tǒng)的發(fā)展方向。