PLC－變頻器在起重機電控系統(tǒng)中的應用

引言
隨著電力電子技術的發(fā)展，PLC、變頻器等自動化產品在電力拖動領域得到了廣泛應用。起重行業(yè)采用PLC-變頻器調速在近幾年逐漸得到推廣和普及，尤其在大型起重設備上，用PLC程序控制取代傳統(tǒng)的繼電-接觸器控制；用變頻調速取代繞線電機轉子串電阻調速；用變頻電動機或異步電動機取代繞線電機，再配合先進的現(xiàn)場總線技術和人機界面系統(tǒng)，提高了設備控制精度和穩(wěn)定性，降低了故障率，且節(jié)能效果顯著，易于檢修維護，成為提高企業(yè)生產效率的好途徑。

控制方案
某重型機械制造大件分廠，承擔著所有大件設備裝配、定位、對接等任務，對起重機性能要求很高，所用一臺QD250/50t橋式起重機采用了siemens S7-400 PLC、ABB變頻器、觸摸屏等高性能配置，應用了先進的Profibus現(xiàn)場總線技術、帶編碼器反饋的直接轉距控制方式、及先進的人機界面系統(tǒng)。
橋式起重機分為主鉤、副鉤、大車、小車等四部分.因主起升機構在起重機應用上最為典型，控制也最為復雜，故本章以主起升為例詳細介紹其控制方式。

1、PLC
整個系統(tǒng)以S7-400 PLC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關、熱敏電阻、變頻器故障反饋等設備的信號狀態(tài)；接收主令控制器、按鈕開關發(fā)出的控制指令，集中在CPU中進行運算，并將程序運算結果通過輸出模塊和Profibus現(xiàn)場總線傳送給接觸器和變頻器等執(zhí)行設備，從而驅動電動機、液壓抱閘、冷卻風機等完成各種生產任務。

2、Profibus串行通訊現(xiàn)場總線系統(tǒng)
Profibus是一種開放式串行通訊標準，該標準可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在各類自動化元件之間互相交換。在本系統(tǒng)中以S7-400作為主站，以各機構變頻器作為從站，通過DP接口模塊和RS485屏蔽雙絞線進行數(shù)據(jù)快速實時交換。

設置變頻器通訊參數(shù)：
98.02=fieldbus 激活通迅模塊
51.01= Profibus-DP 選擇現(xiàn)場總線類型
51.02=3 設置主升變頻器站地址
51.03=1500 選擇通迅傳輸速率為1.5Mbit/s
51.04=PPO4 選擇數(shù)據(jù)傳輸類型4（6個過程數(shù)據(jù)為一個標準塊）
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)字和實際值，包括變頻器準備好、上電應答、運行、轉矩驗證OK、變頻器故障、電動機實際轉速等信息；并將各種輸出信息寫入從站，即將控制字和速度給定寫入變頻器。包括通訊檢測位、來自現(xiàn)場總線的PLC系統(tǒng)的Drive on、來自上位系統(tǒng)的啟動信號、故障復位信號及實際頻率給定等。使復雜的信號轉換、監(jiān)控、反饋過程全部通過Profibus鏈的數(shù)據(jù)傳輸、和CPU的快速集中處理輕松實現(xiàn)。

3、先進的人機界面系統(tǒng)
TP270觸摸屏和PLC之間也采用Profibus總線進行數(shù)據(jù)傳輸與交換，實時地顯示和監(jiān)控各機構的運行狀態(tài)及電壓、電流、轉矩、速度等運行參數(shù)，并能利用自身故障實時診斷系統(tǒng)對故障現(xiàn)象進行判斷，記錄故障時的各種參數(shù)，這樣，操作人員和檢修人員就可以全面及時地了解系統(tǒng)的狀態(tài)，并可按提示的故障信息去檢查和維修，達到準確、快速排除故障的效果，真正實現(xiàn)了人機智能化。

4、變頻調速系統(tǒng)
1）起升工況及要求
起升機構要求較大的調速比和較硬的機械特性，以適應重物的精確吊裝要求；要求有大的起動轉矩，優(yōu)異的動態(tài)轉矩響應能力，以適應負載突變，保證重載二次起升的能力；必須解決好再生制動狀態(tài)的能量回饋與處理，以縮短減速停車時間；必須解決好溜鉤問題。

2）變頻功能應用
根據(jù)起升機構特性和技術要求，變頻器采用帶測速反饋接口的800系列變頻器，配合ACC 7.2專用提升軟件，形成閉環(huán)直接轉矩控制，通過預勵磁功能和啟動轉矩設定,使電機啟動瞬間力矩最高可達300%,實現(xiàn)了優(yōu)異的啟動特性.內置制動斬波器，外接制動電阻，使制動過程中的產生的再生能量通過制動電阻得到釋放，達到快速制動的目的。使用機械制動控制功能，使電機轉矩釋放和制動器緊密配合，更好地提高了設備的安全性，承受頻繁起動沖擊的能力及可靠性也大為增加。

3） 參數(shù)設置
99. 1=ENGLISH 選擇語言.
99. 2=CRANE 選擇起升專用宏.
99. 3=YES 復位為工廠設置.
99. 4=DTC 選擇直接轉矩控制.
99. 5=380V 設定電機額定電壓為380V.
99. 6=286A 設定電機額定電流為286A.
99. 7=50HZ 設定電機額定頻率為50HZ.
99. 8=722rpm 設定電機額定轉速為722轉/分.
99. 9=150KW 設定電機額定功率為150KW.
99.10=STANDARD 選擇標準旋轉型電機數(shù)據(jù)辯識.
10.1=DI1 設置數(shù)字輸入1為制動應答信號.
14.1=BRAKE LIFT 設置繼電器輸出1為機械制動控制.
14.2=WATCHDOG-N 設置繼電器輸出2為看門狗,當發(fā)生到通訊故障、制動斬波器故障、CPU阻塞等故障時切斷制動器輸出并急停.
14.3=FAULT 設置繼電器輸出3為故障輸出，當發(fā)生過電流、過電壓、過力矩、過載、過速度等故障時保護裝置動作.
20.1= -722rpm 設置最小轉速為-722轉.
20.2=722rpm 設置最大轉速為722轉.
20.6=OFF 關閉直流過電壓控制器.
21.1=CNST DC MAGN 設置啟動特性為恒定勵磁模式.
21.2=600ms 設置預勵磁時間為600ms.
27.1=ON 激活制動斬波器的控制.
27.2=ON 激活制動電阻器的過載保護功能.
30.4= FAULT 選擇電機過溫時的保護類型為故障跳閘停車.
30.10=FAULT 選擇電機缺相時的保護類型為故障跳閘停車.
30.11= FAULT 選擇電機發(fā)生接地故障時保護類型為故障跳閘停車.
30.12= FAULT 選擇現(xiàn)場總線與變頻器的通訊異常時的保護類型為故障跳閘停車.
50.1=1024 設定編碼器每轉的脈沖數(shù)為1024.
50.2=A_-_B_-_ 選擇對信號A、 B的所有邊沿計數(shù)并換算成速度.
50.3=FAULT 設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到通訊故障時的保護類型為故障跳閘停車.
50.5=TRUE 選擇將編碼器模塊的實際速度反饋用于速度和轉矩控制.
61.1=110% 設定當電機速度值超過額定速度的110%時,傳動將跳閘并顯示過速度故障.
62.1=TRUE 選擇激活轉矩監(jiān)視功能.
64.1=FALSE 選擇控制方式為現(xiàn)場總線.
65.1= FALSE 選擇電機停止后只在65.2的時間內保持勵磁.
65.2=5s 選擇電機停止后電機勵磁電流保持on的時間,在此時間內電動機保持勵磁并隨時準備快速重起.
66.1=TRUE 選擇轉矩驗證功能有效.
66.3=100% 選擇轉矩驗證有效值.在啟動時,只有當電機力矩達到該值并通過驗證時才會發(fā)出抱閘打開指令.
67.1=2S 設定制動施加時間為2S,當停止時電機速度下降到零速值,抱閘開始閉合,在此時間內電機保持力矩,直至抱閘閉合完閉.防止重物下滑溜鉤.
67.2=2% 設定相對零速值為2%,在當實際速度達到該值以下時,制動器開始閉合.
67.09=P67.10 選擇啟動轉矩調用P67.10的值.
67.10=100% 設定啟動時轉矩給定值為100%.
69.2=3S 設定上升方向轉速從0到100%的加速時間為3S.
69.3=3S 設定下降方向轉速從0到-100%的加速時間為3S.
69.4=2S 設定上升方向轉速從100%到0的減速時間為2S.
69.5=2S 設定下降方向轉速從-100%到0的減速時間為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:
轉距驗證
轉矩驗證用于確認在松開抱閘和開始提升運行之前傳動能夠產生轉矩,抱閘沒有打滑.它是將機械抱閘被施加時給一個正的轉矩給定（P67.10的值）來完成的.如果轉矩驗證成功,則表示轉矩達到了正確的等級,才能執(zhí)行啟動序列中的下一步驟.當變頻器啟動信號有效時,轉矩驗證程序就開始了,完成之后,轉矩驗證OK被置1,如果在轉矩驗證期間檢測到了任何故障,則轉矩驗證失敗,且傳動跳閘停車,并在監(jiān)控系統(tǒng)中給出故障指示，大大增加了起重機的安全性。
機械制動控制
變頻器內置了制動邏輯控制器,用來控制抱閘接觸器的動作.當接收到啟動命令時,變頻器首先對電動機進行預勵磁,然后釋放速度和轉矩控制器,如果轉矩驗證OK通過,制動器將抬起,電動機將按照正常的加速時間運行.如果在規(guī)定的時間內沒有接收到制動應答信號,傳動將故障跳閘并指示制動器故障.啟動命令撤去之后,傳動將按減速時間減速到相對零速,當接到零速信號反饋后,制動抬起命令被關閉,在制動施加時間（即P67.1的值）內傳動將保持勵磁和轉矩輸出,直至制動器閉合完畢，有效地預防了溜鉤事故的發(fā)生。
再生能量的處理
重載下降時電動機處于再生制動狀態(tài)，對于再生電能，必須能夠妥善處理，以保證能使減速停車時間盡量縮短。通過設置20.6=OFF關閉直流過電壓控制器、27.1=ON 激活制動斬波器的控制，設置P69.04、P69.05選擇合理的減速時間，當重物下降減速時，所產生的再生電能將通過和逆變管所并聯(lián)的二極管全波整流后反饋到中間直流電路，這一過程將產生泵升電壓，當此電壓超過門限值，制動斬波器就會被激活，把多余的電能通過制動電阻快速得到釋放，保證了在短時間內快速減速或停車。

總結
綜上所述，該系統(tǒng)PLC程序控制使外部硬接線簡單明了，故障率低且易于維護，整個系統(tǒng)電網(wǎng)適應性強，起動轉矩和低速轉矩高，速度響應快，調速范圍寬，各檔位速度可任意設置，加減速時間可調，尤其是提升專用軟件，使該起重機具備了提升機應用所需的全部控制和安全功能，確保了安全可靠地運行。智能人機界面系統(tǒng)具備了完善的保護及監(jiān)控功能，使操作者隨時掌握整個系統(tǒng)的狀態(tài)，故障處理更加簡便快捷。
該系統(tǒng)自投入運行以來，一直運行良好，調速性能優(yōu)異、定位準確、操作簡單、故障率低、維護方便，大大地提高了企業(yè)生產效率，有著廣泛的推廣價值，必將成為起重設備電控系統(tǒng)的發(fā)展方向。