引言
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，PLC、變頻器等自動化產(chǎn)品在電力拖動領(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；用變頻電動機(jī)或異步電動機(jī)取代繞線電機(jī)，再配合先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(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、對接等任務(wù)，對起重機(jī)性能要求很高，所用一臺QD250/50t橋式起重機(jī)采用了siemens S7-400 PLC、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(guān)、熱敏電阻、變頻器故障反饋等設(shè)備的信號狀態(tài)；接收主令控制器、按鈕開關(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(shè)備，從而驅(qū)動電動機(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)場總線系統(tǒng)
Profibus是一種開放式串行通訊標(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DP接口模塊和RS485屏蔽雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)快速實(shí)時交換。
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(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、電動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)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(fù)位信號及實(shí)際頻率給定等。使復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)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(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)時診斷系統(tǒng)對故障現(xiàn)象進(jìn)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(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；要求有大的起動轉(zhuǎn)矩，優(yōu)異的動態(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(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(zhuǎn)矩控制，通過預(yù)勵磁功能和啟動轉(zhuǎn)矩設(shè)定,使電機(jī)啟動瞬間力矩最高可達(dá)300%,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的啟動特性.內(nèi)置制動斬波器，外接制動電阻，使制動過程中的產(chǎn)生的再生能量通過制動電阻得到釋放，達(dá)到快速制動的目的。使用機(jī)械制動控制功能，使電機(jī)轉(zhuǎn)矩釋放和制動器緊密配合，更好地提高了設(shè)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(shè)置
99. 1=ENGLISH 選擇語言.
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.
10.1=DI1 設(shè)置數(shù)字輸入1為制動應(yīng)答信號.
14.1=BRAKE LIFT 設(shè)置繼電器輸出1為機(jī)械制動控制.
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(shè)置繼電器輸出3為故障輸出，當(dāng)發(fā)生過電流、過電壓、過力矩、過載、過速度等故障時保護(hù)裝置動作.
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)閉直流過電壓控制器.
21.1=CNST DC MAGN 設(shè)置啟動特性為恒定勵磁模式.
21.2=600ms 設(shè)置預(yù)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(hù)功能.
30.4= FAULT 選擇電機(jī)過溫時的保護(hù)類型為故障跳閘停車.
30.10=FAULT 選擇電機(jī)缺相時的保護(hù)類型為故障跳閘停車.
30.11= FAULT 選擇電機(jī)發(fā)生接地故障時保護(hù)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(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_-_ 選擇對信號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到通訊故障時的保護(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(zhuǎn)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(jī)停止后只在65.2的時間內(nèi)保持勵磁.
65.2=5s 選擇電機(jī)停止后電機(jī)勵磁電流保持on的時間,在此時間內(nèi)電動機(jī)保持勵磁并隨時準(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.在啟動時,只有當(dāng)電機(jī)力矩達(dá)到該值并通過驗(yàn)證時才會發(fā)出抱閘打開指令.
67.1=2S 設(shè)定制動施加時間為2S,當(dāng)停止時電機(jī)速度下降到零速值,抱閘開始閉合,在此時間內(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)定相對零速值為2%,在當(dāng)實(shí)際速度達(dá)到該值以下時,制動器開始閉合.
67.09=P67.10 選擇啟動轉(zhuǎn)矩調(diào)用P67.10的值.
67.10=100% 設(shè)定啟動時轉(zhuǎn)矩給定值為100%.
69.2=3S 設(shè)定上升方向轉(zhuǎn)速從0到100%的加速時間為3S.
69.3=3S 設(shè)定下降方向轉(zhuǎn)速從0到-100%的加速時間為3S.
69.4=2S 設(shè)定上升方向轉(zhuǎn)速從100%到0的減速時間為2S.
69.5=2S 設(shè)定下降方向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)距驗(yàn)證
轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證用于確認(rèn)在松開抱閘和開始提升運(yùn)行之前傳動能夠產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,抱閘沒有打滑.它是將機(jī)械抱閘被施加時給一個正的轉(zhuǎn)矩給定（P67.10的值）來完成的.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,才能執(zhí)行啟動序列中的下一步驟.當(dāng)變頻器啟動信號有效時,轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證程序就開始了,完成之后,轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證OK被置1,如果在轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證期間檢測到了任何故障,則轉(zhuǎn)矩驗(yàn)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(jī)的安全性。
機(jī)械制動控制
變頻器內(nèi)置了制動邏輯控制器,用來控制抱閘接觸器的動作.當(dāng)接收到啟動命令時,變頻器首先對電動機(jī)進(jìn)行預(yù)勵磁,然后釋放速度和轉(zhuǎn)矩控制器,如果轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證OK通過,制動器將抬起,電動機(jī)將按照正常的加速時間運(yùn)行.如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒有接收到制動應(yīng)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(dāng)接到零速信號反饋后,制動抬起命令被關(guān)閉,在制動施加時間（即P67.1的值）內(nèi)傳動將保持勵磁和轉(zhuǎn)矩輸出,直至制動器閉合完畢，有效地預(yù)防了溜鉤事故的發(fā)生。
再生能量的處理
重載下降時電動機(jī)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(shè)置20.6=OFF關(guān)閉直流過電壓控制器、27.1=ON 激活制動斬波器的控制，設(shè)置P69.04、P69.05選擇合理的減速時間，當(dāng)重物下降減速時，所產(chǎn)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(chǎn)生泵升電壓，當(dāng)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(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單明了，故障率低且易于維護(hù)，整個系統(tǒng)電網(wǎng)適應(yīng)性強(qiáng)，起動轉(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(yùn)行以來，一直運(yùn)行良好，調(diào)速性能優(yōu)異、定位準(zhǔn)確、操作簡單、故障率低、維護(hù)方便，大大地提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，有著廣泛的推廣價值，必將成為起重設(shè)備電控系統(tǒng)的發(fā)展方向。