浅谈PLC－变频器在起重机电控系统中的应用

　　引言

　　随着电力电子技术的发展，PLC、变频器等自动化产品在电力拖动领域得到了广泛应用。电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出的个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。此前就已经有用于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO），电力双极型晶体管（BJT），电力场效应管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件全速发展（全控型器件的特点是通过对门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断），使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT 可看作MOSFET和BJT的复合）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，在流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前PIC的功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。

　　电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。

　　控制方案

　　某重型机械制造大件分厂，承担着所有大件设备装配、定位、对接等任务，对起重机性能要求很高，所用一台QD250/50t桥式起重机采用了siemens S7-400 PLC、ABB变频器、触摸屏等高性能配置，应用了先进的Profibus现场总线技术、带编码器反馈的直接转距控制方式、及先进的人机界面系统。

　　1、PLC

　　整个系统以S7-400 PLC作为电控，主要有电源模块、CPU、输入输出模块及接口模块等组成。输入模块采集由限位开关、热敏电阻、变频器故障反馈等设备的信号状态；PLC主要是指数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器，用于控制机械的生产过程。也是公共有限公司、电源线车等的名称缩写。PLC = Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的部分。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC,plc自1966年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。

　　2、Profibus串行通讯现场总线系统

　　PROFIBUS，是一种国际化。开放式。不依赖于设备生产商的现场总线标准。PROFIBUS传送速度可在 9.6kbaud~12Mbaud范围内选择且当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。PROFIBUS是过程现场总线的缩写，于1989年正式成为现场总线的国际标准。目前在多种自动化的领域中占据主导地位，全世界的设备节点数已经超过2000万。它由三个兼容部分组成，即PROFIBUS－DP（ Decentralized Periphery）。PROFIBUS－PA（Process Automation ）。PROFIBUS-FMS （Fieldbus Message Specification ）。主要使用主-从方式，通常周期性地与传动装置进行数据交换。

　　设置变频器通讯参数：

　　98.02=fieldbus 激活通迅模块

　　51.01= Profibus-DP 选择现场总线类型

　　51.02=3 设置主升变频器站地址

　　51.03=1500 选择通迅传输速率为1.5Mbit/s

　　51.04=PPO4 选择数据传输类型4（6个过程数据为一个标准块）

　　作为主站的PLC中央处理器从从站读取各种输入状态信息，即从变频器读出主升状态字和实际值，包括变频器准备好、上电应答、运行、转矩验证OK、变频器故障、电动机实际转速等信息；并将各种输出信息写入从站，即将控制字和速度给定写入变频器。包括通讯检测位、来自现场总线的PLC系统的Drive on、来自上位系统的启动信号、故障复位信号及实际频率给定等。

　　3、先进的人机界面系统

　　TP270触摸屏和PLC之间也采用Profibus总线进行数据传输与交换，实时地显示和监控各机构的运行状态及电压、电流、转矩、速度等运行参数，并能利用自身故障实时诊断系统对故障现象进行判断，记录故障时的各种参数，这样，操作人员和检修人员就可以全面及时地了解系统的状态，并可按提示的故障信息去检查和维修，达到准确、快速排除故障的效果，真正实现了人机智能化。人机界面（又称用户界面或使用者界面）是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。

　　人机界面（Human–Machine Interaction，简称HMI），是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。是指人和机器在信息交换和功能上接触或互相影响的领域或称界面所说人机结合面，信息交换，功能接触或互相影响，指人和机器的硬接触和软触，此结合面不仅包括点线面的直接接触，还包括远距离的信息传递与控制的作用空间。人机结合面是人机系统中的中心一环节，主要由安全工程学的分支学科安全人机工程学去研究和提出解决的依据，并过安全工程设备工程学，安全管理工程学以及安全系统工程学去研究具体的解决方法手段措施安全人机学。它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。现在大量运用在工业与商业上，简单的区分为“输入”（Input）与“输出”（Ouput）两种，输入指的是由人来进行机械或设备的操作，如把手、开关、门、指令（命令）的下达或保养维护等，而输出指的是由机械或设备发出来的通知，如故障、警告、操作说明提示等，好的人机接口会帮助使用者更简单、更正确、更迅速的操作机械，也能使机械发挥的效能并延长使用寿命，而目前市面上所指的人机接口则多界狭义的指在软件人性化的操作接口上。

　　4、变频调速系统

　　1）起升工况及要求

　　起升机构要求较大的调速比和较硬的机械特性，以适应重物的吊装要求；要求有大的起动转矩，优异的动态转矩响应能力，以适应负载突变，保证重载二次起升的能力。

　　2）变频功能应用

　　根据起升机构特性和技术要求，变频器采用带测速反馈接口的800系列变频器，配合ACC 7.2专用提升软件，形成闭环直接转矩控制，通过预励磁功能和启动转矩设定，使电机启动瞬间力矩可达300%,实现了优异的启动特性。内置制动斩波器，外接制动电阻，使制动过程中的产生的再生能量通过制动电阻得到释放，达到快速制动的目的。

　　3） 参数设置

　　99. 1=ENGLISH 选择语言。

　　99. 2=CRANE 选择起升专用宏。

　　99. 3=YES 复位为工厂设置。

　　99. 4=DTC 选择直接转矩控制。

　　99. 5=380V 设定电机额定电压为380V.

　　99. 6=286A 设定电机额定电流为286A.

　　99. 7=50HZ 设定电机额定频率为50HZ.

　　99. 8=722rpm 设定电机额定转速为722转/分。

　　99. 9=150KW 设定电机额定功率为150KW.

　　99.10=STANDARD 选择标准旋转型电机数据辩识。

　　10.1=DI1 设置数字输入1为制动应答信号。

　　14.1=BRAKE LIFT 设置继电器输出1为机械制动控制。

　　14.2=WATCHDOG-N 设置继电器输出2为看门狗，当发生到通讯故障、制动斩波器故障、CPU阻塞等故障时切断制动器输出并急停。

　　14.3=FAULT 设置继电器输出3为故障输出，当发生过电流、过电压、过力矩、过载、过速度等故障时保护装置动作。

　　20.1= -722rpm 设置转速为-722转。

　　20.2=722rpm 设置转速为722转。

　　20.6=OFF 关闭直流过电压控制器。

　　21.1=CNST DC MAGN 设置启动特性为恒定励磁模式。

　　21.2=600ms 设置预励磁时间为600ms.

　　27.1=ON 激活制动斩波器的控制。

　　27.2=ON 激活制动电阻器的过载保护功能。

　　30.4= FAULT 选择电机过温时的保护类型为故障跳闸停车。

　　30.10=FAULT 选择电机缺相时的保护类型为故障跳闸停车。

　　30.11= FAULT 选择电机发生接地故障时保护类型为故障跳闸停车。

　　30.12= FAULT 选择现场总线与变频器的通讯异常时的保护类型为故障跳闸停车。

　　50.1=1024 设定编码器每转的脉冲数为1024.

　　50.2=A_-_B_-_ 选择对信号A、 B的所有边沿计数并换算成速度。

　　50.3=FAULT 设定脉冲编码器与编码器接口模块之间，或编码器接口模块与变频器控制板之间检测到通讯故障时的保护类型为故障跳闸停车。

　　50.5=TRUE 选择将编码器模块的实际速度反馈用于速度和转矩控制。

　　61.1=110% 设定当电机速度值超过额定速度的110%时，传动将跳闸并显示过速度故障。

　　62.1=TRUE 选择激活转矩监视功能。

　　64.1=FALSE 选择控制方式为现场总线。

　　65.1= FALSE 选择电机停止后只在65.2的时间内保持励磁。

　　65.2=5s 选择电机停止后电机励磁电流保持on的时间，在此时间内电动机保持励磁并随时准备快速重起。

　　66.1=TRUE 选择转矩验证功能有效。

　　66.3=100% 选择转矩验证有效值。在启动时，只有当电机力矩达到该值并通过验证时才会发出抱闸打开指令。

　　67.1=2S 设定制动施加时间为2S,当停止时电机速度下降到零速值，抱闸开始闭合，在此时间内电机保持力矩，直至抱闸闭合完闭。防止重物下滑溜钩。

　　67.2=2% 设定相对零速值为2%,在当实际速度达到该值以下时，制动器开始闭合。

　　67.09=P67.10 选择启动转矩调用P67.10的值。

　　67.10=100% 设定启动时转矩给定值为100%.

　　69.2=3S 设定上升方向转速从0到100%的加速时间为3S.

　　69.3=3S 设定下降方向转速从0到-100%的加速时间为3S.

　　69.4=2S 设定上升方向转速从100%到0的减速时间为2S.

　　69.5=2S 设定下降方向转速从-100%到0的减速时间为2S.

　　98.1=RTAC-SLOT1 激活与脉冲编码器模块的通讯。

　　4）主要功能介绍：

　　转距验证

　　转矩验证用于确认在松开抱闸和开始提升运行之前传动能够产生转矩，抱闸没有打滑。它是将机械抱闸被施加时给一个正的转矩给定（P67.10的值）来完成的。如果转矩验证成功，则表示转矩达到了正确的等级，才能执行启动序列中的下一步骤。变频器的英文译名是VFD（Variable-frequency Drive），这可能是现代科技由中文反向译为英文的为数不多实例之一。（但VFD也可解释为Vacuum fluorescent display，真空荧光管，故这种译法并不常用）。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。

　　机械制动控制

　　变频器内置了制动逻辑控制器，用来控制抱闸接触器的动作。当接收到启动命令时，变频器首先对电动机进行预励磁，然后释放速度和转矩控制器，如果转矩验证OK通过，制动器将抬起，电动机将按照正常的加速时间运行。如果在规定的时间内没有接收到制动应答信号，传动将故障跳闸并指示制动器故障。启动命令撤去之后，传动将按减速时间减速到相对零速，当接到零速信号反馈后，制动抬起命令被关闭，在制动施加时间（即P67.1的值）内传动将保持励磁和转矩输出，直至制动器闭合完毕，有效地预防了溜钩事故的发生。

　　再生能量的处理

　　重载下降时电动机处于再生制动状态，对于再生电能，必须能够妥善处理，以保证能使减速停车时间尽量缩短。通过设置20.6=OFF关闭直流过电压控制器、27.1=ON 激活制动斩波器的控制，设置P69.04、P69.05选择合理的减速时间，当重物下降减速时，所产生的再生电能将通过和逆变管所并联的二极管全波整流后反馈到中间直流电路，这一过程将产生泵升电压，当此电压超过门限值，制动斩波器就会被激活，把多余的电能通过制动电阻快速得到释放。

　　总结

　　综上所述，该系统PLC程序控制使外部硬接线简单明了，故障率低且易于维护，整个系统电网适应性强，起动转矩和低速转矩高，速度响应快，调速范围宽，各档位速度可任意设置，加减速时间可调，尤其是提升专用软件，使该起重机具备了提升机应用所需的全部控制和安全功能，确保了安全可靠地运行。

　　该系统自投入运行以来，一直运行良好，调速性能优异、定位准确、操作简单、故障率低、维护方便，大大地提高了企业生产效率，有着广泛的推广价值，必将成为起重设备电控系统的发展方向。